层木藏韵：当数学算法赋予图像立体魔法

Fri, 03 Apr 2026 00:00:00 +0000

当你走进一家创意礼品店，或许会被一种特殊的艺术品吸引：多层彩色的木板被精细地切割，层层堆叠，勾勒出具有立体感的风景、人物或抽象图案。这种艺术形式被称为梯木叠雕。

它的制作通常是：每层木板先被激光切割出镂空图案，再被喷涂成“单一且均匀”的颜色，最后按顺序对齐并粘合在一起，于是画面的“深度”与“层次”就出现了。中国科学技术大学的科研团队基于论文《Computational multi-layered wood carving art》，尝试用计算方法重新理解这一过程，将原本依赖经验的手工创作，转变为可自动生成的个性化设计，让梯木叠雕走进更多人的生活。

传统的梯木叠雕主要依赖艺术家的手工设计。每一层木板既要保持整体连通（不能被切成碎块），又只能使用一种颜色，同时还要避免过细的结构以防断裂。仅设计激光切割路径这一环节，往往就需要数天时间。

这种高度依赖经验的方式，使得作品难以高效制作，也限制了个性化定制的普及。而中科大团队的研究，正是尝试用计算方法来描述和求解这一过程——让任意图片都能自动生成分层结构，把原本的手工难题，变成可以一键实现的设计过程。

梯木叠雕之所以能够“叠出一幅图”，关键在于层与层之间的遮挡关系：当多层木板叠放在一起时，每个位置最终呈现的，是最前面没有被挖空的那一层的颜色。基于这一原理，算法的目标就变成：设计一组木板，使它们叠加之后，在视觉上尽量接近原始图像，同时又满足加工与结构要求。

这套“立体魔法”的实现，其实可以分为三个步骤。

首先是图片“瘦身”，也就是减少颜色数量。一张普通照片往往包含上百万种颜色，而梯木叠雕每层只能使用一种颜色。算法会对图像进行简化，在尽量保持视觉效果的前提下，把颜色压缩到较少的几种，从而减少所需的木板层数。

接下来是最关键的分层过程。算法逐层生成木板结构，并利用一个重要观察：上层已经存在的区域，可以帮助下层保持连通。借助这一点，算法能够把原本分散的图案连接成一个整体，同时自动完成加宽细结构、填补过小孔洞等处理，保证每一层既完整又可加工。

最后是结构优化。算法会进一步合并视觉贡献较小的层，减少整体层数；对被上层完全遮挡的区域进行挖空，实现轻量化；同时通过受力分析，对容易断裂的位置进行加固，使作品在运输和装配过程中更加稳定。

有了这套方法，梯木叠雕的创作方式发生了明显改变：从依赖经验的手工设计，转变为可自动生成的计算过程。

无论是插画、地图、宠物肖像，还是风格化的艺术图像，都可以被转化为可制造的木雕作品；设计时间从数天缩短到数十秒，也让个性化定制变得更加容易实现。

这一科研成果很快走进了科普现场，成为中国科大数学与应用科普教育基地的“明星项目”，完美契合基地“突出艺术演绎数学有趣味”的特色。工作人员将算法生成的木板图纸摆在桌上，旁边展示着层层叠合的木雕成品，观众们亲手拿起不同颜色的木板，在拆解与拼装的过程中，亲眼见证“一张平面的照片变成一尊立体的木雕”的奇妙瞬间。现场还会展示算法设计的全过程：从上传一张图片，到颜色压缩、分层优化，再到每一层木板的切割线框输出，让观众直观感受到数学在其中的核心作用——每一块木板的形状、每一处镂空的位置，都是算法基于几何原理的精准计算。

对于青少年来说，梯木叠雕不仅是有趣的手工艺品，更是理解复杂数学概念的“实物教材”。团队成员在科普讲座中会用通俗的语言解释：“梯木叠雕的设计，本质上是利用了层与层之间的遮挡关系和图的连通性，算法就像一个‘智能拼图师’，通过反复计算和优化，找到最合理的分层方案，让每一层既完整又可加工。”原本抽象的“颜色压缩”“连通性驱动”“约束优化”等专业术语，在亲手拼装的趣味体验中变得通俗易懂，让青少年在惊叹数学魔法的同时，悄然种下对数学和科学的好奇种子。

层木藏韵 | 安徽省图形计算与感知交互重点实验室

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