生成对抗网络算法在个性化陶瓷图案生成领域的应用探讨*

宁怀铙 刘 杰 范彦斌

(佛山科学技术学院 机电工程学院 广东 佛山 528000)

前言

中国陶瓷历史悠久，源远流长，历代的陶瓷艺术家和陶瓷艺人，在丰富的想象力下创造出了陶瓷装饰艺术，以图案纹样绘图技法美化陶瓷，形成了丰富多彩的陶瓷图案艺术。现代陶瓷装饰的新形势、新手法、新工艺层出不穷，陶瓷图案装饰更是不断创新，陶瓷图案装饰已经发展到了一个极高的阶段，传统的优秀图案得到良好继承和不断推陈出新[1～5]。陶瓷图案题材多种多样，比如有花鸟瑞兽、人物山水、几何器物等，都具有深刻的文化内涵和强烈的象征意义。其中缠枝莲、缠枝牡丹等传统图案，经过现代陶瓷艺术家的重新组合,比传统图案更简洁、明快，甚至还创造出“梧桐山水”、“古典园林”、“富贵吉祥”等深受人们喜欢的新图案。现代艺术陶瓷中，装饰形式往往以绘画形式为主，加以绘画结合图案装饰为辅,多种风格的装饰图案，往往表达了不同文化习俗，不同审美情趣以及人们对它审美个性化的追求。陶瓷图案是对艺术形态的创造，往往需要使用创造性的艺术手法，描绘物质形态和神态美。图案作为人类表达艺术美感和想象力的最重要载体，图案设计的灵感来源于生活，生活中最朴素的场景和艺术手法的结合，往往可以获得非常自然的形象感染力，充分利用视觉平衡获得有序稳定的美感。现代艺术产品的审美层次很多，类别尤其繁复，传统艺术上的陶瓷工艺品，其制造工艺往往已经非常成熟，然而陶瓷图案还可以获得进一步发展，传承艺术和美感，给人们多元化的图案选择和艺术表达是现代陶瓷图案设计的重点和核心。

我国陶瓷地板砖的装饰经历了丝网印花、辊筒印花之后进入了喷墨打印时代[6～8]。随着瓷砖喷墨印花技术地广泛应用，任何图案都可用陶瓷釉料在瓷砖上打印出来，通过打印客户指定的图案方式，实现个性化图案设计，适合当今瓷砖装饰现代化、个性化、小批量、多花色的发展趋向。陶瓷作为艺术美感和工艺结合的产物，是使用价值和美学欣赏同时兼备的艺术品。陶瓷图案是陶瓷艺术品的重要组成部分，是陶瓷制造者出于审美意识的考虑，而在陶瓷上描绘的图案，是陶瓷上的重要装饰。从设计方面来说，喷墨印花技术的出现，为陶瓷设计提供了丰富多彩的设计元素[9～10]。木纹、石材、外墙纸、布料等的纹理通过喷墨技术体现得淋漓尽致，而花草鸟虫、飞禽走兽、山川河流、人物肖像等各种艺术元素的表达更显得多彩多姿尽显美感。

当今随着网络的普及和通讯设施的发达，随着生活经济水平的提高和消费水平的提升，消费观念在转变，时尚传播速度越来越快，流行周期越来越短，消费者对产品的要求已不再只是满足于生活所需，他们越来越关注产品的外观及其含有的文化价值。由于个性化定制的产品具有独特性与唯一性，能给消费者带来足够的精神满足，因此越来越多的消费者都在寻求崇尚自我、彰显个性的商品。而陶瓷艺术作为我国最优秀的艺术文化遗产之一，是全世界的珍贵财富。但是面临传统手工艺人逐渐老去，又没有新鲜血液的注入的窘境，陶瓷艺术面临失传的危机。陶瓷艺术的传承，需要年轻力量的注入，这样可以将陶瓷图案与个性化定制相结合，来吸引年轻人的目光，让他们有机会了解陶瓷艺术，有助于陶瓷艺术的更好传承与发展。然而传统制造业大规模的批量生产会导致市场产品样式单调、同质化太高，无法满足人们的个性化需求以及对美好生活的向往，因此陶瓷企业的制造模式正在逐步从大规模定制演化成为个性化定制。随着瓷砖喷墨印花技术地广泛应用，任何图案都可以用陶瓷釉料在瓷砖上打印出来，通过客户指定的图案方式来实现个性化图案设计。

随着消费者对产品的陶瓷图案个性化定制需求越来越迫切[11]。定制化趋势已经成为年轻一代时尚生活的一部分，如果将陶瓷图案个性化定制和陶瓷工艺结合起来，实现陶瓷艺术的个性化定制，将会具有巨大的市场意义。陶瓷图案个性化定制从本质上来说是指用户参与到陶瓷图案的生产过程中，将具有强烈个人意愿的想法，表达到指定瓷砖上，获得自己需要的个性化配置的陶瓷图案样式。视觉图像是人类意识表达最直观的媒介，而个性化图像生成算法作为一种实现个性化定制的重要手段，是解决个性化需求和大规模生产之间不匹配矛盾的最有效方法之一，是面向用户实现个性化需求的核心技术。

1 个性化陶瓷图案生成算法

1.1 基于视觉属性学习的陶瓷图案生成算法

个性化陶瓷图案设计所面临的最大困难就是语义鸿沟。对人类来说，通过视觉获得信息之后，便可以将信息抽象为知识，并且利用知识表达个人需求，将这些知识应用反馈到图像上来。个性化陶瓷图案设计通常让设计师在创作和设计图案的时候掌握主动性，可以自由掌控设计和制作的过程；在设计的过程中，设计师可以根据自己的构想，根据产品的功能和使用场景，先设计出初步作品，甚至可以在计算机模拟生成所需要的图案，经过不断调整和修改，将个性化的图案设计图印制到陶瓷产品上。深度学习是机器学习中十分令人振奋的研究方向，它可以通过输入大量图像来进行训练，使用深度学习神经网络来学习图像中蕴含的模式和知识。深度学习可使计算机不仅能区分不同的陶瓷图案类别，比如山川河流、鸟兽虫鱼；还能使用视觉属性对图案进行详细描述，甚至对第一次遇到的图案也能描述出它不同寻常的视觉属性。视觉属性可以更好更自然地描述图案，它是连接人类个性化需求和计算机底层特征的桥梁，由于视觉属性具有良好的辨别能力，又能够轻易地被计算机和人类理解。利用深度学习分离出图案中的视觉属性描述，能够很好地运用到个性化图案设计中。

1.2 基于生成对抗网络的陶瓷图案生成算法

自从2014年Ian Goodfellow 提出生成对抗网络以来，短短6年间，图像生成在计算机视觉和人工智能领域得到了迅速发展，诞生了大量理论、技术和应用。生成对抗网络可以模拟人类的想象，生成各种各样的图片，可以生成高质量的逼真场景效果图、产品设计图，可以在满足人类需求的意愿下生成一致的图像，使得个性化陶瓷图案成为了一种可能。如果将陶瓷图案艺术的创作过程看作一种游戏，游戏动作发生在艺术工作室中，其中有两位玩家：评论者和艺术初学者。初学者的目标是创作大师级别的画作，但不能抄袭，而评论者的目标则是判断他看到的画作是大师的作品还是初学者的作品。一次次判断之后，初学者和评论者会进行比赛，初学者会越来越熟练地进行模仿，风格越来越像大师。而评论者会更容易辨别出哪幅画作来自初学者，二者互相督促，水平会越来越高。而GAN就是模拟这一过程的神经网络，评论者的角色由判别网络D扮演，艺术初学者的角色由生成网络G扮演。一次次“游戏”过后，生成网络模拟的大师画作风格会更逼真。生成对抗网络的核心思想来源于博弈论的纳什均衡，它设定参与游戏双方分别为一个生成器和一个判别器，通过两个相互对抗并不断迭代优化的过程，直到达到最小最大化模型的最优解。

图1 生成对抗网络示意图

如图1所示，任意可微分的函数都可以用来表示生成对抗网络的生成器和判别器。 由此，可以用可微分函数D和G来分别表示判别器和生成器，它们的输入分别为真实数据x和随机变量z。G(z)则为由G生成的尽量服从真实数据分布的样本，如果判别器的输入来自真实数据，标注为1；如果输入样本为G(z)，标注为0。这里D的目标是实现对数据来源的二分类判别：真(来源于真实数据x的分布)或者伪(来源于生成器的伪数据G(z)),而G的目标是使自己生成的伪数据G(z)在D上的表现D(G(z))和真实数据x在D上的表现D(x)一致,这两个相互对抗并迭代优化的过程，使得D和G的性能不断提升, 当最终D的判别能力提升到一定程度, 并且无法正确判别数据来源时,可以认为这个生成器G已经学到了真实数据的分布。生成对抗网络可以通过风格学习和风格规范迁移来生成新的图像，生成对抗网络甚至可以学习模仿任何数据分布，因此其在个性化图案生成方面具有无限的潜力，这是一种极其新颖的图案设计创作方式。

1.3 基于图像翻译的个性化陶瓷图案生成算法

图像翻译是生成对抗网络的经典应用,通常指将一张输入图像通过变换，得到相应的另外一张图像。类似于语言翻译任务，这种自动地将图像的一种表示场景转换到另外一种场景的任务被称为图像翻译。个性化陶瓷图案生成的过程，可以视作将一张输入图像按照视觉属性变换得到相应的另一张图像。定义属性集，n是不同属性的数量，每一个属性是图像符合人类认知语义的特性表达，比如个性化陶瓷图案中可能包括的图案类别像鸟、山水，也有可能表示山水的不同风格描述，如水墨山水画风格等。图像翻译算法可以轻易地模拟人类设计师设计图案的过程，通过修改语义层面的视觉属性，生成适合人类个性化需求的陶瓷艺术图案。视觉属性的多样化反映出了生活方式和审美意识的演变，它随着人类文化的提升，科学的进步，装饰方法不断增加，装饰技巧不断提高，图案风格也在不断丰富，这既增加了装饰图案的多样化和层次化，又使得消费者有了更多选择、更多自由度。图像翻译算法以其独特的应用价值，在个性化陶瓷图案设计中将会更加广泛应用。

2 个性化陶瓷图案生成的未来展望

随着以人为本的消费理念和对美欣赏能力的提高，消费者对产品需求产生了极大的变化，对新奇产品以及有意境、情景、幽默性、趣味性的产品更感兴趣。所以就要求对于产品设计人员在图案设计上要有突破性的创新。个性化陶瓷图案克服了传统大规模批量制造的弊端，是未来智能制造产业更新换代的方向。随着当下深度学习的快速发展，以及生成对抗网络算法研究的不断深入，扩大了陶瓷艺术工作者的视野。随着技术革新和新的市场需求，这都对中国陶瓷的艺术设计产生了影响，把现代人工智能算法和传统陶瓷艺术相结合，在继承和发扬优良传统陶瓷装饰的特色中，新一代陶瓷艺术家重视从计算机学科，从人工智能的角度感受艺术创新，以现代审美、新的算法思路进行设计创作。图案表现形式的突破，工艺手段的革新，艺术风格的创新性，将使得个性化陶瓷图案生成算法会生成全新的、富有创造力的陶瓷图案艺术。这将使陶瓷装饰艺术显现出新的风貌，通过不断深入探索图案艺术表现手法，不断开拓新的领域，未来个性化陶瓷图案生成具有广泛的发展前景。