基于进化艺术的二方连续边框纹样设计的研究_论文

僵患技术与僵息佑　基于进化艺术的二方连续边框纹样设计的研究　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｔｗｏ　Ｓｉｄｅｓ　Ｃｏｎｔｉｎｕａｌ　Ｂｏｒｄｅｒ　Ｐａｔｔｅｒｎ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ　Ａｒｔ　门　超　刘　弘　ＭＥＮ　Ｃｈａｏ　ＬＩＵ　Ｈｏｎｇ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２～９５２８．２０１０．０６．１２　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｓｉｄｅ’Ｓ　ｃｏｎｔｉｎｕａｌ　ｂｏｒｄｅｒ　ｐａｔｔｅｒｎ，ｖａｒｉｏｕｓ　ｐａｔｔｅｒｎｓ　ｗｅｒｅ　ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｂｙ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｍｕｔａｔｉｏｎ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ　ａｒｔ　ｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｅｎ　ｒｉｃｈ　ａｎｄ　ｖａｒｉｅｄ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｌｉｂｒａｒｙ　ｗａｓ　ｆｏｒｍｅｄ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐａｔｔｅｒｎ’Ｓ　ａｒｔｉｓｔｉｃ　ａｎｄ　ｃｒｅａｔｉｖｅ　ｑｕａｌｉｔｙ．Ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ　ｗｏｒｋｓ　ｓｅｔ　ｗｅｒｅ　ｔａｋｅｎ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ　Ｂａｓｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｂｏｒｄｅｒ　ｐａｔｔｅｒｎｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂｙ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｒｅ　ｌｉｖｅｌｙ；ｖａｒｉｏｕｓ　ｓｈａｐｅｄ，ａｎｄ　ｃａｎ　ｂｅ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｒｅａｌ　ｌｉｆｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｔｗｏ　ｓｉｄｅｓ　ｃｏｎｔｉｎｕａｌ　Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ　ａｒｔ　Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ　ｂａｓｅ　Ｏｒｄｅｒ　ｐａｔｔｅｒｎ　引言　手段，为产品设计提供了一种全新的创新理念和途　径。本文将进化艺术的思想应用在边框纹样的创新　边框纹样是我们身边最常见的纹样之一，早在　中国历代传统图案纹样中就已出现，这些纹样被人　们广泛应用于１３用器皿、青铜器、礼器、雕刻品、漆器　设计上，通过遗传算法进化出不同类型的图元组件，　利用人机交互对图元进行评分，并将评分结果存人　知识库。最后通过渲染模块对图元进行渲染和拼　等工艺美术作品中，既有实用价值又有欣赏趣味，是　人类文明宝贵的历史遗产。随着科技的发展，社会　的进步，边框纹样在越来越多的领域中得到应用。　装。实验表明，利用本文介绍的方法可以生成独具　艺术风格的创新型边框纹样作品。　Ｉ　进化艺术在创新设计中的应用　现代边框设计吸收了中国传统边框纹样和西方古典　图案中边框纹饰的精华，并结合现代技术和设计概　念，创意出符合现代社会需求和欣赏趣味的各种边　框纹样。这些纹样可以用于各种设计作品中，如书　刊装帧，商品包装、广告海报、美术设计、网页设计、　进化艺术是进化设计的一个重要分支　ｊ，它将　进化计算的思想用于艺术作品的设计上。他的基本　思想是：通过使用遗传算法生成新个体，在后代选择　上不设计适应度函数，而是根据后代个体的艺术性　进行人工评价。此外，进化艺术没有仅仅停留在概　日用器皿设计等，涉及方面非常广…。　与此同时，计算机辅助设计的应用日益广泛，通　过使用计算模型和计算机工具，利用计算机的高信　念设计上，他所创意出的作品往往能直接使用，有着　广阔的市场前景。　息存储量及可视化手段，从而为产品的创新设计提　供有力的支持。它不仅帮助设计人员从繁重的体力　劳动中解放出来，而且还能激发创作灵感，是获取全　新的非传统设计程序和观点基础上造型形态的有效　％山东师范大学信息科学与工程学院２５００１４　牛津大学的Ｒｉｃｈａｒｄ　Ｄａｗｋｉｎｓ为了模拟大自然　的树群，在其著作中展现了首个计算机进化程序　“Ｂｉｏｍｏｒｐｈｓ”，第一次将进化思想用于在计算机上模　拟生物形态的进化，对后来进化艺术的发展产生了　深远影响。１９９１年Ｋａｒｌ　Ｓｉｍｓ发表了论文“Ａｒｔｉｉｆｃｉａｌ　Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ”，标志着计算机辅　Ｑ生蔓鱼塑囝　

僵息技术与僵息亿　助进化设计进入了绘画艺术领域　，开辟了“进化　艺术”的先河，对进化设计的发展起到了巨大的推　动作用。美国进化艺术家Ｗｉｔｂｒｏｃｋ等开发由艺术　ａ＞ｄ　ｎ（　家来决定进化设计的方向的程序“Ｇｅｎｅｔｉｃ　Ａｒｔ”。　Ｔ０ｄｄ等提出了利用图元的重复性生成新的图形的　　‘（ａ）　（ｂ）　图２摆线的两种不同情况　方法，他们的程序Ｏｒｇａｎｉｃ　Ａｒｔ将进化艺术推向了商　业应用　］。Ｍａｃｈａｄｏ设计了神经进化艺术系统ＮＥ—　通过式（１）我们可以看出，通过控制参数ａ，ｄ　可以得到不同的摆线轨迹，并且摆线形状对这两个　参数十分敏感，同时考虑加入摆线的粗细和颜色这　ｖＡｒ，通过树型结构遗传算法对控制图案的表达式进　行交叉与变异操作，进而生成创新的艺术图案。　２基于进化艺术的二方连续纹样设计　二方连续纹样是指以一个或一组单位纹样向上　下（左右）循环排列，产生优美的、富有节奏和韵律　感的横式或纵式的带状纹样，亦称花边纹样　。一　般二方连续纹样呈带状，上下连续称为“纵式”，左　右连续称为“横式”，对角连续称为“斜式”，二方连　续图案应用范围十分的广泛，不仅可以独立应用，还　可以与其他艺术形式同时应用在各种介质上，例如：　建筑、书籍装帧、包装带、服饰边缘、装饰间隔等。　２．１纹样进化模块　摆线是数学中众多的迷人曲线之一，具有非常　强的装饰效果。本文是基于对摆线的研究提出了一　种可进化的二方连续纹样设计方法。当一个圆（动　圆）沿一条定直线（基线）做无滑动的滚动时，动圆　圆周上一个定点（摆点）的轨迹叫做摆线。设一定　点与滚动圆的圆心的距离为ｄ，基线是Ｘ轴，出发时　定点的坐标为（０，ａ—ｂ），其中ａ是滚动圆的半径．　当滚动圆滚动到如图１所示的位置时，定点的位置　在线段ＯＰ上且与Ｏ点的距离为ｄ。　图１　基本摆线示意图　由此可知其运动轨迹曲线的参数方程为　㈩　式（１）说明ａ和ｄ的大小关系会引起摆线轨迹　的不同。图１为ａ＝ｄ的情况，ａ＞ｄ和ａ＜ｄ的情况　分别如图２（ａ）和图２（ｂ）所示。　两个特征，因此可将一条摆线定义如公式（２）：　Ｃｙｃｌｏｉｄ＝（ａ，ｄ，Ｓ，Ｃ）　（２）　其中ａ为动圆半径，ｄ为定点与滚动圆圆心的　距离，Ｓ为摆线粗细，ｃ为颜色。　大多数花边排列都遵循翻转排列或对称交错的　基本原则，根据不同特点的图案纹样搭配以不同形　式的块面分割或重组排列等设计方式，会营造出千　姿百态新颖独特的花边纹样来，我们可将花纹归纳　为三种类型基本排列形式　Ｊ：单列式排列、双列对　称式排列和多列综合式排列。现在将一条摆线作为　一条花边纹样，结合摆线特点做如下定义：　１）单列式纹样：一个定圆在直线上（下）方做　无滑动滚动时，定点所形成轨迹。　２）双列对称式纹样：对单列式纹样相对直线做　轴对称所得到的纹样。　在绘制纹样时一条摆线形成的图案往往比较单　调，节奏感不强，现将定圆扩展至ｎ个，定点也相应　扩展到ｎ个，这样当ｎ个定圆在同一条直线上做无　滑动滚动时，ｎ个摆点层叠就会形成生动活泼，动感　多样的花边纹样。现将该花边纹样基因定义如下：　Ｇ＝｛ｋ／（ａ　，ｄ　，Ｓ　，Ｃ　））　其中ｋ表示纹样类别，当ｋ＝０时为单列式纹　样，ｋ＝１时为双列对称式纹样；（ａ　，ｄ　，Ｓ　，ｃ　）表示　第ｎ条摆线，ｎ不固定。对基因Ｇ采用二进制编码　方式，ｋ长度取１；ａ表示动圆半径，长度取５；ｄ表示　定点距动圆圆心距离，长度取７；Ｓ表示摆线粗细，长　度取３；ｃ表示颜色，长度取２４。　２．２人工评价　一个艺术作品的成功，除了具有艺术性，还有能　够吸引人们眼球的创新性。在基于进化艺术思想指　导下的进化设计，摒弃了传统遗传算法中为子个体　设计适应度函数的方法，而是根据后代的艺术性由　设计师进行人工评分，这样就有效的保证了后代作　品是按照设计者的思路在进化，从而得到具有较高　

信息技术与但息亿　艺术性和创新性的艺术作品。本文设计的评分模式　个重要思想就是不使用交叉算子，仅仅使用变异算　与传统进化艺术中只侧重艺术性的评价不同，加入　了对新颖程度的评价，公式（３）所示函数充分利用　子和选择算子，这样做的目的是保持了后代的多样　性，避免最终收敛到一种图案上。这类似于进化策　略的思想，大量实验证明在不断改变适应度函数前　了遗传算法在全局优化方面的优势，克服了图案布　局单一的弊病。提高了作品的综合指标。　Ｆｉｔｎｅｓｓ＝Ｗ×Ａｒｔ＋（１一ｗ）×Ｎｅｗ　（３）　提下这种变异算子驱动制的进化方法是确保找到　“最优解”的一种行之有效的方法　ｊ。　其中Ａｒｔ表示艺术性分数，Ｎｅｗ表示新颖性分　算法具体步骤如下：　第一步：确定进化策略。包括纹样类型、动圆个　数，ｗ为权值，设计人员可以根据自己需要调整权　值大小。　２．３基于产品特征的自学习　特征，作为产品中具有特定含义的设计信息单　元，已在基于特征的过程规划、基于特征的装配、基　于特征的建模和基于特征的设计等领域得到广泛的　研究与应用。　在设计过程中，会产生一些充满个性，灵动活泼　的作品，这些作品都有着十分鲜明的特点。通常我　们都会关心是什么情况下能产生如此新颖生动的作　品，为了避免过多的作品平淡无奇，无谓加大设计者　的工作量。在这里本文引入了自我评价机制　，通　过对成功作品的学习来总结具有较高艺术性和创新　性产品的特征，供给设计者参考。通过对种群初始　化设计和进化策略控制来避免产生过多废品，从而　提高设计效率。　定义一条纹样的特征集为一个四元组ＣＨＡ＝　（ａ，ｄ，Ｗ，Ｆｉｔｎｅｓｓ）。ａ／ｄ决定了一条摆线的形状，摆　线是构成花边纹样的骨骼。Ｆｉｔｎｅｓｓ反映了作品的满　意程度。ｗ为艺术性和创新性权重，通过如公式　（４）所示函数来反映纹样的特征。　ＳＣＯ　：Ｗ　Ｘ　Ｌｏｇ（ａｎ／ｄ　）Ｆｉｔｎｅｓｓ　（４）　学习过程如下：　步骤一：初始化知识库大小。　步骤二：若知识库未满，将特征集和ＳＣＯ存人　知识库。若知识库已满通过比较ＳＣＯ值刷新知识　库。　步骤三：分析知识库中特征集，为设计师提供参　考。　３　二方连续边框纹样的生成　由于采用进化艺术的思想，在初始化种群时通　常很小，一般小于ｌ０个，以便于设计师快速评价各　代图案。为了保证可行空间的广阔性，在初始化种　群时采用完全随机的方式。此外，进化艺术的另一　数、变异概率和选择算法等。　第二步：初始化种群。对每个子图形的５段基　因片随机初始化赋值。　第三步：设计师逐个为种群中图案评价艺术性　和创新性分数，并计算出其适应度。　第四步：运用遗传策略，选择适应度最高的个体　作为父代，并按照变异概率Ｐ进行基本变异操作。　将新生成的图案取代适应度较低的图案，形成新的　种群，为下一步进化做好准备。　第五步：设计师在进化过程中挑选满意图案并　存入到图案库中，同时将产品特征集存入知识库中。　若不满意作品继续进化，用户在选择性修改进化策　略后转人步骤三，否则结束进化。　４二方连续边框纹样设计系统　基于进化艺术的二方连续边框纹样系统（Ｂｏｒ．　ｄｅｒＤｅｓｉｇｎｅｒ）是在ＶＣ＋＋．ＮＥＴ和ＳＱＬ　Ｓｅｒｖｅｒ　２００５　环境下基于ＧＤＩ＋开发的。系统主要包括四个模　块：自动进化模块、人工评价模块、基于特征自学习　模块和产品组装渲染模块。设计师通过自动进化部　分设计进化策略，通过人工评价部分对进化生成作　品进行打分，通过自学习部分查询优秀作品特征，通　过组装渲染部分进行色彩渲染和仿真渲染。系统默　认进化６条纹样，即种群数为６。　图３　图案生成和进化模块　一个设计精美的花边，除了必（下转第６４页）　Ｑ！　垒箜鱼塑团　

僵息技术与住息佗　努力在科研生产中得到了体现。２００９年，Ａ１协同　工作环境参与了埕海、港东、羊三木、枣园等地区的　研究，为研究项目提供了大量的数据支持，极大的支　持了科研生产。　５结束语　现实需求和当前技术条件出发，完成架构设计和功　能实现。Ａ１系统协同工作环境在勘探开发一体化　数据库建设、主流软件协同、项目成果管理与知识继　承等关键协同技术的实现，有助于正确判断现有管　理体制与数字油田理念之间矛盾，有助于揭示勘探　开发工作流程全面协同的技术难点和技术路线，有　数字油田已经成为石油企业未来发展趋势，国　内以数字油田为内容的油田信息化建设也再次升　温。目前，不管从技术还是管理的层面上看，数字油　田建设都还存在不少难题，尤其是业务流程革新、多　元异构数据整合以及专业技术软件的开发将在相当　助于明确信息技术的推动方向，有助于发现现实可　行的数字油田的建设道路。　参考文献：　［１］　刘希俭主编．中国石油信息化管理［Ｍ］．北　京：石油工业出版社，２００８年．　长的时间内困扰数字油田的发展。而油气工业的各　种工作流程和不同领域活动所采用的技术与地下油　藏、油井生产监控和地面控制系统的数据流整合在　一［２］　李大伟．对中国石油专业应用软件的现状分　析与发展思考［Ｊ］．石油工业计算机应用，　ｒ【ｒｌ　ｒＬ　ｒＬ起更是一个极大的挑战。　　２００８年，１６（４）：３　２—５．　］　］４　　］５　　６　］　Ａ１系统的协同工作环境建设是从油田业务的　（收稿日期：２０１０—１１～０２）　（上接第５ｌ页）须的骨骼外通常还需要其他修饰元　Ｓｏｆｔ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ・—Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｍａｎ・・　ｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，Ｌｏｎｄｏｎ，１９９９：９９一ｌｌ８．　素，例如边界、浮点花纹等。设计师可以通过本系统　辅助部分将用ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ等图形处理软件处理好的　修饰图案导入本系统，然后通过复制、旋转、缩放、对　称等操作装饰到纹样中从而得到一个完整的边框纹　ＢＩＬＥＳ　Ｊ．Ａ．ＧｅｎＪａｍ．ａ　ｇｅｎｅｔｉｃ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　ｊａｚｚ　ｓｏｌｏｓ［ｃ］．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｍｕｓｉｃ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，　样，最后根据实际需要组装成完整边框图案。设计　系统运行界面如图３所示。　５结束语　ＡａｒｈＵＳ，Ｄｅｎｍａｒｋ，１９９４：１３１—１３７．　Ｌｉｕ　Ｈｏｎｇ，ＴａｎｇＭ．Ｘ，ａｎｄ　Ｆｒａｚｅｒ　Ｊ．Ｈ．Ｓｕｐ—　ｐｏｒｔｉｎｇ　ｌｅａｒｎｉｎｇ　ｉｎ　ｓｈａｒｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　Ｅｎｇｉ－　ｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ，２００１，３２：２８５—２９３．　将进化计算的思想用于计算机辅助设计中，极　大地开阔了设计想象空间，为设计师们提供了丰富　的产品造型。本文在进化艺术的思想下对边框纹样　进行设计，不仅是在艺术性的开拓，也是对创新性的　廖琼，吴卫．传统图案中二方连续的形式语言　浅析［Ｊ］．艺术探索，２００８．４（２）：１２３—１２４．　赵岩，蒋高明．花边设计中“排列与组合”的　发展。利用文中所提方法生成的边框纹样可直接使　用于周边事物，例如广告牌边框、相册等，贴近生活。　参考文献：　妙用［Ｊ］．设计，２００８．　曾华军，张银奎等．机器学习［Ｍ］．北京：机　械工业出版社。２００２．１１．２６．　Ｂａｃｋ　Ｔ．Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｉｎ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃｅ：ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ，ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ　ｐｒｏ・　［１］　金国明，王峥．边框设计ＤＩＹ［Ｍ］．上海：上　海文艺出版社，２００２．０１．　ｇｒａｍｍｉｎｇ，ｇｅｎｅｔｉｃ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ［Ｍ］．Ｏｘｆｏｒｄ：　Ｏｘｆｏｒｄ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ，１９９６．　［２］　Ｂｅｎｔｌｅｙ　Ｐ．Ａｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ　ｄｅｓｉｇｎ　ｂｙ　ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　Ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　（收稿日期：２０１０—０９—２９）