科技部工程司109年度產學計畫優良成果|電子資通領域

電腦自動亂針繡之降色、選色與佈線研究

計畫基本資料

編號：MOST 107-2622-E-492-021-CC3

執行單位：財團法人國家實驗研究院台灣儀器科技研究中心

主持人/共同主持人：吳文弘/林其禹、張君勵

參與人員：陳慧霞、林映萱、程永盛

合作企業：伸興工業股份有限公司

文：計畫團隊、張萬珍  圖：計畫團隊、伸興工業

(左起)伸興陳筠蓁資深工程師、伸興侯宇晟經理、儀科吳文弘副研究員、伸興陳威成協理、伸興劉鎮宇資深工程師、儀科張君勵副研究員、伸興孫曉燕高級工程師

「亂針繡」綜合了刺繡和繪畫，是民國27年時江蘇正則藝術專科學校的楊守玉教授所創。楊教授融合中國傳統繡法與西洋繪畫技法，創出「亂針繡」，以看似雜亂的線條創造出如同油畫般的光影立體感。目前，家用電腦刺繡機在適當的刺繡軟體設計下，可以從傳統花草刺繡作品繡到卡通圖案，甚至用類似人工亂針繡的方式來繪製名畫。雖然目前家用電腦刺繡機已經具備創作各式刺繡作品的基本能力，但電腦刺繡作品和手工刺繡一樣，每個扎針與縫線的位置都需要人工的事先定義，成為許多使用者進入電腦刺繡領域的門檻。

本案與世界第一大家用縫紉機製造商伸興工業合作，陳威成協理表示，公司除了致力於提升縫紉機的品質，也積極結合臺灣AIoT的強項來強化縫紉機的軟體，以持續在世界保持領先，且伸興規劃未來結合網路與電腦技術，以雲端計算生成圖案，使刺繡檔案更加細緻，將家用縫紉機升級為「縫紉印表機」，開闢縫紉機產業的新藍海。

伸興公司負責本計畫的侯宇晟經理分析，一般幾何圖像的刺繡圖案有多種軟體可輔助設計，但圖像亂針繡牽涉到降色、選色、佈線等步驟，以及紋理設計等細節，把圖像轉換為亂針繡的過程過於繁複，難以自動化，雖然市面上多款刺繡軟體都支援亂針繡的功能，但其中僅有一到兩款的效果較令人滿意，而伸興已開發簡單幾何圖形Artist Toolkit刺繡設計軟體，可提供消費者簡單便利的刺繡設計功能，但對於業界技術標杆的圖像亂針繡軟體技術仍有待突破，於是期望從無到有，開發出業界領先水準的圖像自動亂針繡演算法，並透過科技部工程司產學合作研究計畫的機制，與台灣儀器科技研究中心共同開發。

刺繡機與刺繡成品

計畫主持人吳文弘副研究員表示，圖像亂針繡的刺繡成品是將照片或影像以刺繡方式呈現。由於圖像變化多元複雜，通常不是由簡單的幾何圖形所構成，所以不容易以人工的方式來操作刺繡軟體，設計編輯所需要的針跡，進而產生所需刺繡檔，故本計畫特地開發「自動亂針繡演算法」，經過圖像降色、繡線選色、刺繡佈線、刺繡路徑等步驟，以自動的方式得到所需要的刺繡檔。

共同主持人張君勵副研究員指出，使用者只要操作刺繡軟體進行設計，決定想要採用的繡線顏色、色塊的分佈與繡線針跡走向因素，再產出相對應的刺繡檔，傳送給刺繡機之後，就可以開始進行刺繡，做出想要的成品，可省下不少心力。

負責美術設計的陳筠蓁資深工程師說，一般的刺繡成品多半是由單色的幾何色塊所構成，讓使用者只要簡單操作就能上手。在色塊中，充填著樣式重複的繡線，由於一般家用電腦刺繡機一次僅能裝設一捲繡線，所以如果是需要使用多種顏色繡線的作品，就必須依照順序，逐次更換繡線，也因此，一般的刺繡成品通常不會使用超過10種顏色的繡線。

自動亂針繡演算步驟

吳文弘副研究員說，一般的圖像通常是全彩的，可用的色彩高達16.7萬色，因而能呈現豐富細膩的顏色變化。而為了能把原始圖像轉換為適合刺繡的圖檔，就必須在盡可能維持圖像品質的前提下，將組成圖檔的顏色降為10色左右。

同時，為了要減少圖檔儲存的空間，就需要應用影像壓縮的技術，其中最關鍵的是「降色演算」。但影像壓縮之後，所保留的顏色通常還是多達數千或數百種，仍然不適合刺繡使用。

假如直接套用影像壓縮的降色演算法，所得到的顏色將較為「平均」，加上所選的顏色數極少，所產出的畫面將變得黯淡而不討喜。所以，在這項產學合作研究計畫中，團隊的目標是要開發出能將使用顏色數降到10色左右，還能讓降色圖像保持鮮豔色彩的演算法，再將所保留的顏色以相近色的繡線替代，以決定最終選用的繡線。

在降色的圖檔中，以繡線替代圖像中的色點，便可形成所需要的刺繡圖。一般的相片或是圖像都不是由簡單的幾何圖形所組成，而圖像經過降色之後，還會採用混色的效果，以大幅保留圖像色彩的漸層變化，因此，各種繡線的填充區域將呈現不規則、疏密不同的狀態，所以無法應用既有簡單幾何形狀的「繡線填充演算法」。

此外，刺繡機台是使用「一線到底」的連續刺繡方式，需要連續的刺繡針跡，如果單純以片段的繡線替代降色圖中的色點，後續仍然要設法將片段的繡線連接起來，因此，計畫團隊最終發展出了可以同時連續佈線的演算法，一次就能產出各種顏色繡線的針跡路徑，在轉換成特定的記錄規格之後，就會產生所需要的刺繡檔，傳送給電腦刺繡機之後，就可以開始進行刺繡了。

自動亂針繡成品

國立臺灣科技大學林其禹教授負責開發降色與佈線的技術，由研究生程永盛擔任助理，運用林教授團隊在最佳化設計的專長，精進所開發演算法的效能。

由於降色的顏色選擇與針跡混色的狀況將決定是否能產出美觀的刺繡成品，因此，研究團隊邀請亞洲大學陳慧霞老師帶領研究生林映萱進行「圖像降色與顏色混成之美術原則研究」，從美術設計與色彩學的觀點建立降色時顏色選取與漸層混色效果的準則，供降色演算法開發之參考。

負責美術設計的孫曉燕高級工程師說，伸興公司的設計師團隊繪製多張人工降色圖，深入採訪其抉擇過程，了解美術設計人員考量顏色取捨的準則，萃取出共通的降色抉擇因素，結合降色的美術原則，成功開發出適合電腦刺繡機的降色演算法。

團隊每月至少開一次會議，負責刺繡程式承接的劉鎮宇資深工程師針對每個細節反覆測試，將結果回饋給團隊的成員，以研擬調整的策略。

在計畫中期，團隊已突破圖像的降色，伸興公司決議進行下一階段的產學合作研究計畫。在108年10月本計畫結束後，展開第二階段的研究，開發亂針繡針跡路徑的演算法，除了改善針跡路徑，並優化更少顏色的降色選色策略，於109年10月完成完整的亂針繡演算法。

亂針繡成品(第二期)

Global Industry Analysts研究顯示全球家用縫紉機的需求每年約增加3~5%，在新興國家的需求主要來自家庭手工業者機台升級的換機潮，而先進國家的人們把縫紉當成休閒嗜好，縫紉機被視為精美的禮品。

臺灣的縫紉機超過五成出口至美國、日本與德國，而伸興公司的產品約有五成銷往歐洲，二成銷往北美，二成在亞洲國家。

縫紉與刺繡總能勾起人們心中濃郁的情懷。唐代詩人孟郊在「遊子吟」詩中寫道：「慈母手中線，遊子身上衣。臨行密密縫，意恐遲遲歸。誰言寸草心，報得三春暉。」這首詩所描繪的意象，始終動人心弦。

縫紉與刺繡工藝與時俱進，伸興工業的「伸出愛興志工隊」用縫紉機把舊衣物改成新用品，實踐「循環經濟」的生活方式，公司還舉辦「金興獎」活動，第一屆以舊衣改造競賽為主題，2020年第二屆則以「伸出愛興」為主題，讓參賽的縫紉達人自由創作，縫就獨一無二的工藝精品。

伸興公司第二屆「金興獎」縫紉達人競賽的作品

臺灣的縫紉機產業始於1936年，由張深耕先生在台中設立「勝美縫紉機商會」，他於1941年創設「中國縫紉機有限公司」，為臺灣縫紉機工業的開端。

吳文弘副研究員說，臺灣的縫紉機產業快要90歲了，業者持續精進研發縫紉機的硬體，為歐美市場肯定，在臺灣這種多數人才被吸納到電子產業的大環境下，縫紉機能從傳統的全機械式進展到電腦刺繡機的階段，真是「臺灣奇蹟」的又一例證！

在這樣的環境下，雖然大部分公司專注於硬體開發，但伸興公司願意在刺繡軟體投入數年的人力和物力，拓展出屬於自己的新藍海，展現「立足臺灣，放眼國際」的恢弘格局。吳研究員很欣慰與伸興公司合作並進，他說：「在多數人聚焦於電子通訊等產業的時代，能給予縫紉機產業或傳統產業一些協助，讓傳統產業與時俱進，有助於國家產業發展平衡，我非常高興。」