基于模糊聚類的清代云肩色彩特征研究

關(guān) 瑛，王若羽，王秀峰，于瀚超，李 寧

(1.陜西科技大學 設(shè)計與藝術(shù)學院，陜西 西安 710012； 2.陜西科技大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710012)

云肩自隋唐出現(xiàn)，最初為具有保護領(lǐng)口和肩部整潔作用的衣物，較早的圖像資料見于敦煌隋代壁畫中菩薩身著的大方披肩[1]，后來逐步演變?yōu)楣糯韵笳髯陨黼A級地位的重要飾物。發(fā)展至明清時，其形制演變、色彩搭配、圖案和技法工藝都趨于成熟，是兼具藝術(shù)美學性與功能實用性的文化產(chǎn)品。目前針對云肩的研究集中于藝術(shù)內(nèi)涵分析、色彩特征提取，算法對比優(yōu)化等方面。劉水等[2]發(fā)掘云肩形色之意中的藝術(shù)特點，將其運用到現(xiàn)代服裝設(shè)計中。邢樂等[3]在云肩色彩研究中應(yīng)用均值漂移聚類算法高效提取主色特征；陳思燕等[4]對比高斯混合模型和K-means算法的優(yōu)劣，確定了更適合云肩圖像的色彩提取方法。

在色彩研究領(lǐng)域內(nèi)，學者們運用不斷進步的數(shù)字圖像處理技術(shù)來探究圖像色彩分布特征?，F(xiàn)有技術(shù)主要分為硬聚類和軟聚類，常用的K-means算法是硬聚類的典型代表，其分類依據(jù)的是研究主體自身屬性所劃分的客觀界限，具有類別精準、運行快速的優(yōu)點，并在生物色彩分析[5]和城市色彩探索[6]方面進行了有效的實踐。然而許多事物之間沒有明確的界限，例如人們描述色彩調(diào)性、飽和度時多用冷暖、高低等模糊詞匯，可見模糊關(guān)系更符合人的思維模式和評價體系。模糊C均值聚類(FCM)作為軟聚類的代表方法也在彩色圖像分割方向上達到了良好的效果[7]。

云肩色彩豐富有序、主題自然寫實、圖案生動大氣，是中華民族民俗文化的體現(xiàn)。但現(xiàn)有研究仍然缺乏對云肩色彩的針對性分析、云肩色彩與圖案之間關(guān)系的探究以及云肩色彩搭配及現(xiàn)代化應(yīng)用研究?？紤]到圖像本身在成像過程中具有模糊性的特點，結(jié)合人們對于色彩的感性認知，本文以清代云肩為例，運用模糊C均值聚類算法對云肩裝飾色按照圖案類別提取，構(gòu)建色彩網(wǎng)絡(luò)模型進一步提煉色彩特征、探討配色規(guī)律，為打造協(xié)調(diào)有序，符合用戶偏好的現(xiàn)代化設(shè)計提供應(yīng)用依據(jù)。

1 清代云肩色彩提取

云肩的色彩構(gòu)成設(shè)計的主要基調(diào)，形成均衡的視覺美感。基于現(xiàn)有研究[8]，本文將云肩色彩分為主色、輔色及裝飾色3類。主色指云肩面料底色，奠定云肩色彩基調(diào)；輔色指貼邊、鑲邊等顏色，用于調(diào)和云肩色彩搭配；裝飾色指云肩刺繡圖案的色彩，用色鮮亮，豐富云肩色彩層次。云肩上的色彩與其裝飾圖案相輔相成，使云肩具有了美學價值。民族服飾上的圖案元素大多源于自然，其種類繁雜，以花卉蔬果、魚鳥昆蟲、符號圖騰居多[9-10]，每種類別都傳達出古人對婚姻、生活等方面的美好蘊意。本文在色彩提取時既考慮控制圖像本身的干擾因素，又將其放在圖案語義所表達的環(huán)境下進行分析。

1.1 樣本表征解讀

實驗樣本為清代柳葉云肩部分實物，由27個單片組成，由陜西科技大學絲路文化傳承與創(chuàng)新設(shè)計研究中心提供。云肩整體樣本見圖1。

圖1 云肩整體樣本Fig.1 Cloud shoulder overall sample

在光源穩(wěn)定的攝影棚內(nèi),將單片樣本置于白色背景(R值255, G值255, B值255 )下進行拍攝，后期將圖像處理成統(tǒng)一大小并按順序編號為1～27。云肩單片樣本見圖2。

圖2 云肩單片樣本Fig.2 Cloud shoulder single piece sample

觀察27個單片樣本，發(fā)現(xiàn)每個樣本的面料底色和貼邊色均相同，即主輔色一致，裝飾色雖各不相同，但都與其圖案寫實的內(nèi)容相關(guān)。不同類別的圖案元素色彩偏重不同，混類提取會流失色彩的特征性，故按照裝飾圖案內(nèi)容將單片樣本分為花草蔬果類、花草昆蟲類和符號圖騰類，清代云肩樣本分類見圖3。由于符號類樣本量較少不予選取，最終選取花草蔬果和花草昆蟲2大類共25個樣本作為典型樣本。典型樣本中主色和輔色均為統(tǒng)一不變量，色彩分析以變量裝飾色為主體進行開展。

圖3 清代云肩樣本分類Fig.3 Classification of Cloud Shoulder samples in Qing dynasty. (a) Flowers and vegetables; (b) Flowers and insects; (c) Symbol totem class

1.2 清代云肩樣本裝飾色提取

模糊 C 均值聚類(FCM)的原理是利用歐氏距離度量聚類中心和樣本之間的距離，計算得到的距離可以進一步確定每一類的聚類中心和待測樣本隸屬于該類的隸屬度大小，最后通過比較隸屬度大小來確定待測樣本所屬的類別[11]。FCM實質(zhì)是不斷優(yōu)化聚類中心，使其與實際誤差最小。目標函數(shù)Jm(U,V)描述見式(1)：

(1)

式中：N為樣本待聚類像素點總數(shù)；C為設(shè)置的像素的類別數(shù)；Uij表示第i個像素點相對于第j個聚類中心的隸屬度；m為模糊指數(shù)，其一般取值為2；xi-vj為第i個樣本xi與第j類聚類中心vj之間的平方歐氏距離。

假定需要將一個數(shù)據(jù)集R={r1,r2,…,rn} 劃分為C類，當目標函數(shù)收斂至最小值時即完成數(shù)據(jù)集的分類。具體FCM算法流程見圖4。

圖4 FCM算法流程圖Fig.4 FCM algorithm flow chart

因環(huán)境色會對圖像中裝飾色的提取造成數(shù)據(jù)誤差，故將所有樣本圖片進行預(yù)處理，即保留圖案區(qū)域并把背景轉(zhuǎn)換成高對比度的黑色(R值0，G值0，B值0)。在實驗過程中背景色會被單獨歸類，并在實驗最終數(shù)據(jù)結(jié)果中剔除，以確保色彩提取的真實性和完整性。云肩色彩種類豐富多變但現(xiàn)代紡織品的色彩數(shù)量一般小于或等于6，因此樣本初始色彩分類數(shù)設(shè)定為6，初始運算結(jié)果符合收斂條件。

以27號典型樣本為例，色彩聚類提取流程為：對樣本進行背景轉(zhuǎn)換；設(shè)定C值為7進行模糊聚類運算；根據(jù)運算結(jié)果，除去圖片背景色的像素點量，按照占比從大到小的順序計算并繪制聚類后的各裝飾色占比圖。典型樣本色彩聚類流程見圖5。

圖5 典型樣本色彩聚類流程Fig.5 Typical sample color clustering process. (a) Image preprocessing; (b) Color extraction results and proportions

單個典型樣本圖像完成基于FCM聚類技術(shù)的色彩提取流程后，所得結(jié)果合理可用，故將剩余樣本圖像按照該流程批量處理，并按照類別構(gòu)建清代云肩典型樣本色集見圖6。

圖6 清代云肩典型樣本色集Fig.6 Typical sample color set of Cloud Shoulder in Qing dynasty. (a) Flowers and vegetables; (b) Flowers and insects

2 清代云肩色彩分析

色彩網(wǎng)絡(luò)模型常用于系統(tǒng)地反映圖片樣本中各色彩所占比例以及其相互之間的搭配關(guān)系，以輔助設(shè)計師進行客觀的色彩配比。通過建立清代云肩色彩網(wǎng)絡(luò)模型，厘清樣本裝飾色之間的聯(lián)系與區(qū)別。并運用傳統(tǒng)“五行五色”色彩觀解讀古人創(chuàng)作云肩時選色用色的寓意。

2.1 裝飾色網(wǎng)絡(luò)模型建構(gòu)

使用不當和長期放置的原因，使得云肩同一絲線縫制的圖案提取出的顏色不同，裝飾色集中相近色較多，故對圖6建立的2個裝飾色集分別進行二次聚類。二次聚類迭代至收斂時分類數(shù)為8，可最大化保留2個裝飾色集中的特征色，歸類相近色，即此聚類結(jié)果最優(yōu)。所得的16個顏色為典型樣本的標準色，其中花草蔬果類標準色編號為H1-H8，花草昆蟲類標準色編號為K1-K8。

以運算結(jié)果中標準色的占比為依據(jù)繪制色彩網(wǎng)絡(luò)模型中大小不一的色彩節(jié)點，各節(jié)點之間的連線依據(jù)為在同一樣本中產(chǎn)生過搭配關(guān)系，但多次搭配僅出現(xiàn)一條連線。典型樣本的色彩網(wǎng)絡(luò)模型見圖7，標準色值及比例見表1。表1中16個標準色采用HSB色彩空間進行描述，其中H(Hue)代表色相、S(Saturation)代表飽和度、B(Brightness)代表亮度。HSB模型相對于常用的RGB與CMYK模型更加符合人的思考過程和視覺感知。其中高飽和度高明度的色彩多用作主色或點綴色，奠定畫面基調(diào)，低飽和度低明度的色彩多用作輔助色，提升畫面整體豐富度。

圖7 色彩網(wǎng)絡(luò)模型Fig.7 Color network model. (a) Flowers and vegetable samples; (b) Flowers and insects samples

表1 典型樣本標準色值及比例Tab.1 Typical sample standard color value and ratio

2.2 裝飾色網(wǎng)絡(luò)模型解析

清代云肩裝飾色多以“五色”為主，“間色”為輔，“五色”主要以黑、赤、白、青、黃組成，分別象征五行，構(gòu)成“五行五色”之間呼應(yīng)的關(guān)系，其中金對白、木對青、水對黑、火對赤、土對黃?！伴g色”是以“五色”所調(diào)和而成的顏色，用色有張力，突出民族服飾色彩艷麗為美的特征。古人用富有深意的色彩語義抒發(fā)內(nèi)心情感，表達未來愿景[12]。

通過花草蔬果類色彩網(wǎng)絡(luò)模型可以看出占比突出的H1、H2、H3、H5和H8均為綠色系，主要代表樹木花草等植物。色彩整體飽和度處在中等偏低水平，側(cè)重表現(xiàn)植物帶給人柔和高級的感覺，符合五行五色中的“木”和“青”之間的對應(yīng)關(guān)系。而花草昆蟲類色彩網(wǎng)絡(luò)模型中占比突出的K3、K7為黃色系，多描述的是昆蟲。色彩整體飽和度處在中等偏高水平，側(cè)重表現(xiàn)動物帶給人活潑生動的感覺?！秴问洗呵铩?yīng)同》中記載：黃帝之時，天先見大螾大螻。黃帝曰：“土氣勝！”土氣勝，故其色尚黃，其事則土[13]。文中“大螾大螻”指代昆蟲，屬于動物，生長于黃土中，故黃帝見到大螾大螻后會與五行中的土聯(lián)系在一起，而云肩樣本花草昆蟲類提取出的主色多為黃色系顏色也從側(cè)面印證了這一思想。云肩中不同類別的圖案色彩均以自然之色為基礎(chǔ)，代表相生相克的五行，符合古人“五行五色”的認知論，體現(xiàn)古人對自然萬物的理解和美好事物的憧憬。

3 設(shè)計實踐與評價

3.1 圖案重構(gòu)與賦色

基于模糊聚類提取得到的清代云肩標準色和色彩網(wǎng)絡(luò)模型可為現(xiàn)代產(chǎn)品的色彩搭配提供參考。本文首先在云肩樣本2大圖案特征的基礎(chǔ)上進行變形重構(gòu)，設(shè)計出2款四合對角圖案，分別命名為“花開遍野”和“蝶戲窗前”，設(shè)計線稿見圖8。

圖8 設(shè)計線稿Fig.8 Design line draft. (a) Flowers bloom; (b) Butterfly play window

圖案中各元素的填色原則為面積占比對應(yīng)色彩占比進行填色，即面積大的區(qū)域填占比大的色彩。遵循以上原則，將圖案按照元素占比分割為面積不等的6個部分。一方面將2個裝飾色集中的顏色對應(yīng)比例填入圖案中，得到25種配色方案，分別編號為A1-A13和B1-B12；另一方面將裝飾色集轉(zhuǎn)換為標準色的顏色，剔除6色組合中有相同色彩的方案后得到14種配色方案，分別編號為a1-a6和b1-b8。總共輸出配色方案39種，部分方案展示見圖9。

圖9 部分方案展示Fig.9 Part of the program display

3.2 配色量化與評價

由于生理上的感知覺和心理聯(lián)覺，人們會對色彩產(chǎn)生豐富的聯(lián)想，同一產(chǎn)品采用不同配色方案會使用戶產(chǎn)生不同的感知，影響用戶的消費選擇。因此本文采用M-S理論(孟-斯賓瑟色彩調(diào)和原理)，通過對各色彩的色相、飽和度和明度3大屬性進行了可操作化描述，將用戶對色彩模糊的視覺感知轉(zhuǎn)化為理性的量化研究，并依據(jù)伯克霍夫美度評價模型從客觀角度去分析方案的色彩搭配[14-15]。具體見式(2)[16]：

M=O/C

(2)

式中：M為美度，O為秩序因素，C為復(fù)雜因素。

由式(2)可看出美度代表色彩秩序度與復(fù)雜性的統(tǒng)一，符合形式美法則中“美在于多樣性的統(tǒng)一”這一觀點。應(yīng)用色彩調(diào)和理論對現(xiàn)有方案進行篩選，確保配色方案做到既保留云肩上的傳統(tǒng)色彩韻味，又符合設(shè)計美學的目的。

在此模型基礎(chǔ)上，孟-斯賓瑟通過實驗得知秩序因子O在有無彩色組合參與時會得到不同數(shù)值，見式(3)：

(3)

式中：Of代表無色彩組合時的秩序因素，Oh、Os、Ob分別代表由色相差、飽和度差、明度差所得到色彩間隔的秩序因素。

此外復(fù)雜因素C的計算方法見式(4)：

C=Cm+Ch+Cs+Cb

(4)

式中：Cm是色彩組合中總色彩數(shù)，Ch、Cs、Cb則是具有色相差、飽和度差、明度差的色對數(shù)。

在式(2)中，當M>0.5時說明色彩間的關(guān)系是協(xié)調(diào)的，且M值越大說明配色效果美感度越高。

表2 方案評分表Tab.2 Program score sheet

4 結(jié) 論

云肩上的色彩在有序中豐富多彩，一方面展現(xiàn)出古人的審美標準，另一方面對現(xiàn)代設(shè)計中的色彩搭配有較高的參考意義。

本文通過模糊聚類算法對清代云肩樣本上的裝飾色進行分類提取，通過二次聚類進一步歸納出標準色并繪制相應(yīng)的8節(jié)點色彩網(wǎng)絡(luò)模型，對云肩裝飾色的色彩特征以及配色規(guī)律進行研究。設(shè)計案例表明，F(xiàn)CM聚類算法和色彩網(wǎng)絡(luò)模型在多色彩織物的特征色采集方面具有良好的效果，且應(yīng)用方案符合M-S色彩調(diào)和理論，整體美度數(shù)據(jù)理想。由此可見，先運用計算機圖像處理技術(shù)提取色彩，再采用色彩網(wǎng)絡(luò)模型分析色彩，后利用色彩調(diào)和理論評價配色方案的研究流程可為傳統(tǒng)民俗織物色彩的現(xiàn)代化應(yīng)用提供有利的思路和依據(jù)，對實現(xiàn)中國傳統(tǒng)藝術(shù)的繼承和發(fā)展具有重要意義。

由于云肩的形制和內(nèi)容隨社會意識形態(tài)的發(fā)展而變化，每個時期的云肩都會不同，應(yīng)再收集更多的云肩樣本，用以對云肩色彩圖庫的不斷補充。同時也可對其他傳承至今的民俗文化進行類似的探究，為民俗文化的現(xiàn)代化傳承和應(yīng)用提供新路徑。