王偉祎，呂 健，潘偉杰，趙慧亮，田巧萍

面向工藝品個性化定制的圖案構(gòu)型提取與重用

王偉祎1，呂 健1，潘偉杰1，趙慧亮2，田巧萍1

(1. 貴州大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點實驗室，貴州 貴陽 550025；2. 貴州民族大學(xué)美術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

針對工藝品個性化定制過程中知識重用性較低的問題，提出一種圖案構(gòu)型提取與重用的方法，并以蠟染圖案創(chuàng)新設(shè)計為例開展研究。首先，將蠟染知識按照工藝品個性化定制的應(yīng)用需求進(jìn)行分類整理，建立蠟染知識庫和案例庫，并構(gòu)建兩者之間的語義關(guān)系，通過本體語義檢索，推薦出符合用戶需求的蠟染案例。采用形狀上下文法對蠟染圖案的紋樣進(jìn)行提取，結(jié)合拓?fù)鋵W(xué)方法建立圖案的構(gòu)型規(guī)則。在構(gòu)型重用過程中提出基于字符編碼的改進(jìn)形狀文法，用于表述紋樣填充過程中形狀的變換，從而完成了面向工藝品個性化定制的蠟染圖案重用。開發(fā)蠟染工藝品個性化定制系統(tǒng)，通過實例驗證了該方法的可行性。

蠟染知識；語義檢索；構(gòu)型規(guī)則；個性化定制

在工藝品個性化定制中，圖案設(shè)計是一件耗時費力的工作，圖案的繪制和構(gòu)型設(shè)計仍需設(shè)計師手工完成。為了提高個性化定制效率建立圖案案例庫，但由于原始案例數(shù)量眾多，用戶如何從眾多的原始案例中快速提取符合需求的案例進(jìn)行重用，是個性化定制的關(guān)鍵。在現(xiàn)有的研究中，缺少針對圖案紋樣和構(gòu)型快速提取和重用的方法，難以滿足工藝品個性化定制需求。

面向工藝品個性化定制產(chǎn)業(yè)的需求，缺乏知識內(nèi)涵挖掘和整體知識的集成與管理，在快速提取符合用戶需求的案例方面存在不足。借鑒現(xiàn)有文物知識管理方面的研究，通過對文物知識集成與管理[1-2]，建立文物數(shù)據(jù)庫[3]、文化遺產(chǎn)本體模型[4]、文物資源數(shù)據(jù)模型[5]、網(wǎng)絡(luò)文化遺產(chǎn)資源管理系統(tǒng)[6]等，定義文物知識的語義信息，在信息檢索中用于描述知識系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[7]，滿足從文物知識到思想指導(dǎo)設(shè)計的過程[8]。其研究重點在于文物知識的表述語言，需要進(jìn)一步探討產(chǎn)品個性化定制設(shè)計中文物知識內(nèi)部的挖掘和推理。針對圖案紋樣和構(gòu)型提取的研究中，形狀文法為常用方法，主要表述圖形形狀的變換，變換規(guī)則繁復(fù)，重用性低。現(xiàn)有的研究中，通過改進(jìn)形狀文法，提出基于仿自然語言的改進(jìn)形狀文法[9]、分層形狀文法[10]、參數(shù)化的形狀文法設(shè)計[11]和建立本體模型與形狀文法之間的關(guān)系[12]等方法，面向工藝品的圖案設(shè)計，形狀文法圖案構(gòu)型的描述難以滿足工藝品個性化定制中圖案構(gòu)型提取和重用的需求。

本文從工藝品設(shè)計出發(fā)，以貴州省蠟染為例，提出面向工藝品個性化定制的蠟染圖案構(gòu)型提取與重用方法。首先，分析蠟染知識在工藝品個性化定制中的應(yīng)用情況，對蠟染知識進(jìn)行分類與表達(dá)，建立基于蠟染知識的本體全信息詞典，用于工藝品個性化定制系統(tǒng)的語義檢索；將形狀上下文法和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于圖案紋樣和構(gòu)型的提取，針對圖案填充過程中形狀的變換，提出基于字符編碼的改進(jìn)形狀文法；最后，開發(fā)了面向蠟染工藝品個性化定制系統(tǒng)，驗證了該方法有助于提高蠟染工藝品個性化定制效率。

1 面向工藝品個性化定制的蠟染知識分類

1.1 面向工藝品個性化定制的蠟染知識來源和分類

面向工藝品個性化定制的蠟染知識來源于多個方面，其主要來自于貴州省蠟染制作者、蠟染研究者、工藝品設(shè)計師等多方面的專家提供的蠟染知識和技術(shù)知識等，為工藝品個性化定制提供了豐富的文化、經(jīng)驗和技術(shù)的支持。通過貴州省蠟染原產(chǎn)地的考察訪問，當(dāng)?shù)叵炄局谱髡咛峁┝嘶局R和技術(shù)知識，蠟染研究者提供了功能知識和文化知識，通過收集、閱覽蠟染書籍得到造型知識?；诠に嚻穫€性化定制過程中對蠟染知識的需求分析，面向工藝品個性化定制的蠟染知識分為5類，即基本知識、造型知識、功能知識、技術(shù)知識、文化知識，其分類框架如圖1所示。

圖1 面向工藝品個性化定制的蠟染知識分類框架

1.2 蠟染知識概念詞匯獲取

蠟染類別眾多，圖案豐富，在蠟染案例的選取中，根據(jù)已有的蠟染知識，將蠟染選定在以下幾類：月亮山型、飛云山型、烏蒙山型、扁擔(dān)山型及其他。從實地調(diào)研和正規(guī)出版蠟染精品圖錄中確定選取6 065件蠟染案例，構(gòu)建蠟染案例庫。根據(jù)面向工藝品個性化定制的蠟染知識分類框架對蠟染案例進(jìn)行分析，構(gòu)建蠟染知識庫。根據(jù)蠟染的屬性、內(nèi)涵提取概念詞匯，面向工藝品個性化定制的蠟染知識概念見表1。

表1 面向工藝品個性化定制的蠟染知識概念表

1.3 面向工藝品個性化定制的蠟染知識組織與表達(dá)

1.3.1 面向工藝品個性化定制的蠟染知識本體建模

通過以上對蠟染知識進(jìn)行整理、歸納和對概念詞匯的提取，通過語法分析、語義分析和語用分析，對蠟染知識進(jìn)行自然語言處理，確定每個蠟染案例的自然語言序列的定義。語言序列是表示語句集合的特征向量，語句包括主謂賓及各種修飾成分，通過這些成分之間的關(guān)系獲得特征向量，將每個語句對應(yīng)的向量集合起來，便能提取出蠟染案例的語法信息。然后，通過對語句成分和各成分之間相互關(guān)系的意義、用途分析提取出蠟染案例的語義信息和語用信息。根據(jù)上述規(guī)則，例如：通過蠟染案例A01B02C002D01E01F000000001的本體信息獲取其語法信息={長方形，藍(lán)底白花，棉麻材質(zhì)，蝙蝠紋}，語用信息={床上用品，舒適保暖}，語義信息={多子多福}，并將其語法、語義和語用信息作為一個基本屬性項存儲到蠟染全信息詞典[13]。以此類推，建立每個蠟染案例的本體模型。將基本信息項作為輸入，利用FP-growth進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘，并將其進(jìn)行整理建立約束規(guī)則。利用Jena中的規(guī)則表示格式，由規(guī)則名、規(guī)則條件和規(guī)則結(jié)論組成。例如，關(guān)于語法信息和語義信息的一條規(guī)則：若一件蠟染案例中圖案包含“蝙蝠”紋樣，則表示具有“多子多?！盵14]的意義，表示格式如下：

[rule-name：

(？x rdf：type qiwu：蠟染)

(？x qiwu：圖案是qiwu：蝙蝠)

→

(？x qiwu：紋樣是qiwu：“多子多?！?]

1.3.2 構(gòu)建面向工藝品個性化定制的蠟染案例庫

構(gòu)建蠟染案例庫，將蠟染案例與蠟染知識緊密結(jié)合在一起，實現(xiàn)蠟染知識與實例之間的語義關(guān)聯(lián)，為語義檢索奠定基礎(chǔ)。面向工藝品個性化定制的蠟染案例庫包含原始圖案庫、紋樣庫、構(gòu)型規(guī)則庫等3個數(shù)據(jù)庫，為工藝品個性化定制奠定基礎(chǔ)。

1.3.3 基于蠟染知識本體的語義檢索

基于蠟染知識本體的語義檢索流程如下：①輸入用戶需求，利用ICTCLAS分詞系統(tǒng)對用戶輸入的單詞或語句進(jìn)行分詞處理和停用詞處理，將同義詞映射為蠟染全信息詞典中的詞語，形成關(guān)鍵詞字符串；②通過蠟染知識庫對關(guān)鍵詞進(jìn)行語義分析，將關(guān)鍵詞與蠟染知識中的概念和蠟染案例庫中的實例進(jìn)行映射，然后，利用語義相似性計算，在蠟染知識庫中檢索出與關(guān)鍵詞有最高相似度的概念詞匯序列，最終，將用戶需求轉(zhuǎn)化為蠟染概念詞匯序列，幫助計算機識別用戶需求，推薦出一批最為符合用戶需求的蠟染案例?；谙炄局R本體的語義檢索流程如圖2所示。

圖2 基于蠟染知識本體的語義檢索

2 蠟染圖案構(gòu)型規(guī)則提取

2.1 蠟染圖案紋樣分類

蠟染圖案的紋樣主要分為抽象的幾何紋樣和動植物等具象紋樣，對蠟染案例庫中的圖案進(jìn)行分析，按照圖案中紋樣的位置分布將其分為主體紋樣和邊框紋樣，主體紋樣包括鳥紋、魚紋、花紋、銅鼓紋等，貴州蠟染圖案如圖3所示。

2.2 紋樣的本體模型

建立面向構(gòu)型規(guī)則的紋樣本體模型，如圖4所示。

(a) 蠟染圖案(b) 主體紋樣(c) 邊框紋樣

圖4 面向構(gòu)型規(guī)則的紋樣本體模型

2.3 圖案構(gòu)型規(guī)則提取

2.3.1 紋樣輪廓匹配

由于蠟染紋樣具有不規(guī)則性，將每個蠟染紋樣的外形看作單獨的封閉性輪廓，不考慮紋樣內(nèi)部紋路。在少數(shù)情況下圖案中的紋樣存在重復(fù)分布時，為了提取出紋樣的層次關(guān)系，本文采用形狀上下文法[15]對紋樣形狀進(jìn)行描述和匹配，分離紋樣，并完成自動提取，建立紋樣庫。形狀上下文具有平移、尺度和旋轉(zhuǎn)不變性等特征，能夠有效地進(jìn)行形狀的匹配。首先利用直方圖描述在數(shù)極坐標(biāo)下形狀輪廓上的點分布情況，然后使用Canny算子獲取紋樣的形狀輪廓，通過采樣獲得一組輪廓采樣點。

設(shè)圖案中的任意一個紋樣形狀為，目標(biāo)紋樣輪廓上的任意一點p(x,y)為參考坐標(biāo)原點，建立對數(shù)極坐標(biāo)系，分別將縱坐標(biāo)log和橫坐標(biāo)角度進(jìn)行等分和等分，整個空間區(qū)域劃分為×。記錄點p到其他各點的向量相對位置的點分布數(shù)，其統(tǒng)計分布直方圖h()被稱為點p的形狀上下文，算法如下

設(shè)待匹配紋樣形狀輪廓上的任意一點為q，計算點p與點q分布的直方圖之間的匹配代價C，即

其中，hi(k)和hj(k)分別為目標(biāo)紋樣輪廓上的點pi和待匹配紋樣輪廓上的點qj的形狀直方圖中第K個bin中的值，Cij越小說明2個點匹配代價越小，其相似性越大。紋樣輪廓匹配如圖5所示。

2.3.2 構(gòu)型規(guī)則提取

根據(jù)形狀上下文匹配方法提取出蠟染圖案中與目標(biāo)紋樣最為相似的紋樣，然后，采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)則[16]對蠟染圖案的構(gòu)型進(jìn)行提取，以蠟染圖案的中心坐標(biāo)為原點，確定每個紋樣在圖案中的中心坐標(biāo)。將圖案中的每個紋樣的中心坐標(biāo)抽象成點，將每個點之間的路徑抽象成線，將這些點和線構(gòu)成的拓?fù)浞Q為圖案的構(gòu)型規(guī)則。按照圖案構(gòu)型提取規(guī)則，提取案例庫中每個圖案的構(gòu)型規(guī)則，建立構(gòu)型規(guī)則庫。

蠟染紋樣={1,2,···,}，為一副蠟染圖案中不同紋樣的總個數(shù)；蠟染圖案中的某個紋樣={1,2,···,}，為某個紋樣在一幅蠟染圖案中出現(xiàn)的次數(shù)。根據(jù)上述提取的構(gòu)型規(guī)則按照每個紋樣在圖案中出現(xiàn)的次數(shù)從左至右依次標(biāo)注紋樣的位置。圖案構(gòu)型規(guī)則提取流程如圖6所示。

圖6 圖案構(gòu)型規(guī)則提取流程

3 構(gòu)型規(guī)則重用

3.1 基于字符編碼改進(jìn)形狀文法

根據(jù)已提取的構(gòu)型規(guī)則填充新的紋樣，在自動填充時只能以紋樣的初始狀態(tài)填入構(gòu)型規(guī)則的相應(yīng)位置，不能自行變換樣式。形狀文法主要是用具體形狀的變換表示圖形的演化，變換規(guī)則復(fù)雜，為了便于表述紋樣填充過程中形狀的變換，提出基于字符編碼的改進(jìn)形狀文法，用字符編碼的形式描述紋樣構(gòu)型的變換。

構(gòu)型規(guī)則編碼主要包括屬性、類型、樣式、狀態(tài)、其他等5項內(nèi)容，①屬性，表示在編碼過程中出現(xiàn)的關(guān)鍵字、符號，及其含義、參數(shù)和解釋；②類型，表示紋樣的名稱和中心坐標(biāo)(,)；③樣式，表示紋樣的變換狀態(tài)、變換參數(shù)和具體過程；④狀態(tài)，用符號“{”和“}”分別表示紋樣開始變換和變換結(jié)束的兩種狀態(tài)；⑤其他，表示紋樣構(gòu)型描述過程中的注釋和間隔。構(gòu)型規(guī)則編碼見表2。

3.2 構(gòu)型規(guī)則重用

在紋樣填入已提取的構(gòu)型規(guī)則后，按照原圖案構(gòu)型規(guī)則對紋樣進(jìn)行構(gòu)型變換，為了避免紋樣重疊，對紋樣進(jìn)行縮放，用最小包圍矩形表示紋樣大小，原紋樣的最小包圍矩形的寬度為、長度為，填充紋樣的最小包圍矩形寬度為、長度為，和方向縮放比例計算式為

填入紋樣不需要消除重疊過程如圖7所示。

重用2.3.2節(jié)已提取的圖案構(gòu)型規(guī)則，用戶選取系統(tǒng)推薦的相似紋樣進(jìn)行填充，選取邊框紋樣1，主體紋樣2，3，4，5，根據(jù)構(gòu)型規(guī)則中的相應(yīng)位置填入紋樣，對填入的紋樣進(jìn)行縮放和旋轉(zhuǎn)等操作，使變換后的紋樣與原圖案的基本信息相同，紋樣填充過程如圖8所示。利用構(gòu)型規(guī)則編碼對紋樣的變換進(jìn)行表述，根據(jù)圖7的紋樣填充過程構(gòu)造規(guī)則編碼過程如圖9所示。

表2 構(gòu)型規(guī)則編碼表

圖7 不需要消除重疊的填充過程

4 蠟染工藝品個性化定制系統(tǒng)

根據(jù)面向工藝品個性化定制的蠟染知識，開發(fā)蠟染工藝品個性化定制系統(tǒng)，實現(xiàn)對蠟染知識有效管理和重新利用，該系統(tǒng)為工藝品設(shè)計師、用戶提供了知識集成服務(wù)和個性化定制服務(wù)。本文的研究內(nèi)容已經(jīng)錄入“非遺貴州”的系統(tǒng)網(wǎng)站。該系統(tǒng)包括貴州省非遺(非物質(zhì)文化遺產(chǎn))數(shù)據(jù)庫、矢量數(shù)據(jù)庫、民間工藝、民族音樂、節(jié)慶習(xí)俗展示和工藝品個性化定制系統(tǒng)等。本文主要針對基于蠟染知識的工藝品個性化定制系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

4.1 面向工藝品個性化定制的蠟染知識管理平臺

系統(tǒng)管理員登錄系統(tǒng)后臺進(jìn)入知識管理界面，如圖10所示。界面左邊是系統(tǒng)功能導(dǎo)航欄，包含作品信息管理圖10(a)、作品信息導(dǎo)入圖10(b)等，右邊是系統(tǒng)操作界面，實現(xiàn)對蠟染知識的檢索、修改、查看等操作。系統(tǒng)管理員將蠟染知識的概念、屬性、規(guī)則和案例等信息提交到服務(wù)器上，經(jīng)過計算機邏輯處理保存到數(shù)據(jù)庫，用戶可通過瀏覽器查看蠟染知識信息。

4.2 面向蠟染工藝品個性化定制平臺

用戶登錄“非遺貴州”系統(tǒng)，系統(tǒng)首頁的主要功能包括項目分類、關(guān)鍵詞檢索、案例展示等。用戶可根據(jù)蠟染知識分類，篩選自己所需要的的蠟染案例，如月亮山型等屬性。根據(jù)前期建立蠟染知識全信息詞典和約束規(guī)則之間的關(guān)聯(lián)，用戶可輸入關(guān)鍵詞檢索出相關(guān)的蠟染案例。系統(tǒng)首頁如圖11所示。

圖8 紋樣填充過程

圖9 構(gòu)型規(guī)則自動編碼過程

(a) 作品信息管理