中国民间剪纸的计算机建模与自动生成方法研究

Chinese folk paper-cut is an important Chinese intangible cultural heritage with exquisite technique, symbolic meaning, a long history and high artistry, practicability and ornament. Computer modeling and automatic generation of paper-cut is one of the fundamental research topics in computer graphics, which contributes to spread paper-cut culture and promote industrialization. Current methods have two major limitations: the first one is lack of an unified computer model, that results in describing and evaluating problems for the paper-cut's technical and aesthetic constraints; secondly, they are limited to a specified cutting technique, thus have problems in automatically generating paper-cut effect combining positive and negative cutting with connectivity and artistic exaggeration. To solve the aforementioned issues, we plan to firstly propose an unified computer model, and build the determination conditions and quantitative evaluating mechanisms for paper-cut's technical and aesthetic constraints. Based on this model, we focus on generating paper-cut automatically that fits technical constraints, and further seek for a re-creating method that fits aesthetic constraints. The key scientific problems of this project are an unified representation, constraint determination and image-based automatic conversion of Chinese paper-cuts, the achievements of this project can promote a new mode for digital protection of intangible cultural heritage based on computer graphics technology.

中国民间剪纸技艺精湛，意寓深刻，历史源远流长，具有极高的艺术性、实用性和装饰性，是我国重要的非物质文化遗产。剪纸的计算机建模与自动生成方法研究是有助于传播剪纸文化和加速其产业化的计算机图形学基础研究之一。现有的方法主要存在着两点局限性：一是缺乏统一的计算机建模，难以描述和评估剪纸的工艺性和审美性约束条件；二是局限于特定的剪纸手法，难以自动生成阴阳结合、整体连通、艺术夸张的剪纸效果。针对上述问题，本项目拟首先研究剪纸艺术的统一计算机建模方法，建立剪纸工艺性约束和审美性约束的判别标准和定量评估机制；在该模型的基础上，重点研究符合工艺性约束的计算机自动剪纸生成方法，并进一步研究满足审美性约束的剪纸再创作方法。本项目需着重解决针对剪纸艺术的计算机统一表示、约束条件判别和基于图像的自动转化三个关键科学问题，研究成果对探索基于计算机图形学技术的非物质文化遗产数字化保护的新模式具有重要意义。

中国民间剪纸是我国重要的非物质文化遗产，它具有以线构图、阴阳结合、整体联通等工艺要求和纹样装饰、画面对称、艺术夸张等审美特点。本项目根据这些剪纸艺术特点，利用计算机图形学技术研究剪纸图案的自动生成与设计方法，在以下三个方面展开了深入的研究：.1）在预处理方面，提出了一种L0梯度极小化的图像去噪方法，去除纸质剪纸作品扫描或拍摄图像中的噪声；一种基于交叉点分析的轮廓矢量化方法，有效获取和分析剪纸图像中的形状信息及其拓扑结构；和一种高阶无符号梯度场的自动估计方法，其光滑、保特征的二维方向场保证了剪纸图像矢量化中的路径跟踪的准确性。.2）在计算机建模方面，提出了一种针对剪纸图案空间构造模式的剪纸树状层次结构表示模型,刻画剪纸图案的空间构造规律；和一种剪纸图案的构造模式分析和数字化建模方法，凸显了剪纸图案重复有序和模式化的构造特点，能够支持快速的几何连通性判断。.3）在自动剪纸生成和再创作方面，提出了一种能够将任意数码照片自动转化为剪纸图形的方法，基于颜色、边界对比度和区域连通性等约束对分割区域连接图进行整体优化，自动生成的剪纸图形能够保持原图的内容、画面简洁、整体连通；开发了包含诸多剪纸智能交互工具的原型系统, 利用树状层次结构实现编辑操作的智能迁移，降低个性化剪纸设计的难度，提高剪纸图案的编辑效率。.项目组就上述科研成果发表了学术论文10篇，均以标注本项目资助编号，包括Computer Graphics Forum和Science China Information Sciences等国内外知名期刊。申请国家发明专利6项，其中已授权2项。参加学术会议10次，其中做学术报告5次，培养硕士和博士研究生多名。.本项目在传统剪纸艺术的计算机统一表示、约束条件判断和基于图像的自动转化三个关键科学问题上均有所突破，研究成果有利于剪纸艺术的文化传播与产业化，对于进一步探索基于计算机技术的非物质文化遗产数字化保护的新模式具有重要的科学意义。