基于色彩聚類的皮影服飾紋樣分割

劉靜　莊梅玲　商蕾　張曉楓

摘 要：為實現(xiàn)皮影服飾圖案的自動提取，以唐山皮影頭茬圖像為例，分析了皮影服飾的色彩構(gòu)成及圖案特點，探討了一種基于色彩聚類的皮影圖案識別方法。通過相對總變差模型對皮影圖像進(jìn)行了噪聲平滑處理;將處理后的數(shù)字圖像由RGB顏色空間轉(zhuǎn)換至CIE L*a*b*顏色空間，提取空間中的a、b兩個色彩分量;利用K-means聚類算法對皮影圖像色彩進(jìn)行聚類分析，最終實現(xiàn)皮影色彩紋樣的最佳分割。結(jié)果表明，筆者設(shè)計的算法可有效實現(xiàn)對于皮影這類色相分明、細(xì)節(jié)豐富且主色統(tǒng)一的彩色圖像的分割。

關(guān)鍵詞：皮影;紋樣分割;色彩聚類;圖像平滑;顏色空間

中圖分類號：TS941

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2021）05-0071-07

Pattern Segmentation of Shadow Puppetry Costumes Based on Color Clustering

LIU Jinga， ZHUANG Meilinga， SHANG Leia， ZHANG Xiaofengb

（a.College of Textile & Clothing; b.College of Computer Science & Technology， Qingdao University，Qingdao 266071， China）

Abstract： In order to achieve the automatic extraction of shadow puppetry costume patterns， taking the headdress images of Tangshan shadow puppetry as an example， the color composition and pattern characteristics of shadow puppetry costumes are analyzed， and a shadow puppetry pattern recognition method based on color clustering is discussed. Noise smoothing is performed on the shadow puppetry images through the relative total variation model. The processed digital image is converted from RGB color space to CIE L*a*b* color space. Two color components， a and b， in the space are extracted， the K-means clustering algorithm is adopted to carry out a cluster analysis on the colors of shadow puppetry costumes， and the best segmentation of shadow puppetry color patterns is realized finally. The experimental results show that the algorithm designed in this paper can effectively segment color images， like shadow puppetry color patterns， which have distinct hue， rich details and uniform main color.

Key words： shadow puppetry; pattern segmentation; color clustering; image smoothing; color space

中國傳統(tǒng)圖案藝術(shù)源遠(yuǎn)流長，形式多樣、內(nèi)涵豐富，是中華民族的寶貴財富[1]。皮影是極具地方特色的中華民族傳統(tǒng)文化瑰寶，蘊含著豐富的民俗意識和文化內(nèi)涵。作為一門古老的藝術(shù)，皮影服飾中豐富的圖案具有特殊的審美韻味，是人類藝術(shù)創(chuàng)造的精華[2]。皮影圖案的色彩與五行學(xué)說相對應(yīng)[3]，采用紅、綠、黑、黃、白表現(xiàn)影人所有的色彩，色彩飽和度高，明度大，且刀口通過留白方式進(jìn)行界定，如圖1所示。

長久以來，皮影服飾圖案的提取以人工為主，受主觀因素與環(huán)境因素影響較大。目前，數(shù)字圖像處理技術(shù)的在傳統(tǒng)服飾圖案的自動提取研究中已經(jīng)取得了廣泛應(yīng)用，例如，邢樂等[4]以漢族傳統(tǒng)服飾“云肩”為例，基于均值漂移聚類法提出了一種檢測傳統(tǒng)服飾實物圖像顏色的方法，解決了獲取實物圖像的色彩耗時、缺乏準(zhǔn)確性等問題;王曉予等[5]以明代服飾織物為載體，采用領(lǐng)域平均法對刺繡圖案進(jìn)行濾波處理，平滑掉了不需要的織物紋理結(jié)構(gòu)使得圖案的輪廓變得比較清晰，最后通過圖像聚類分析方法實現(xiàn)了刺繡圖案的自動提取;李俞霏等[6]以明代賜服斗牛袍為研究對象，在對服飾圖案進(jìn)行了濾波降噪處理后，采用K-means聚類算法對服飾色彩進(jìn)行聚類，實現(xiàn)了不同色彩紋樣的分割;徐平華等[7]采用圖像分析技術(shù)，有效提取了藏族、朝鮮族及哈薩克族等多個民族服飾主色并進(jìn)行了示范性度量和可視化表達(dá)。皮影人物服飾與民族傳統(tǒng)服飾一脈相承，并且更加接近于中國傳統(tǒng)的戲曲服飾。與服飾圖案的提取相比，皮影為二維平面的物體，其圖像跟物體本身更為接近，且皮影服飾色彩以雕刻刀口界定，完整清晰，更加適用于基于圖像處理技術(shù)的圖案提取。但由于皮影頭茬相較于服飾圖案尺寸小，并且雕鏤精細(xì)，目標(biāo)圖案與背景需要更加精確地進(jìn)行分離。而傳統(tǒng)的圖像平滑算法無法有效的去除圖像中的噪聲信息，造成圖案邊緣模糊。相對總變差模型（Relative total variation，RTV）[8]利用紋理（噪聲）部分的相對總變差與圖像主結(jié)構(gòu)的相對總變差之間的差異[9]，能夠?qū)崿F(xiàn)對圖像中噪聲的去除。該算法在有效平滑噪聲的同時能夠清晰地保留圖案的邊緣，更加有利于后續(xù)基于圖像色彩進(jìn)行的聚類處理。

本文結(jié)合皮影圖案細(xì)節(jié)豐富、色彩純度高的特點，采用RTV算法對皮影頭茬圖案圖像進(jìn)行平滑處理。將平滑后的色彩圖像轉(zhuǎn)換至CIE L*a*b*色彩空間，然后采用K-means聚類分析算法基于顏色特征對皮影圖案紋樣進(jìn)行分割提取，經(jīng)實驗分析，文中設(shè)計的實驗方案可以有效提取皮影的服飾紋樣。利用現(xiàn)代信息技術(shù)提取皮影中別具特色的藝術(shù)元素，不僅能夠克服人眼識別受環(huán)境、心理、生理等因素影響，而且有助于創(chuàng)新吸收皮影元素應(yīng)用在其他相關(guān)領(lǐng)域[10-12]，使之為現(xiàn)代生活所吸收，實現(xiàn)皮影深層的民俗觀念、地區(qū)意識等特定文化形式的留存[13]。

1 皮影圖像預(yù)處理

1.1 噪聲平滑

皮影圖案在制作時因人工上色不勻產(chǎn)生的色彩污點以及后期進(jìn)行圖像采集、傳輸時產(chǎn)生的噪聲信號給色彩聚類帶來了不便，本文采用相對總變差模型對皮影圖案進(jìn)行預(yù)處理。RTV模型是Xu等[8]提出的一種保留主結(jié)構(gòu)的圖像平滑方法，適用于非統(tǒng)一或各向異性的紋理（噪聲）的濾除[14]，能夠?qū)崿F(xiàn)皮影圖像中無規(guī)則的噪聲信息與圖案的主結(jié)構(gòu)輪廓的有效分離。其模型表示為：

arg min（Sp-Ip）2+λ·Dx（p）Lx（p）+ε+Dy（p）Ly（p）+ε（1）

式中：S為輸出圖像;I為輸入圖像;p為像素點索引;第一項為保真項，避免輸入與輸出圖像差距較大;第2項為相對總變差，λ為調(diào)整參數(shù)，控制保真項與相對總變差的比例，其中λ值越大平滑效果越顯著，但過大會造成圖像模糊，在文中皮影圖像的平滑處理中，取λ值為0.005～0.01;D為總變差;L為固有變差;（為很小的一個正數(shù)，防止分母出現(xiàn)0的情況。在以像素點p為中心的正方形鄰域R（p）內(nèi)，x、y方向上的窗口總變差Dx（p）、Dy（p）與窗口固有變差Lx（p）、Ly（p）為：

Dx（p）=q∈R（p）gp，q（xS）q（2）

Dy（p）=q∈R（p）gp，q（yS）q（3）

Lx（p）=q∈R（p）gp，q（xS）q（4）

Ly（p）=q∈R（p）gp，q（yS）q（5）

式中：q為R（p）領(lǐng)域內(nèi)所有像素點的索引，x，y為像素點q在x和y兩個方向上的偏微分，gp，q為根據(jù)空間關(guān)系定義的權(quán)重函數(shù)

gp，q∝exp（xp-xq）2+（yp-yq）22σ2（6）

式中：σ為控制窗口尺寸的參數(shù)，對圖像的平滑程度起著重要作用。σ值越大圖像的平滑程度越顯著，但取值過大容易平滑掉圖案的細(xì)節(jié)部分。根據(jù)所處理的皮影圖像紋理的大小，取σ為1～2。

該算法使用Image Processing Toolbox 10.2版，運行環(huán)境統(tǒng)一為Microsoft Windows 10的Matlab 9.4版軟件平臺，該算法對皮影圖像的平滑效果如圖2所示，不難看出，圖像中的噪聲信號及色彩污點被平滑掉，且圖像的邊緣輪廓被完整保留。

1.2 顏色空間轉(zhuǎn)換

實驗對象（皮影圖像）的顏色空間為RGB。RGB顏色空間是設(shè)備依賴顏色空間的一種，是目前應(yīng)用最廣泛的色彩空間。但由于在RGB圖像中所顯示的顏色是均由R（紅色）、G（綠色）和B（藍(lán)色）3種顏色混合而成，各通道的相關(guān)度較高，無法清晰地感知及度量色彩之間的差異。因此需要將圖像從RGB顏色空間變換到色彩感知均勻且容易度量的顏色空間中。

CIE L*a*b*（簡稱CIE Lab）顏色空間是設(shè)備無關(guān)的顏色空間，由一個亮度分量（L）和兩個色彩分量（a、b）組成。該顏色空間在感知層面具有均勻性，人們在視覺上覺得接近的兩種顏色，對應(yīng)在CIE Lab顏色空間中的位置也是相臨近的[15]，且空間中的顏色差異可以用三維坐標(biāo)系中這兩種顏色的空間點之間的歐氏距離表示，更加有助于根據(jù)色彩差異進(jìn)行聚類分析。RGB空間轉(zhuǎn)換為CIE Lab空間時需借助CIE 1931 XYZ顏色空間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將色度和亮度分開。顏色空間轉(zhuǎn)換算法步驟如下：

a）提取RGB彩色空間中皮影圖像的R、G、B3個分量，組成矩陣A=[r，g，b]T;

b）由式（7）將A進(jìn)行線性變換轉(zhuǎn)換至XYZ空間，組成矩陣B=[X，Y，Z]T，

B=0.4124530.3575800.1804230.2126710.7151600.0721690.0193340.1191930.950227·A（7）

c）然后將矩陣B中的X、Y、Z3個分量由式（8）、式（9）經(jīng)非線性變換計算出CIE Lab空間的a、b分量。

L=116×FYYn-16

a=500×FXXn-FYYn

b=200×FYYn-FZZn（8）

F（t）=t13，若t>0.008856

7.787t+0.137931，其他（9）

式中：Xn、Yn、Zn為默認(rèn)值95.047、100.0、108.883。

2 色彩聚類分割

采用K-means聚類算法對皮影圖像中的顏色進(jìn)行搜索及聚類。該算法是由MacQueen提出的一種簡潔、快速的無監(jiān)督學(xué)習(xí)算法[16]，通過最小化n個樣本{x1，x2，…xn}和K個聚類中心{C1，C2，…，CK}之間的距離之和，來實現(xiàn)n個樣本劃分到K個簇中的目的。其中每個樣本xi為提取的該像素的a，b通道值。該算法對于皮影圖像這種大數(shù)據(jù)集的聚類處理具有較高的效率。對轉(zhuǎn)至CIE Lab空間中的皮影圖像進(jìn)行K-means聚類處理，算法步驟設(shè)計如下：

a）設(shè)定聚類數(shù)K=4;

b）隨機(jī)選取K個點作為初始聚類中心{C1，C2，…，CK};

c）計算每個點到聚類中心的距離D（xi，{C1，C2，…，CK}），根據(jù)到每個聚類中心的歐氏距離的大小來分配到具體的某一類K，并標(biāo)記{1，2，…，K}，其中歐氏距離計算為：

D（x，C）=∑ni=1（xi-C）2

d）計算分配好的每一類數(shù)據(jù)集的均值，將其作為新的聚類中心;

e）重復(fù)c）、d）步驟，直到圖像的聚類中心不發(fā)生變化。

實驗所得結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，最終得到的皮影紋樣提取結(jié)果輪廓完整且邊緣結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確。對于色彩顏色飽和度高的紅、黃、綠三色區(qū)域圖案分割清晰，所含噪聲少，取得了滿意的分割效果。

3 結(jié)果對比與分析

3.1 不同圖像平滑算法比較

為選擇合適的平滑濾波方法，對比了中值濾波、均值濾波、高斯濾波以及相對總變差模型4種算法對同一皮影圖像的處理結(jié)果，如圖4所示。

由實驗結(jié)果可以看出，均值濾波處理后的圖像（圖4（c））邊緣模糊嚴(yán)重，無法清楚保留圖像的邊緣銳度，因此對于凸顯圖像邊緣輪廓的皮影對象是不宜采用的。相比較而言，中值濾波可以較好的平滑圖像中的噪聲，并且不會模糊圖像的邊緣，但由于制作皮影時的刻工精細(xì)，皮影圖像的細(xì)節(jié)部分的尺寸較小，低于中值濾波模板的鄰域?qū)挾鹊囊话?，因此某些特征值被中值濾波處理后的中值所取代，造成了圖像細(xì)節(jié)的丟失（圖4（e））。高斯濾波處理后的皮影圖像（圖4（d））雖然細(xì)節(jié)部分沒有出現(xiàn)缺失，但仍存在一些邊緣模糊的情況，無法清晰保留皮影的特征。相比于其他3種圖像濾波算法，相對總變差模型可在濾除噪聲的同時有效保留皮影圖案的邊緣及清晰度。相對總變差模型的平滑效果如圖4（b）所示。由圖4（b）可看到，皮影圖像中許多噪聲信號及色彩污點都被分離出來，且圖案清晰，因此，選擇相對總變差模型來平滑皮影圖案效果最好。

3.2 圖像分割結(jié)果分析

為了驗證文中算法的有效性，實驗先比較了平滑去噪對色彩聚類效果的影響，圖5（a）為未經(jīng)過平滑去噪預(yù)處理的傳統(tǒng)K-means算法對皮影圖案進(jìn)行色彩聚類的分割結(jié)果，由于沒有進(jìn)行圖像的平滑預(yù)處理，使得分割后的圖像含有許多噪聲信號，影響了分類結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時對比了模糊C均值（Fuzzy C-means，F(xiàn)CM）聚類算法對皮影圖案的分割效果，實驗結(jié)果在圖5（b）中示出，可以看到，在以綠色為主進(jìn)行聚類的圖像中存在許多黃色部分，這是由于模糊C均值聚類算法對數(shù)據(jù)沒有硬性劃分，導(dǎo)致綠色與其顏色相近的黃色劃分不明顯。為定量分析聚類結(jié)果，將手工分割的圖像作為參照對象，采用常見的圖像分割性能檢測指標(biāo)平均準(zhǔn)確率[17]（Mean accuracy， MA）對實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行評價。MA是對圖像中所有類別的分割正確的像素數(shù)和所預(yù)測的總像素數(shù)的比值取平均，如式（10）。

MA=1K∑Ni=1niiti（10）

式中：K表示類別數(shù);nii表示實際類別為i，預(yù)測類別為i的像素數(shù)量;ti表示類別i中包含的像素總數(shù)。

表1中示出了本研究方法及其他兩種分割算法所得分割結(jié)果的平均準(zhǔn)確率及運行時間。由表1中的平均準(zhǔn)確率MA值可見，本研究方法的分割準(zhǔn)確率最高，表明其分割結(jié)果更加接近于正確的圖案分割結(jié)果，同時，從分割算法的運行時間來看，本研究方法的收斂速度快于FCM聚類算法，但是，其時間分割代價則高于未經(jīng)平滑處理的傳統(tǒng)K-means算法，原因在于本研究方法在使用相對總變差模型進(jìn)行圖像平滑處理時，所采用的平滑算法相對較為耗時，因此整體算法分割速度低于傳統(tǒng)的K-means算法，但從所得分割結(jié)果上來看，本研究方法的分割性能優(yōu)于傳統(tǒng)的K-means算法和FCM算法。

為了進(jìn)一步驗證本研究所提出的圖案分割方法的有效性，對其他皮影圖像進(jìn)行色彩聚類分割實驗。圖6示出了其他4幅圖片的分割結(jié)果。實驗結(jié)果表明了該方法的有效性，能夠較準(zhǔn)確地實現(xiàn)皮影服飾圖案的快速提取。

4 結(jié) 論

為客觀提取皮影服飾圖案紋樣，基于皮影圖案色彩分明、互補性強(qiáng)的特點，設(shè)計了一種基于色彩聚類的圖案提取方法。該方法通過相對總變差模型分離皮影圖案中的噪聲及主結(jié)構(gòu)，對所得圖像利用K-means算法對皮影圖案進(jìn)行色彩聚類分割，最終提取出清晰完整的皮影圖案。結(jié)果表明，該方法在皮影圖案的分割及提取中具有較好的效果及應(yīng)用前景，與傳統(tǒng)的K-means及FCM兩類聚類算法相比提高了圖案提取的準(zhǔn)確度。筆者提出方法適用于圖像色彩豐富、色塊分明的皮影圖案提取，但是對于分割結(jié)果的魯棒性有待進(jìn)一步提高，后續(xù)工作將針對這一問題進(jìn)行算法改進(jìn)，并將提取出的皮影圖案元素加以應(yīng)用，實現(xiàn)新時代下皮影藝術(shù)的傳承。

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收稿日期：2020-07-23 網(wǎng)絡(luò)出版日期：2021-04-16

基金項目：青島大學(xué)研究基金項目（JXGG2019080）

作者簡介：劉靜（1995-），女，山東棗莊人，碩士研究生，主要從事服裝與服飾數(shù)字化方面的研究。

通信作者：莊梅玲，E-mail：zmlqdu@126.com