基于元胞自動機的裝飾圖案設計

袁芳 傅婧

摘 要：新的技術手段層出不窮，藝術與科學這兩門不同性質的學科之間互相滲透，使得當今的藝術進入了一個與科技結合的新時代。元胞自動機所產生的圖形錯綜復雜、富于表現力，設計者發現并捕捉到其美的形態，從而啟發設計思維，使更多美妙的圖案運用到設計中，來革新裝飾設計，無疑給人們帶來了一種嶄新的理念和審美思維，達到科學與藝術的融合。

關鍵詞：元胞自動機；裝飾圖案；設計

1 元胞自動機的產生與發展

元胞自動機，英文是Cellular Automaton，縮寫為CA。在此模型中，空間被一定形式的網格分割為許多單元，即元胞（cell）。在每個元胞或格點上賦予一定離散化的數值，以代表該點的狀態。離散的時間、各座的狀態同時一步步更新，狀態更新采取局域的規則，即每一步的下一步狀態的數值僅取決于該座近鄰及其本身此刻的數值。歸納起來，元胞自動機的主要特征有：第一，空間是離散的。第二，時間是離散的。第三，狀態取值是離散的。第四，演化的運算規則是局域的。元胞自動機可按其所在元胞空間的維數對其進行簡單分類：一維元胞自動機、二維元胞自動機、三維元胞自動機、高維元胞自動機。

2 元胞自動機的應用

元胞自動機自產生以來，被廣泛地應用到科學研究、經濟、軍事、社會和藝術的各個領域。

在信息學中，元胞自動機用于研究信息的保存、傳遞、擴散的過程。在社會學中，元胞自動機用于個人行為的社會性流行現象，如服裝流行色的形成研究、經濟危機的形成與爆發過程等。在生態學中，元胞自動機用于鯊魚-小魚、兔子-草等生態動態變化過程的模擬，展示出令人滿意的動態效果。另外，基于元胞自動機模型的生物群落的擴散模擬也是當前的一個應用熱點。生物學中，由于元胞自動機的設計思想本身就來源于生物學自繁殖的現象，因此它在生物學上的應用則更為自然且廣泛。例如，元胞自動機用于人類大腦的機理探索、腫瘤細胞的增長機理和過程模擬、艾滋病病毒HIV的感染過程以及最新流行的克隆技術的研究等。在物理學中，元胞自動機用來模擬雪花等枝晶的形成。另外，還應用于電場、磁場等模擬，以及機械波、熱擴散、熱傳導的模擬。在化學中，元胞自動機可用來通過模擬分子、原子等各種微觀粒子在化學反應中的相互作用，而研究化學反應的過程。在環境科學上，有人應用元胞自動機來對海上石油泄露后的油污擴散、廢氣的擴散、工廠周圍廢水等過程的模擬。在數學中，元胞自動機可用來研究并行計算和數論。在軍事科學中，元胞自動機模型可用來進行戰場的軍事作戰模擬提供對戰爭過程的理解。在服裝設計中，元胞自動機能產生復雜行為。在藝術圖案設計中，采用生成得復雜、漂亮的圖案，應用在如羊毛衫、掛毯等紡織生產領域的花形輔助設計上。

3 基于元胞自動機的裝飾圖案設計

數字藝術作為先進的科技手段的產物，在設計領域中的作用和地位日益顯著。在短短幾十年里，數字藝術設計的發展幾乎涉及了應用美術的各個領域：服裝設計、室內設計、工業設計、影視動畫、包裝裝潢等，即使在雕塑、版畫、油畫、壁畫等專業也能找到計算機的身影。數字藝術設計如此蓬勃的發展，既表現出了數字化技術對傳統方式的沖擊，也體現了科技與藝術的完美結合。李政道教授說過，“科學與藝術是不可分割的，就像一枚硬幣的兩面”，科技的發展為藝術創作提供了新的載體，同時也給我們帶來了全新的藝術創作手法和藝術語言。

裝飾圖案的創新要有時代感，具有新的時代氣息，不僅要符合人們生活狀況和物質享受，還要滿足現代人的審美情趣以及精神和文化上的需要，更重要的是要體現其個性的發展。隨著社會的發展和人民生活水平的提高，人們的生活方式和思維模式有了很大的改變，人們對裝飾設計的要求也進入了一個更高的層次，不但要求質量，而且求新求變，需要有新的血液促進它的發展和創新，在科技飛速發展的今天，裝飾技術要更多地引入其他學科來發展自己。

從古至今，人們從未停止過對美的追求，從舊石器時代的巖洞壁畫到新石器時代的彩陶，從初級的視覺感官到高級的審美理想境界，從外在美的追求到內涵型發展，都是人類審美意識不斷變化的體現。人類對美的追求伴隨著科技與藝術的交織，理性與感性的相互作用、互相融合，如今數字化的時代，新的審美理想也隨著時代的要求應運而生。

元胞自動機的圖形錯綜復雜、強烈的視覺表現力與張力極富裝飾性，無疑給我們帶來了一種全新的形象元素。如圖所示：

利用程序生成的一維元胞自動機示圖如下：

經過設計師配色后的一維元胞自動機裝飾圖案如下：

元胞自動機隨機生成的圖形豐富多變，這些是圖像數學計算的直接產物，所以它們也可以被看作是公式藝術。這些計算隨機生成的圖形、圖像，本身并沒有任何象征意義，卻具有的獨特美感，有些圖形具有很強的裝飾性，讓人眼前一亮，賞心悅目。如上圖所示：這些由電腦算出來的圖形，設計師發現并捕捉到其美的形態，稍加一些藝術的處理，就能夠得到一些嘆為觀止的藝術效果。獲得一種嶄新的視覺效果。

元胞自動機所生成的圖案體現了科學與藝術的融合，體現了數學與藝術審美上的統一。其使枯燥的數學表達了具體的感受，而不再僅僅是抽象的哲理；是一種藝術創作，不再僅僅是揭示一類存在，搭起了科學與藝術的橋梁。啟發裝飾設計思維，給人們帶來一種全新的審美理念與審美情趣。

參考文獻：

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