基于風(fēng)格遷移算法的敦煌裝飾圖案創(chuàng)新設(shè)計研究

孫婧 高海軍/北京服裝學(xué)院美術(shù)學(xué)院

0 緒論

敦煌是古絲綢之路上的“咽喉之地”，而坐落于古絲綢之路西端的莫高窟，是中國古代文明的一個璀璨的藝術(shù)寶庫、是華文明同各種文明長期交流融匯的結(jié)果是人類的無價之寶?莫高窟藝術(shù)是由壁畫、彩塑、洞窟建筑共同組成的一種綜合藝術(shù)，反映了當時文化思想和社會生活，它也見證了中華文化的興衰?研究和弘揚敦煌文化，既要深入挖掘敦煌文化和歷史遺存蘊含的哲學(xué)思想、人文精神、價值理念、道德規(guī)范等，更要揭示蘊含其中的中華民族的文化精神、文化胸懷、不斷堅定文化自信[1]?

隨著人工智能時代的到來，計算機技術(shù)為敦煌文化的傳承創(chuàng)新帶來了一種全新的思維方式?與此同時，敦煌文化的多樣性也為結(jié)合計算機技術(shù)的藝術(shù)設(shè)計提供了更多可能?現(xiàn)階段，將計算機技術(shù)和敦煌文化相結(jié)合的相關(guān)研究目前存在諸多空白?本文以敦煌圖案為切入點，探索如何使用風(fēng)格遷移算法模仿敦煌藝術(shù)風(fēng)格，可以快速創(chuàng)作出含有敦煌藝術(shù)風(fēng)格的作品，做到傳統(tǒng)文化和先進計算機技術(shù)的結(jié)合，達到互相促進、共同進步的目的?利用計算機技術(shù)將敦煌元素同現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計相結(jié)合，能夠緊跟時代的潮流，創(chuàng)新敦煌藝術(shù)的發(fā)展的途徑，促進現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展?

1 敦煌裝飾圖案的文化特征分析

1.1 敦煌裝飾圖案的色彩

敦煌裝飾圖案有著明顯的朝代劃分，最具典型的當屬北朝、隋代、唐代、五代、宋、西夏、元等時期?

北朝時期的敦煌裝飾圖案用到的顏色種類很少，且顏色使用比較簡單，主要以平涂為主，經(jīng)常使用對比色與黑、白、灰等色的進行搭配，多為土紅底色的暖色調(diào)，有質(zhì)樸莊重的特點；隋朝敦煌裝飾圖案相比北朝顏色的使用上更加鮮艷一些，增加了許多新的顏色例如曙紅、灰綠、淺橘黃、橙等，使隋朝的敦煌裝飾圖案在顏色對比上更加和諧?唐朝的敦煌裝飾圖案相比隋朝有了新的發(fā)展，運用了更加豐富的色彩且有強烈的對比，色彩層次清晰，形成了唐代特有的顏色風(fēng)格?用色搭配多為紅與綠、紅與石青、紅與淺青等對比強烈的顏色?五代到宋、西夏、元時期，由于朝代的交替等原因?qū)е逻@一時期的敦煌裝飾圖案的在色彩上較為寡淡清冷，相比以前的唐代絢麗的色彩有很多不同之處，例如在敦煌裝飾圖案中大量使用松石綠色，搭配黑色、土紅、土黃等顏色，也導(dǎo)致畫面出現(xiàn)些許不協(xié)調(diào)的情況，給人以顏色寡淡的感覺[2]?

1.2 敦煌裝飾圖案的元素

敦煌裝飾圖案有十分豐富的紋樣?其紋樣大致可分為花草、禽獸、幾何等幾個種類，每種紋樣都給世人呈現(xiàn)出活靈活現(xiàn)的樣貌?敦煌裝飾圖案的紋樣構(gòu)成形式包括適合紋樣、單獨紋樣、角隅紋樣、邊緣紋樣、連續(xù)紋樣等[3]?

敦煌植物紋樣精美復(fù)雜，也是敦煌裝飾圖案的主要裝飾紋樣之一?在生活中我們經(jīng)?？梢钥吹窖b飾敦煌植物紋樣的建筑及家紡產(chǎn)品，包括忍冬紋、卷草紋、葡萄紋、荷花紋、團花紋和寶相花紋等?

敦煌壁畫中的動物形象種類繁多?例如獅子、鳥、鳳凰、喜鵲、鸚鵡、牛、鹿、駱駝、兔等?每一種形象都有其特定的含義和象征意義，這些形象不僅展示了古代藝術(shù)家的藝術(shù)才華，也反映了他們對佛教信仰的理解和表達?

敦煌裝飾圖案中常見的幾何紋樣包括菱格紋、方格紋、聯(lián)珠紋、回形紋、龜背紋、方璧紋、方勝紋等，這些幾何紋樣被用來裝飾窟壁和藻井，展現(xiàn)出獨特的藝術(shù)效果?隨著時代的更替與發(fā)展，莫高窟裝飾圖案中的幾何紋樣不斷發(fā)展和更新，每個時期有自己獨特的特點[4]?

1.3 敦煌裝飾圖案的文化內(nèi)涵

敦煌文化是一個集合了中國傳統(tǒng)文化、印度文化、波斯和希臘文明的集合體，是中外文化交流的見證?敦煌藝術(shù)經(jīng)歷了不同的時代更迭與世界各國文化相互交融，其美學(xué)觀念、藝術(shù)風(fēng)格和文化價值的當代闡發(fā)與創(chuàng)新便顯得尤為重要且彌足珍貴?千百年來，絲路精神薪火相傳，是不同文明交流互鑒、合作共贏的象征，極具研究價值?

2 敦煌裝飾圖案特征的風(fēng)格遷移研究

2.1 風(fēng)格遷移算法在藝術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用案例

在人工智能技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，將風(fēng)格遷移技術(shù)應(yīng)用在藝術(shù)創(chuàng)作領(lǐng)域，達到藝術(shù)和科技結(jié)合是未來發(fā)展的趨勢之一?

當今在藝術(shù)設(shè)計領(lǐng)域有許多結(jié)合風(fēng)格遷移算法的案例，例如國內(nèi)陳捷通過前期的數(shù)據(jù)采集，利用風(fēng)格遷移算法，實現(xiàn)了風(fēng)格遷移算法與漆藝技法的融合，探索了先進計算機技術(shù)在漆藝文創(chuàng)品開發(fā)中的運用[5]；朱怡潔等人利用風(fēng)格遷移算法模仿了不同木版年畫藝術(shù)畫作的風(fēng)格，進一步實現(xiàn)了任意風(fēng)格年畫作品的自動創(chuàng)作，進而將作品投入到實際的設(shè)計應(yīng)用中，使科技為非遺文化現(xiàn)代化設(shè)計助力[6]；宋彩鳳針對利用風(fēng)格遷移算法生成的中國畫與參考中國畫之間因繪畫技法不同造成的風(fēng)格相似性破壞問題，提出了相適應(yīng)的風(fēng)格遷移算法，使生成的中國畫與參考中國畫之間有著相同的繪畫技法[7]?

通過以上案例可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)格遷移在藝術(shù)創(chuàng)作領(lǐng)域已經(jīng)成為一種新的流行趨勢，但在敦煌藝術(shù)的再創(chuàng)造設(shè)計方面，風(fēng)格遷移技術(shù)還未完全發(fā)揮優(yōu)勢，值得進一步深入探索研究?

2.2 風(fēng)格遷移算法模型選擇與設(shè)計

本文所應(yīng)用的風(fēng)格遷移算法，主要利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型提取特征，通過計算特征圖中Gram矩陣用于提取特征圖像中的顏色、線條等信息[8]?特征提取后，進一步完成特征與內(nèi)容圖的結(jié)合，形成基于原始內(nèi)容又有新增特征的新圖像?用于特征提取的模型的上述工作的重點，因此本節(jié)重點介紹模型的選擇與其損失函數(shù)的定義?

2.2.1 特征提取模型選擇

在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域，能夠應(yīng)用于風(fēng)格遷移算法中特征提取的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有多種，諸如LeNet、AlexNet、VGGNet等[9-11]?卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Networks）是一種類似于人體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多層感知器，常用于計算機視覺技術(shù)領(lǐng)域?其在結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為多層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其主要包括：輸入層（Input layer）、卷積層（CONV layer）、激活函數(shù)層（ReLU layer）、池化層（Pooling layer）和全連接層（FC layer）[12]?

在本文中，選擇預(yù)訓(xùn)練的VGG-19模型作為用于風(fēng)格遷移算法的具體模型?VGG（Visual Geometry Group Network）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型由谷歌公司提出，是現(xiàn)今世界上使用最為廣泛的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一[13]?VGG-19，顧名思義，是包含有19個隱藏層（16個卷積層和3個全連接層）的VGG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型?除此之外，其池化層數(shù)為5，卷積核尺寸為3×3，卷積步長為1（圖1）?同時，VGG-19神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于風(fēng)格遷移工作的流程（圖2）?

圖1 VGG-19 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖

圖2 VGG-19神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行風(fēng)格遷移過程圖示

本文研究選擇預(yù)訓(xùn)練的VGG-19模型的理由為：首先，VGG-19結(jié)構(gòu)簡單，其整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使用著同樣大小的卷積核尺寸與卷積步長，便于使用者對于整個網(wǎng)絡(luò)的搭建?其次，預(yù)訓(xùn)練的VGG-19，可以在一定程度上減少使用者訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時間，降低使用成本，提高研究效率?

2.2.2 損失函數(shù)

風(fēng)格遷移任務(wù)中的關(guān)鍵對象為內(nèi)容圖、特征圖與遷移圖?內(nèi)容圖為整個風(fēng)格遷移工作提供內(nèi)容，而特征圖為前述的內(nèi)容圖提供其關(guān)鍵特征?最終，內(nèi)容圖加特征組成了遷移圖，亦即結(jié)果圖?

上述過程是一個內(nèi)容與特征提取和重組的過程，必然會存在內(nèi)容、特征的損失?由此可以看出，風(fēng)格遷移工作是一個計算內(nèi)容損失與特征損失的過程?因此，內(nèi)容損失函數(shù)計算每個內(nèi)容特征層的內(nèi)容圖像特征與遷移圖像特征之間的均方差，用于評估遷移圖中內(nèi)容損失的程度，進一步使遷移圖的特征與內(nèi)容圖的特征相匹配，以Lcontent表示?

一個圖像的特征可以用Gram矩陣表示?因此，特征損失函數(shù)計算特征圖的Gram函數(shù)矩陣與遷移圖的Gram矩陣之間的方差，使遷移圖的紋理與特征圖的紋理相匹配，以Lstyle表示?

總損失是內(nèi)容損失和樣式損失的加權(quán)組合，因此總損失函數(shù)如式（1）所示?

式中，α和β分別是內(nèi)容損失和特征損失的權(quán)重因子?在后續(xù)的試驗過程中，控制內(nèi)容損失和特征損失的權(quán)重因子比值在10-4至10-3左右?

2.3 敦煌裝飾圖案風(fēng)格遷移算法試驗

在本節(jié)中，重點圍繞敦煌裝圖案的風(fēng)格遷移試驗開展闡述?首先，對試驗所需的數(shù)據(jù)，即內(nèi)容圖、特征圖的采集（圖3）和準備進行描述?其次，對試驗運行所需環(huán)境，包括程序、程序運行設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)細節(jié)等進行詳細闡述?最后，對試驗結(jié)果進行了展示?

圖3 試驗結(jié)果

2.3.1 數(shù)據(jù)采集與準備

在內(nèi)容圖（1）：花影扶疏圖的設(shè)計中，選取了初唐時期敦煌壁畫332窟中的經(jīng)典花卉紋樣和晚唐時期敦煌壁畫56窟中的經(jīng)典花卉紋樣，將之結(jié)合并進行造型和顏色的創(chuàng)新?

本文對花卉紋樣進行造型提取，并通過簡化、變形、結(jié)構(gòu)重組等手法將提取的元素進行重新設(shè)計，顏色上選取當前的時尚流行色例如天藍色、肉色和淡橙色等，在畫面中呈現(xiàn)出姿態(tài)各異且顏色符合當代人審美的花卉裝飾圖案?

在內(nèi)容圖（2）：馥郁花香圖的設(shè)計中，選取了晚唐時期敦煌壁畫56窟中的經(jīng)典寶相花紋樣和初唐時期敦煌壁畫332窟中的經(jīng)典花卉紋樣為輔再次進行造型和顏色的創(chuàng)新?筆者在對寶相花紋樣進行再設(shè)計過程中，對構(gòu)圖飽滿的寶相花解構(gòu)進行了簡化重組，保留其原有的構(gòu)圖形式的前提下，對元素進行整合?在顏色上，選用粉色調(diào)為主，給人干凈、年輕、明快的感覺，做到對傳統(tǒng)的寶相花紋樣的創(chuàng)新提出新思路，滿足當代年輕人的審美觀念?

在內(nèi)容圖（3）：暮染煙嵐圖的設(shè)計中筆者選取了隋代敦煌壁畫56窟中的藻井紋樣邊飾中的小花、連珠紋等圖案再次進行造型和顏色的創(chuàng)新?筆者在對這些邊飾紋樣進行再設(shè)計過程中，在保留其原有的組合形式的前提下，對元素進行整合?在顏色上，以原有圖案的配色為主，提取原有的圖案顏色，在此基礎(chǔ)之上對顏色的明度和純度進行提高，和原有的色彩既形成對比又相互呼應(yīng)，形成穩(wěn)重、素雅、整潔的風(fēng)格?

內(nèi)容圖樣本中除了筆者手繪部分，還選取了來源于文獻[14]的敦煌風(fēng)景圖片，包括敦煌莫高窟[內(nèi)容圖（4）]和鳴沙山月牙泉[內(nèi)容圖（5）]?

特征圖樣本選取了北朝、隋代、唐代、宋代，4個時期的敦煌藻井圖案，包括北朝時期敦煌莫高窟249窟的忍冬蓮花平棋、隋朝時期敦煌莫高窟407窟的三兔蓮花藻井、盛唐時期敦煌莫高窟第79窟的葉形瓣團花紋藻井、北宋時期敦煌莫高窟第13窟二方連續(xù)藻井?

北朝時期敦煌莫高窟第249窟的忍冬蓮花平棋，層次分明，豐富多彩?隋朝時期敦煌莫高窟第407窟的三兔蓮花藻井，簡潔明快，構(gòu)思十分巧妙[15]?盛唐時期敦煌莫高窟第79窟葉形瓣團花紋藻井，用色華麗、繁花似錦，結(jié)構(gòu)繁密?北宋時期敦煌莫高窟第13窟二方連續(xù)藻井圖案，此時紋樣用色多顯寡淡?

2.3.2 試驗環(huán)境搭建

試驗所采用的設(shè)備為個人計算機，處理器為英持爾Core i7-7700HQ @ 2.80GHz四核，8GB內(nèi)存，NVIDIA GeForce GTX 1050Ti 4GB顯卡?

在程序方面，為使VGG-19網(wǎng)絡(luò)適合特征提取，程序中從網(wǎng)絡(luò)中刪除所有全連接層[16]?同時，考慮到VGG-19網(wǎng)絡(luò)的最大池化層會造成衰落效應(yīng)?為了降低衰落效應(yīng)并增加梯度流，將所有最大池化層替換為平均池化層?

試驗程序的運行時間視程序中所設(shè)置的迭代次數(shù)所決定?在本試驗中，程序所設(shè)置的迭代次數(shù)為1000次，運行時間為30分鐘?

2.3.3 試驗結(jié)果

本文的試驗結(jié)果（圖3）?從試驗結(jié)果中可以看到，特征圖與內(nèi)容圖進行了較好的融合?在新的特征作用下，一成不變的內(nèi)容圖可以重新呈現(xiàn)新的風(fēng)格與效果?

3 圖案設(shè)計及應(yīng)用

3.1 設(shè)計方案及過程

近年來，敦煌裝飾圖案在文創(chuàng)產(chǎn)品和旅游產(chǎn)品中被廣泛地應(yīng)用?因此，敦煌圖案的創(chuàng)新設(shè)計需求量日益增多?本文為展示內(nèi)容圖1至內(nèi)容圖5的風(fēng)格遷移作品，選擇遮陽傘和餐具作為創(chuàng)新設(shè)計的載體?這樣的設(shè)計，既滿足人們對于敦煌文創(chuàng)產(chǎn)品和旅游產(chǎn)品的需求，也通過日常用品將敦煌文化融入民眾的生活之中?通過對敦煌裝飾元素的變形、解構(gòu)、重組成圖案，并結(jié)合風(fēng)格遷移算法，實現(xiàn)傳統(tǒng)文化的繼承與創(chuàng)新性改造?

3.2 設(shè)計作品

文創(chuàng)產(chǎn)品的選擇需要符合現(xiàn)代人的日常需求，材質(zhì)的選擇也影響了圖案的應(yīng)用效果?本次選擇了尼龍布和陶瓷兩種材質(zhì)，尼龍布色澤艷麗，有絲綢的質(zhì)感，而陶瓷材質(zhì)鮮亮光滑，印出花紋細膩精致?基于尼龍布材質(zhì)設(shè)計出來一系列遮陽傘（圖4），基于陶瓷材質(zhì)設(shè)計出來一套陶瓷餐具（圖5），效果圖模板選自千圖網(wǎng)?

圖4 作品組圖（1）

圖5 作品組圖（2）

4 結(jié)語

先進計算機視覺技術(shù)的進步為推動傳統(tǒng)文化的創(chuàng)新設(shè)計提供了新的路徑，為設(shè)計師提供了設(shè)計的靈感和更多的便捷性?本文以敦煌裝飾圖案為基礎(chǔ)，利用風(fēng)格遷移算法將敦煌裝飾圖案四個時間段的典型風(fēng)格遷移到重組后的敦煌裝飾圖案和敦煌風(fēng)景中，為敦煌文化的創(chuàng)新設(shè)計提供了更多可能的方案，有效地提高了設(shè)計的效率，使敦煌裝飾圖案滿足民眾的審美和需求，融入民眾的日常生活中?

科技是未來發(fā)展的必然趨勢，在利用科學(xué)技術(shù)輔助設(shè)計的同時，也要了解傳統(tǒng)文化背后的精神內(nèi)涵與文化內(nèi)涵，要讓民眾深深地體會到藝術(shù)和科技的結(jié)合帶給人們的影響，不斷為民眾服務(wù)?做到科學(xué)與藝術(shù)的結(jié)合，更好地傳承中國傳統(tǒng)文化?