藝術(shù)圖像美學(xué)評(píng)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐煥旻

（四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都 610065）

0 引言

對(duì)于每一件藝術(shù)作品，除了它的藝術(shù)家賦予它的風(fēng)格特征和創(chuàng)造力，它自身也需要有符合大眾美學(xué)的視覺(jué)效果和普遍性的社會(huì)意義。針對(duì)圖像的大眾美學(xué)[1]，主要可以從兩個(gè)方面來(lái)看待。首先是主觀(guān)美，站在每個(gè)人的主觀(guān)視角上對(duì)圖像進(jìn)行審美，它的審美結(jié)果一般都遵循著人們自身的喜好特點(diǎn)和價(jià)值觀(guān)，不同的人擁有不同的主觀(guān)意識(shí)，對(duì)同一種圖像的審美結(jié)果可能會(huì)大相近庭，無(wú)法進(jìn)行量化。另一種則是客觀(guān)美，顯而易見(jiàn)，區(qū)別于主觀(guān)美，客觀(guān)美的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)基于大眾化的審美，代表了大多數(shù)人群的審美標(biāo)準(zhǔn)，然后對(duì)標(biāo)準(zhǔn)用數(shù)字性的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋磉_(dá)方式進(jìn)行量化，精確地傳遞審美信息。讓計(jì)算機(jī)對(duì)圖像的客觀(guān)美進(jìn)行分析和評(píng)分，是非常具有意義的事情。

當(dāng)今社會(huì)，人們對(duì)于色彩學(xué)的研究與運(yùn)用已進(jìn)行了很長(zhǎng)一段時(shí)間，從最初原始色彩學(xué)的運(yùn)用到現(xiàn)在色彩學(xué)研究與實(shí)踐的數(shù)字色彩語(yǔ)言[2]整合，這之間還經(jīng)歷了很長(zhǎng)時(shí)間的色彩概念形成和色彩標(biāo)準(zhǔn)體系的建立，如今色彩學(xué)可以運(yùn)用在社會(huì)的各行各業(yè)。而且在數(shù)字圖片操作項(xiàng)目中色彩學(xué)有著很多杰出的成果，比如：Adobe Photoshop CS軟件、美圖秀秀、圖像繪畫(huà)程序等。但是目前網(wǎng)絡(luò)上，還沒(méi)有成熟的針對(duì)圖像評(píng)分的系統(tǒng)出現(xiàn)，大部分對(duì)圖像評(píng)分算法的探討和設(shè)計(jì)，也是主要針對(duì)圖像的質(zhì)量，評(píng)估圖像的失真程度，而不是針對(duì)圖像的美感。

本文主要介紹一個(gè)基于Web的藝術(shù)圖像美學(xué)評(píng)分系統(tǒng)，我們通過(guò)對(duì)色彩學(xué)的研究和學(xué)習(xí)以及對(duì)于大眾審美標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，開(kāi)創(chuàng)性地制定了一套針對(duì)圖像色彩的美學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，取出色彩的三個(gè)主要屬性：明度、純度和色調(diào)，并用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)方式將它們進(jìn)行量化，從而達(dá)到藝術(shù)圖像美學(xué)評(píng)分的效果。最后我們?cè)O(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)潔高效的圍繞評(píng)分算法的網(wǎng)站，讓大眾有機(jī)會(huì)利用計(jì)算機(jī)和客觀(guān)標(biāo)準(zhǔn)體驗(yàn)不一樣的藝術(shù)鑒賞方法。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 藝術(shù)圖像美學(xué)評(píng)分算法

我們利用基本美學(xué)原理，將色彩作為影響視覺(jué)審美感受的重點(diǎn)參考因素，并基于蒙賽爾色彩體系[3]將畫(huà)面色彩作為評(píng)價(jià)對(duì)象。蒙賽爾色彩體系用色調(diào)、明度和色度這三個(gè)因素來(lái)判別顏色，可以從各個(gè)方位定義幾乎所有的色彩。

在本算法設(shè)計(jì)中，采用RGB色彩空間來(lái)模擬蒙賽爾色彩體系，并利用一系列方法模擬出評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：

首先，蒙賽爾體系中的明度由RGB值轉(zhuǎn)化為灰度值后進(jìn)行代替，其中利用到色彩心理學(xué)公式：Gray=0.299*R+0.587*G+0.114*B。Gray就代表最后計(jì)算得出的灰度值，R,G,B分別為RGB值中的紅、綠、藍(lán)三色像素點(diǎn)值，得出的灰度值范圍是0-255。因?yàn)樽罱K需要設(shè)計(jì)評(píng)分，將Gray值在原先基礎(chǔ)上除以25.5，就可以得到以10分為滿(mǎn)分，0-10的最終灰度評(píng)分。再參考視覺(jué)藝術(shù)審美標(biāo)準(zhǔn)，按照一定比例給出高中低三種明度的具體得分，最后加權(quán)相加，得到圖像明度的最后得分。

其次，蒙賽爾體系中的純度則根據(jù)每個(gè)像素點(diǎn)的RGB值的取值范圍來(lái)判斷，為了提取圖像的純度信息，將圖像的純度劃分成復(fù)色、間色和原色這三個(gè)區(qū)段。原色是指紅色即RGB值為（255,0,0）、黃色即RGB值為（255,255,0）和藍(lán)色即 RGB 值為（0,0,255）這三種顏色，也就是三原色，這三種顏色的純度是最高的。間色則是由三原色中的任何兩種顏色調(diào)和而成的顏色。最后復(fù)色是由三種原色即紅綠藍(lán)調(diào)和而成的顏色。再根據(jù)一定比例給出復(fù)色、間色和原色的具體得分，最后得到圖像純度的最終得分。

最后，蒙賽爾體系中的色相則必須將RGB值與十進(jìn)制值進(jìn)行轉(zhuǎn)化之后進(jìn)行進(jìn)一步的判斷。在提取畫(huà)面色相信息時(shí)，將其劃分為六個(gè)區(qū)段，即紅色、黃色、綠色、青色、藍(lán)色、紫色；另外，還根據(jù)藝術(shù)審美標(biāo)準(zhǔn)，定義了黑白灰輔助評(píng)分區(qū)段。并和上面一樣，設(shè)計(jì)比例，得出圖像色相的最終得分。

計(jì)算出畫(huà)面的純度、明度和色相就可以提取出畫(huà)面的色彩特征。

1.2 Java語(yǔ)言和 J2EE

J2EE（Java 2 Platform Enterprise Edition）[4]是一種利用Java 2平臺(tái)來(lái)簡(jiǎn)化諸多與多級(jí)企業(yè)解決方案的開(kāi)發(fā)、部署和管理相關(guān)的復(fù)雜問(wèn)題的體系結(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)就是核心Java平臺(tái)。J2EE不僅鞏固了Java標(biāo)準(zhǔn)版中的許多優(yōu)點(diǎn)，還結(jié)合了Java中Web開(kāi)發(fā)的所有方面，如JSP（Java Server Pages）、Servlet、JDBC（Java Data Base Connectivity）等。

本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)完全基于J2EE進(jìn)行開(kāi)發(fā)，利用其特點(diǎn)完成了網(wǎng)站的異步消息通訊、目錄服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)、Web服務(wù)等功能。J2EE的不同層次給系統(tǒng)提供了所需要的不同的支持，從而大大降低了最終系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)量，并提高了系統(tǒng)的質(zhì)量。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)目標(biāo)

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)希望能夠提供給用戶(hù)一個(gè)簡(jiǎn)便高效的藝術(shù)圖像審美評(píng)價(jià)平臺(tái)，意在使用戶(hù)可以利用計(jì)算機(jī)體驗(yàn)客觀(guān)量化的藝術(shù)圖像審美評(píng)價(jià)。目標(biāo)是完成所有系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并將系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，提供給用戶(hù)使用所有完整的功能。

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，在系統(tǒng)網(wǎng)站建設(shè)中，我們將系統(tǒng)網(wǎng)站結(jié)構(gòu)分為三層。

表現(xiàn)層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)展示和信息的交互，主要是Web Server。Web Server負(fù)責(zé)接收用戶(hù)請(qǐng)求，根據(jù)請(qǐng)求類(lèi)型將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給應(yīng)用服務(wù)器，然后將應(yīng)用服務(wù)器處理的結(jié)果返回給用戶(hù)。其具體包括和用戶(hù)交互的前端頁(yè)面，展現(xiàn)藝術(shù)圖像審美評(píng)分系統(tǒng)的所有功能，提供給用戶(hù)選擇按鈕。同時(shí)也提供數(shù)據(jù)展示，系統(tǒng)地展示算法處理后的評(píng)分結(jié)果。

應(yīng)用層封裝了各應(yīng)用子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯。業(yè)務(wù)層與用戶(hù)交互的功能運(yùn)行在J2EE應(yīng)用服務(wù)器中。業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層之間通過(guò)中間支撐層進(jìn)行交換數(shù)據(jù)。其實(shí)現(xiàn)網(wǎng)站應(yīng)用功能，并提供標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)接口，使得各模塊，各應(yīng)用之間可以相互支持。

數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)站發(fā)布、服務(wù)、認(rèn)證數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)總體功能流程圖如圖2所示，主要包括圖片上傳模塊和藝術(shù)圖像審美評(píng)分模塊。

系統(tǒng)類(lèi)圖如圖3所示，其中Picture類(lèi)負(fù)責(zé)接收上傳的藝術(shù)圖像和圖像名稱(chēng)。ImageEvaluator類(lèi)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)藝術(shù)圖像審美評(píng)分的算法，其中g(shù)etLightness、get?Shades、getPurity方法分別可以獲得明度，色相和純度的評(píng)分，而getTotal方法可以通過(guò)計(jì)算得出各部分總分。AutoScoreServlet類(lèi)主要用于實(shí)現(xiàn)Servlet接口，前端網(wǎng)頁(yè)交互和數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 總體流程圖

圖3 系統(tǒng)類(lèi)圖

3.1 圖片上傳模塊

用戶(hù)點(diǎn)擊頁(yè)面中的選擇按鈕，在計(jì)算機(jī)中選擇需要上傳的圖片，點(diǎn)擊確認(rèn)，系統(tǒng)判斷上傳圖片是否符合規(guī)格，不符合則報(bào)錯(cuò)重新上傳，如果符合，系統(tǒng)將圖片上傳至服務(wù)器，同時(shí)記錄好圖片名稱(chēng)，并跳轉(zhuǎn)到下一界面。

在Servlet 3.0[5]中，文件上傳不需要第三方開(kāi)源組件，Servlet已經(jīng)為其提供了原始支持，我們使用Servlet3.0中的API實(shí)現(xiàn)文件上傳。需要注意的是，編寫(xiě)圖片上傳代碼前，我們需要使用注解@MultipartCon?fig來(lái)將這部分Servlet標(biāo)識(shí)為支持文件上傳。

3.2 藝術(shù)圖像美學(xué)評(píng)分算法模塊

本模塊主要功能是根據(jù)上傳圖片，獲取圖片RGB信息，分別使用明度，純度和色相評(píng)分算法計(jì)算出得分，呈現(xiàn)給用戶(hù)。

其中明度評(píng)分按照色彩心理學(xué)公式得出灰度值，將灰度值調(diào)整為0-10，由灰度值可以對(duì)明度信息進(jìn)行量化。參考色彩學(xué)原理相關(guān)資料，劃分成5個(gè)區(qū)間，10是純白，7-9是高明度，4-6是中等明度，1-3是低明度，最后0是純黑。根據(jù)藝術(shù)圖像審美規(guī)則和群眾調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)最優(yōu)圖像各明度比例應(yīng)該為：低明度所占比例為25%，中等明度所占比例為50%，高明度所占比例為25%，黑白像素點(diǎn)之和所占比例要求為5%以?xún)?nèi)。

而畫(huà)面純度表示的是畫(huà)面色彩的相對(duì)豐富程度。三原色紅黃藍(lán)的純度是最高的。三原色兩兩之間調(diào)和為間色，純度位于其中，三種原色相和的復(fù)色純度最低。調(diào)和的顏色越多，其畫(huà)面的純度就越低，顏色也就更加豐富。通過(guò)對(duì)色彩學(xué)原理的深入學(xué)習(xí)，為了提取畫(huà)面的純度信息，將畫(huà)面的純度劃分成復(fù)色、間色和原色這三個(gè)區(qū)段，同時(shí)確定了一個(gè)純度最佳值標(biāo)準(zhǔn)：在整個(gè)圖像畫(huà)面中，原色占比10%，間色占比40%，復(fù)色占比50%。

最后，色相對(duì)于畫(huà)面色彩來(lái)說(shuō)，其特征是最為重要的。紅色區(qū)段、黃色區(qū)段、綠色區(qū)段、青色區(qū)段、藍(lán)色區(qū)段和紫色區(qū)段這六大評(píng)分區(qū)段加上黑白灰輔助評(píng)分區(qū)段，構(gòu)成了整個(gè)色相評(píng)分得標(biāo)準(zhǔn)。想要得到良好的畫(huà)面色彩效果，我們希望圖像的主題顏色不超過(guò)三種，其余顏色占很少的部分。根據(jù)這種規(guī)律，我們做了一個(gè)主觀(guān)上的限定，規(guī)定畫(huà)面中占比最大的三種顏色為1號(hào)色，2號(hào)色，3號(hào)色，其中1號(hào)色占比50%，2號(hào)色占比25%，3號(hào)色占比25%，其余顏色占比約為10%。

在獲取明度數(shù)據(jù)時(shí)，我們遍歷圖像中所有的像素點(diǎn)，根據(jù)像素點(diǎn)的灰度值進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，就可得出高中低明度和黑白像素的數(shù)量；獲取純度數(shù)據(jù)時(shí)，我們同樣遍歷所有像素點(diǎn)，根據(jù)像素點(diǎn)的RGB值，分析出其屬于原色間色還是復(fù)色；獲取色相數(shù)據(jù)時(shí)，我們將圖中最多的三種顏色提取出來(lái)用于評(píng)分，其他顏色同樣記錄下來(lái)用于展示。分別得到明度、純度、色相的最佳比例后，根據(jù)圖像畫(huà)面信息實(shí)際上所占整體畫(huà)面的比例與最佳值的差異，遵循一定比例值，得到最后的每一項(xiàng)的得分，并得到總體得分的公式：

圖4 模塊類(lèi)圖

該模塊類(lèi)圖如圖4所示，其中CalculateImgShades，CalculateImgPurity，CalculateImgLightness三個(gè)類(lèi)分別代表計(jì)算圖片色相、純度和明度的類(lèi)，計(jì)算出輸入圖片的色相，純度和明度所需信息并求出具體得分，然后，由ImageEvaluator類(lèi)調(diào)用其他三個(gè)類(lèi)，得到最終得分。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于Web的藝術(shù)圖像美學(xué)評(píng)分系統(tǒng)，用戶(hù)可以選擇具有一定藝術(shù)特征和審美價(jià)值的素材，利用系統(tǒng)提供的算法，對(duì)藝術(shù)圖像進(jìn)行量化評(píng)分。使用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行客觀(guān)量化的評(píng)分，是藝術(shù)發(fā)展的必經(jīng)之路。藝術(shù)不僅需要積累和沉淀，也需要利用現(xiàn)代技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改造，這樣才能促進(jìn)藝術(shù)健康發(fā)展。本文實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)只是一個(gè)嘗試和開(kāi)端，我們會(huì)在算法的適用性、評(píng)分的合理性、系統(tǒng)的功能等方面做出更多的改進(jìn)和努力，也希望有越來(lái)越多的研究學(xué)者對(duì)這一方面做進(jìn)一步的研究。