贵州苗族蜡染图像处理与图像库的建立

成新越，全华凤，宋艳，韦琴，熊大琴，李玉霞

（贵州财经大学大数据统计学院，贵州 贵阳 550025）

0 引言

苗族是一个只有语言没有文字的民族，蜡染图案成为他们记录和传承苗族文化的重要载体。然而，目前贵州苗族蜡染的应用逐渐衰微，大部分蜡染文化产品只具有单一的收藏和陈列价值，蜡染文化的传承和发展面临着较大的困难和挑战。本文在对蜡染图像进行处理的基础上，挖掘其中蕴含的文化内涵和艺术特点，并将其应用于图像库的建立和产品设计中，为蜡染文化的传承和保护提供一种思路。

1 苗族蜡染

蜡染是一种古老而精湛的手工绘染艺术，其历史可以追溯到秦汉时期。在古代蜡染又称“蜡缬”，是一种把蜡作为防染剂用于防染的传统手工印染技艺，和“夹缬”“绞缬”“灰缬”并称四缬[1]。在蜡染的制作过程中，首先在织物表面用蜡刀绘制出图案，再经过染色和去蜡处理，得到精美的蜡染纹样。

苗族蜡染作为中国传统织染文化的代表之一，在民间得到了广泛的流传和发展，并有“东方第一染”的美誉[2]。贵州苗族蜡染常应用于苗族人民的服饰和装饰品上，具有图案丰富、色彩素雅、寓意美好等特点，是我国民间传统文化瑰宝。

2 苗族蜡染图像的获取和处理

2.1 蜡染图像获取

本文通过互联网和实地2种途径获取苗族蜡染原始图像。在互联网中，主要通过使用自行编写的Python 爬虫代码从百度和谷歌图片等搜索引擎中获取图像。爬虫代码的核心组件包括：①网页请求。爬虫程序发送HTTP 请求到目标网页，获取网页的内容。②网页解析。获取网页内容后，解析HTML提取所需数据。③数据提取。根据预定的规则，从解析后的网页中提取所需数据。④数据存储。将提取的数据存储到本地文件。在实地走访收集方面，通过赴贵州黔东南地区进行实地调研，运用摄像机实拍的方式，成功收集了1 000余张真实的苗族蜡染原始图案。收集到的部分蜡染图像如图1所示。

图1 蜡染图像

2.2 蜡染图像处理

由于收集的蜡染图像存在色彩失真、对比度不足、背景干扰等问题，需要对其进行处理，以提高图像的可用性和质量。在处理过程中，本文采用了颜色空间转换、图像降噪、图像增强、形态学处理、图像分割和图像校正等方法。

1）颜色空间转换

颜色空间转换也称为灰度化处理，颜色空间转换方法主要有分量法、最大值法、平均值法和加权平均值法等。分量法是用RGB 三个分量中的某一分量作为该点的灰度值，其计算公式如下：

最大值法是将彩色图像中的三分量亮度的最大值作为灰度图的灰度值，其计算公式如下：

平均值法是将彩色图像中的三分量亮度求平均得到灰度图的灰度值，其计算公式如下：

加权平均法是根据某种条件，将三个分量以不同的权值进行加权平均，加权平均是平均值法的一个特殊情况，其计算公式如下：

利用Python实现图像灰度化处理，得到结果如图2所示。

图2 图像灰度化

根据图2可以看出，利用分量法、最大值法、平均值法、加权平均值法灰度化图像，其中效果最好的为加权平均值法。

2）图像降噪

本文采用中值滤波器来降低蜡染图像中的噪声，使图像更清晰、细节更丰富。中值滤波是一种非线性滤波方法，其工作原理如下：对于图像中的每个像素，选择以该像素为中心的邻域，一般使用方形邻域或圆形邻域。然后，将邻域中的像素灰度值进行排序，取其中间值作为中心像素的新灰度值。通过适当选择滤波窗口的大小，可以平衡去噪效果和保留图像细节的需求[3]。中值滤波处理过程如图3所示。

图3 中值滤波处理过程

中值滤波的计算如下：

式中，f(x)表示原始图像；g(x)表示处理后的图像；W为二维模板，通常为2×2、3×3区域，也可以是不同的形状，如线状、圆形等；k和l分别是窗口大小和当前位置。

利用Python 实现利用中值滤波对图像进行降噪处理得到如图4所示。

图4 图像降噪

3）图像增强

图像增强是一种通过调整图像的属性和特征，以提高其质量、对比度和可视化效果的技术[4]。本文采用了多种图像增强方法，如直方图均衡化、对比度拉伸和锐化等，以突出蜡染的颜色、形状等特征。

在直方图均衡化的过程中，首先计算原始图像直方图的概率密度：

式中，rk表示第k个灰度级（k=0,1,2…255）；nk表示图像中灰度级为rk的像素个数；N表示图像中像素的总个数；P(rk)为图像中第k个灰度级占总像素数的比。

其次，通过灰度变换函数T计算新图像灰度级的概率密度，新图像灰度级的概率密度是原始图像灰度级概率密度的累积。

最后，计算新图像的灰度值：

式中，L为图像灰度级的最大灰度级。

利用Python 实现直方图均衡化对图像进行增强处理得到结果如图5所示。

图5 图像增强

根据图5(c)和(d)可以很明显看出，增强后得到的直方图更加均衡，同时，直方图对应的图像质量也更好。

4）形态学处理

图像形态学也称为数学形态学，通过分析图像的形状和结构来进行图像处理和优化。在蜡染图像处理中，形态学技术可以用于去除噪声和增强图像质量。膨胀和腐蚀是图像形态学最基本的操作，膨胀操作可以扩大图像中物体的边缘范围，并填充物体内的空洞和断裂，从而增强物体的形态和结构[5-6]。腐蚀操作与膨胀相反，它可以缩小物体的边缘范围，并消除图像中的噪声和毛刺等。图像形态学的基本运算如下：

式中，element 为结构元；(x,y)为锚点O 的位置；x'和y'为结构元取值为1 的像素相对锚点O 的位置偏移；src表示原图；dst表示结果图；f表示原图；s表示结构元；⊗为膨胀操作；⊕为收缩操作。

利用Python 实现形态学处理中的膨胀、腐蚀、开运算和闭运算，得到结果如图6所示。

图6 图像灰度化形态学处理

5）图像分割

在蜡染图像中，由于蜡染图案与背景在颜色、亮度等方面存在明显区别，因此它们之间的边缘轮廓相对清晰。为了实现对图像的分割，本文采用基于边缘的检测的图像分割。然而，在少部分蜡染图像中，仍然存在边缘模糊的情况。为了凸显图案与背景之间的分割线，使用Canny 算法进行轮廓检测并实现分割[7]。Canny算法的步骤如下：

①采用高斯滤波器去除图像中的噪声。高斯滤波函数为下：

式中，σ是高斯滤波器的空间尺度系数，控制平滑图像的扩展。

②计算高斯滤波器的导数。计算出每个像素点的梯度幅值和方向，即为图像像素的梯度，得到沿x和y维度的幅度。梯度计算公式如下：

式中，G为梯度幅值图像；θ为梯度方向的图像；Gx为在x方向的梯度；Gy为在y方向的梯度。

③非极大值抑制。考虑垂直于给定边缘方向的任何曲线的一组邻居，保留其沿着梯度方向的局部最大值，其他的像素值设为0。

④使用滞后阈值方法保留高于梯度幅值的像素，忽略低于阈值的像素。将梯度幅值图像中的像素点分为强边缘、弱边缘和非边缘三类。一般采用高低阈值比例为3:1或者2:1。利用强边缘像素点的连通性，将弱边缘像素点与其相邻的强边缘像素点连接起来，得到最终边缘图像。

利用Python 实现基于canny 算法的图像分割处理，得到结果如图7所示。

图7 图像分割

6）图像校正

一般在对图像中的目标进行分析和检测时，往往目标具有一定的倾斜角度，自然环境中正面向目标实际是很少的，将这些倾斜的目标“扶正”的过程叫作图像校正。本文首先通过计算转换矩阵，然后进行透视变换。

透视变换的本质是将图像投影到一个新的视平面，其通用变换公式如下：

式中，（u，v）为原始图像像素坐标，x=x'/w'、y=y'/w'为变换之后的图像像素坐标。

利用Python 实现图像校正处理，得到结果如图8所示。

图8 图像校正

3 苗族蜡染纹样内涵挖掘

苗族蜡染纹样不仅仅是苗族人民对祖先、自然和生殖崇拜的载体，同时也是他们图腾崇拜的具体体现。通过对根据蜡染纹样的特征，可以将其分为动物纹、植物纹和几何纹三类。

3.1 动物纹

在苗族蜡染纹样中，动物纹样占据了很重要的位置。其中，蝴蝶、龙和鸟是最常见的动物纹样。蝴蝶纹样在苗族蜡染艺术中具有重要的地位，它源于苗族古歌中的一个传说，据传苗族的祖先姜央从蝴蝶化身而来。因此苗族人民对蝴蝶怀有深厚的崇拜和喜爱，并将其视为祖先的象征之一[8]。如图9所示，蝴蝶纹样不仅是对生殖的崇拜，更是对祖先的热爱和崇拜。龙在苗族文化中被视为能力非凡的吉祥物。龙纹常与植物和动物一起出现，表现了龙与人和自然之间的和谐共生。鸟纹在苗族蜡染文化中有着悠久的历史，并被赋予了吉祥的象征意义。苗族人民视鸟为传递祝福和吉祥的使者，表达了苗族人民对自然的崇拜之情。

图9 蜡染动物纹样

3.2 植物纹

苗族蜡染图像中的植物纹样非常丰富，大部分作为辅助纹样出现在图像中。其中最常见的植物纹样包括枫叶纹、梨花纹和石榴纹，如图10所示。

图10 蜡染植物纹

枫叶纹美丽素雅，是苗族人民最崇拜的植物图腾之一。枫叶纹蕴含了苗族人民对祖先和自然的崇拜。

在苗族文化中，梨花被视为希望[9]。在各种传统节日和重要仪式中，给人一种清新雅致、充满生机的感觉，表达了苗族人民对自然崇拜之情。

石榴多子与苗族的生殖崇拜不谋而合。从纹样来看，石榴纹主要由点、线、面构成，因此表达了苗族人民自然和生殖的崇拜。

3.3 几何纹

蜡染纹样中的几何纹与其他纹样的随意性不同，它展现出一种秩序美。如图11所示，苗族妇女用三角纹表示太阳的光芒，或代表苗族先人迁徙过程中的群山峻岭；波浪纹和漩涡纹象征着河流，铜鼓纹代表苗族先民太阳崇拜[10]。这些纹样都是对自然界的抽象，得到的智慧结晶。

图11 蜡染几何纹

4 苗族蜡染图像库的建立

4.1 图像分类标注

根据蜡染文化内涵的探究，对本文上述所处理的图像进行分类和贴标签。

分析所获得的图像含有的关键特征，包括图像中的纹样类型和颜色等特征，为下一步多标签标注做准备。本文选取了纹样类型、颜色以及纹样的主体作为关键特征，对图像进行标注分类。

根据分析的特征进行多标签标注，形成图像与特征标签的非线性映射。具有相同标签的图像可以帮助设计师更好地分析该特征，并学习如何在自己的设计中体现该特征，也可以通过标签获取产品设计的趋势。如图12的石榴纹，石榴纹的内部是鸟纹的图像，图像的纹样类型有2类，分别为石榴纹和鸟纹，图像的色彩通常有两种系列，颜色多为蓝色系和白色系。

图12 蜡染图像的标注（作者自绘）

4.2 图像库的建立

通过图像处理后，最终得到高质量的图片共有800 多张。本文根据苗族蜡染的文化内涵、纹样特征和色彩搭配，对每张图像的纹样和色彩进行了整理和标注。基于此，本文构建了苗族蜡染图像库。该图像库的编码采用了多级分类编码方式，一级类别为纹样类别，分别为植物纹、动物纹和几何纹，在植物纹下细分为自然崇拜、生殖崇拜和祖先崇拜，在动物纹下也细分为自然崇拜、生殖崇拜和祖先崇拜，几何纹下的细分亦是如此。

图像库的存储方式，以图12为例，首先，根据图像的纹样类型进行划分，分别有动物纹和植物纹，然后分析该纹样的寓意，植物纹为石榴纹，动物纹为鸟纹，根据石榴纹和鸟纹承载着苗族人民对自然和生殖的崇拜之情，由于该图像中的主体为石榴纹，所以可将该图像存放在植物纹中生殖崇拜类别中。

5 基于图像库的产品设计

蜡染工艺延续千百年，在苗族手工艺人中代代相传。尽管蜡染纹样众多，但现有的设计产品过于单一，大部分只具有展示和收藏的价值，这严重限制了消费者的购买欲望。因此，本文考虑将蜡染纹样应用于家居、饰品等实用性强的产品中，将现代产品与蜡染相结合。值得注意的是，在蜡染的应用中，必须考虑纹样蕴含的意义，避免设计出寓意与产品不匹配的设计。因此，在进行产品设计时，根据需求，在图像库中搜索纹样和寓意，可以得到对应的图像，再根据图像中的纹样来设计产品。

图13 为家具中的地毯设计，在设计过程中，将铜鼓纹样化繁为简，删除了辅助图案和次要元素。图13(a)保留了铜鼓纹的中心纹样——太阳纹，而图13(b)则是以简洁为设计理念，只保留了铜鼓纹样中的圆环图案。

图13 蜡染装饰产品展示（作者自绘）

图14为饰品中的戒指和手串设计，采用了蜡染中的蝴蝶纹作为设计元素的，通过简化提取和抽象变形的方式，使用精炼、概括的线条勾勒出蝴蝶纹样，并应用于产品设计中。

图14 蜡染装饰产品展示（作者自绘）

6 结束语

创新应用不仅关乎产品的发展，更是一种对濒临消亡的非物质文化遗产的拯救。苗族蜡染这一传统技艺面临着文化认同度下降和推广难度上升等困境。如何有效地传承和保护这一技艺已成了当下亟待解决的问题。为了更好地推广和应用苗族蜡染这一文化遗产，本文在收集和处理大量苗族蜡染图像的基础上，以蜡染纹样的文化内涵为切入点，将处理好的图像和蜡染纹样内涵对应，存储在一个图像库中。在设计产品时，在图像库中检索对应的图像，使传统纹样与现代产品相结合，为贵州苗族蜡染的保护和传承提供新的思路和方向。这种结合的方法既尊重了传统文化的价值，也使得苗族蜡染能够与现代社会相契合，焕发出新的生命力。