物理和情感设计：量化数字图像的清晰度
物理和情感设计：量化数字图像的清晰度
在分析艺术品时，了解构图的视觉清晰度至关重要。受到数字艺术家的启发，冲绳科学技术研究所 (OIST) 力学和材料部门的研究人员创建了一种量化数字图像清晰度的指标。因此，科学家可以准确地捕捉艺术过程和物理变化过程中的结构变化。
这一新指标可以改善科学和创意领域的分析和决策，有可能改变我们理解和评估图像结构的方式。它已经在数字艺术品和物理系统上进行了测试。该研究发表在期刊上美国国家科学院院刊。
用数学定义艺术的清晰度
该方法的核心是一种简单的方法，其灵感来自于数字艺术家缩小范围来评估他们的作品的实践。
研究人员开发了一种高中水平的数学方法，通过测量视觉元素在模糊时保持的清晰度来量化数字图像的“清晰度”。该指标弥合了物理学和艺术之间的差距，为数字图像的科学分析和艺术创作提供了灵活的分析工具。
该方法涉及通过随机交换相邻像素来模糊图像，然后将原始图像与其模糊版本进行比较。
研究人员测量了有多少原始结构保持完整，对具有即使在模糊后仍可识别的结构元素的图像赋予较高的分数，对具有混乱分布的像素或纯色的图像赋予零分。
测量图像质量和稳定性。 (A) 原创艺术作品：木筏上姬森露娜和她的骑士吉祥物的像素艺术（Hololive Production）； (B) 650,000 像素翻转后的模糊版本——艺术品的结构退化，但木筏形状仍然可见； (C) 颜色距离图：显示结构稳定性的灰度图像——黑色区域稳定，白色区域不稳定； (D) 退化分数：显示与完全打乱的版 本相比，艺术品的结构如何随着像素翻转而变化； （D 中的插图）颜色分布：艺术品中 50 种最常见颜色的 3D 散点图，显示它们在红-绿-蓝空间中的分布； (E) 结构稳定性：定义一个度量 (ΔS) 来测量结构稳定性，当像素翻转数量大约等于图像大小时，该度量最大化。 © Chan 等人，2024； Ronin 的艺术作品 (@zeth_total)
“在我们的研究中，我们将‘清晰度’定义为对模糊或结构退化的抵抗力。从艺术上讲，这个定义与缩小画布以评估艺术品的清晰度的常见艺术实践一致。从数学上讲，清晰度可以用颜色的对比度及其空间分布来表达。”力学和材料部门负责人 Eliot Fried 教授解释道。
该指标保留了图像的颜色多样性，并且即使在图像压缩后仍然有效。它用途广泛，可用于分析不同的图像、检测物理系统的结构变化，并与研究颜色如何相互作用和影响我们的感知的颜色理论相一致。本质上，它显示了图像中的图案有多少在随机变化中幸存下来。
“艺术家总是在尝试他们的技巧和构图。我在画表情时想到了这个想法。作为一名实验物理学家，我受到启发，创建了可以衡量清晰度、平衡性和和谐性等艺术品质的指标。我们希望这些指标能够让艺术研究人员尝试不同的作品，并以客观、定量的方式报告他们的发现，”研究员兼第一作者 San To Chan 博士说。
在数字艺术中，“表情”通常描述表达情感的小型、富有表现力的图像或动画，尤其是在在线社区和流媒体平台上。
作为 WorldWide 35P 粉丝网络的成员，San To Chan 博士帮助 VTuber Sakura Miko 为纽约时代广场的广告牌展示制作了动画，用于 NYahello2023 项目——一个由粉丝主导的项目，纪念 Sakura Miko 成立 5 周年。他的研究是在视频游戏 Holo X Break 的开发阶段进行的，当时游戏的开发者邀请他贡献一些表情。 ©@MarkV_R
视频游戏、Vtuber 和表情
根据他们的指标，研究人员为视频游戏 Holo X Break 设计了一个表情。这一实际应用证明，他们的研究即使在商业艺术项目中也是有用的。
“我选择扮演虚拟 YouTuber（VTuber）樱美子，因为我是‘35P’；她的粉丝群的成员。我们之前曾与其他几位 35P 一起为她在纽约时代广场的广告牌上展示动画，以庆祝她出道 5 周年。有了这次经历，我觉得让她参与这项研究将是一种令人兴奋的方式，将我作为粉丝的热情与我作为科学家的专业经验联系起来，”陈博士补充道。
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在研究之外，陈博士还是一名自由艺术家，曾为 Holocure 等著名的独立游戏开发项目做出过贡献。这项研究通过纳入同行艺术家的艺术作品，从重要的专业知识中汲取力量，为分析提供了坚实的基础。
陈博士和弗里德教授正在探索其清晰度指标在最初范围之外的潜在应用。他们相信他们的指标可以彻底改变艺术分析。正如发动机将热能转化为机械功一样，艺术家也将清晰度转化为和谐、平衡和节奏等艺术品质。
这种对艺术的热力学视角可以帮助研究人员理解艺术家做出的某些创造性决策背后的基本原理，为人类艺术家进一步完善他们的工艺提供有用的知识。
更多信息：
San To Chan 等人，艺术作品的结构稳定性和热力学，美国国家科学院院刊（2024）。DOI：10.1073/pnas.2406735121
提供者：
冲绳科学技术大学
引文：
物理和情感设计：量化数字图像的清晰度（2024 年，12 月 16 日）