計算機重塑造物觀
——生成藝術的運算美學

谷 悅 李 碩

（清華大學美術學院,北京 100000）

公元前十五世紀，文藝復興時期偉大的科學家、藝術家、數學家達·芬奇的手稿中，繪制著大量的幾何圖形和數學公式；公元前六世紀，古希臘哲學家畢達哥拉斯學派用數的和諧來闡釋宇宙的美，提出美的本質即是數；荷蘭藝術家埃舍爾的科學思維充分地展示在其作品中，形象描繪了矛盾空間、悖論、循環、多面體、曲面幾何等概念。二十世紀后，“包豪斯設計學院”的成立成就了大批新時代的先鋒派藝術家，曾是包豪斯高才生的馬克思·比爾將數理模型引入到藝術創作中，比爾認為：數學是藝術的必要援助途徑，藝術家的心理世界需要通過數學規律而獲得相應的形式外衣。隨著計算機的出現，“數”更是無處不在而又無聲無形地改變著我們的衣、食、住、行，它可以無限復制、循環、迭代、升維，生成藝術、參數化設計、人工智能設計等應運而生，構建出信息世界的無限可能。計算機技術和傳播媒介的發展不斷推進和改變著藝術的生產模式，計算機生成藝術將美學、設計、數學、計算機科學、認知科學、哲學等緊密相連創造出富有強勁的視覺表達與交互動態的藝術作品。美國專業設計師協會AIGA聯合Adobe公司于2015年調研了2500名設計師與行業專家后指出：設計師需認識并利用工具與科技，未來的設計人才培養應向交叉性，融合性與多樣性發展。Alibaba Cloud Design設立創意工程設計師和數字體驗設計師需要設計師兼具設計美學知識與算法知識。

一、自然造物、人造物與計算機造物

1.自然造物的“律”與“美”

自然為孕育人類之母體，地球的變化、宇宙的運行、生態的演化，從生物基因到機械物理，乃至人的意識行為、精神、社會等均是自然的一部分，早在人類存在之前便已有了自然，自然造物是一種客觀存在，隨著時間推演，自然物也隨之不斷迭代變化。人們逐漸從自然界中發現了大量的數學與美學規律，開普勒（Johannes Kepler）指出了斐波那契數列在自然界中的存在，并用它來解釋某些花朵的花瓣數量。[1]1754年，查爾斯·邦內特（Charles Bonnet）觀察到植物的螺旋葉序經常以順時針和逆時針黃金比例系列表達。1917年，達西·溫特沃斯·湯普森出版了《成長與形式》，書中通過簡單的方程式描述了動物角和軟體動物殼的螺旋形生長方式，植物生長的數學關系也闡釋了自然界所蘊含的數列規律。[2]自然界中除了植物之外，很多自然景觀的形成均具有形式美感如圖1，例如：由于風力形成的新月形、圓頂形沙丘；蜜蜂筑建的用于日常生活與儲存花蜜的多邊形蜂巢；魚類、爬行動物等所受保護的骨皮或鱗片均為自然造物的美學典范，其構成性的語法與美妙的秩序給予人類源源不斷的創作靈感。[3]

圖1 自然界中的模式規律 圖片源自網絡

自然界所具有的復雜性和多樣性為人類帶來源源不斷的驚喜，英國科普作家菲利普·鮑爾在《Patterns in Nature》書中分析了大量自然界所存在的圖案，并通過科學嚴謹的分析指出了自然界所蘊含的結構和秩序。

2.人造物的演化與“數”的深化

人類對物質世界的改造源于對自然的探索、開采和取用的過程。最初，為了謀生，人對于物質世界的改造以制造工具為起點,在中國傳統文獻中也有大量對于造物活動的記載。《考工記》開篇“天有時、地有氣、材有美、工有巧”寫到了造物取材自然，與天地自然和諧統一的造物觀。明代后期宋應星所著《天工開物》中逐步搭建了最初人對于自然及規律的認知框架，“工”有“技巧”“人工”“科學技術”之意也反映了在中國傳統造物觀中對于生態科學思想。北宋時期李誡組織編寫的《營造法式》一書，高度融合工程、技術、藝術以及科學的思考，通過對于樣式、結構、功能樣式與力學分析等展現了中國古代的建筑技術。梁思成先生在《營造法式》注釋中將《法式》認為建筑設計規范手冊，在建筑比例權衡上有嚴謹的計算程式。由此，展現了中國古代造物活動中人們對于技術及科學思想的不斷深化。

自古以來，宗教與藝術便有著密切的關聯。宗教作為一種特殊的意識形態，是人們對于某個體系的共識和尊敬，是人類意識活動最早的形態之一。宗教信仰被定義為是某種超自然存在，用來抵御外界不可知的力量。從古至今的歐洲，宗教為人造物提供了精神源泉與信仰支撐，宗教為藝術創作與造物活動提供了大量題材和內容，并通過藝術進行宣揚和傳播，因此，早期的人造物活動多以圍繞傳播神學與宗教而展開。以古希臘為例，公元前六世紀，柏拉圖、蘇格拉底、歐幾里得的出現啟發了希臘人對于哲學、數學、科學與藝術的熱情。人們開始在科學與理性中探尋美的存在與價值。希臘的宗教追溯于對神靈的崇拜，奧林匹斯山的神族將古希臘神話中的精神性和自然性混合為神性。黑格爾在《精神現象學》書中將“神”定義為被人創造出的東西，是詩人、雕塑家、畫家等人希望傳遞給希臘民眾所呈現的神的形象。[4]在《美學講稿》中寫道：建筑是人類首次的嘗試，它給神以外在的實體。在希臘神廟中，帕特農神廟作為舉世聞名的完美建筑之一，其無論是整體造型或門窗間距幾乎完全接近0.618的黃金比例，使得整個建筑蘊含和諧的美感又極具幾何之張力如圖2。古希臘建筑所展示的美學價值很大程度上源于嚴謹的設計原則：將推導出的數學公式融入設計規范的制定，通過嚴格的比例約束來對空間進行整體的測量與分割。

圖2 帕特瓦農神廟 圖片源自網絡

隨著農耕文明向工業文明發展，大規模的機器生產代替了手工作坊，人類的造物活動開始以機械化和批量化生產為主，創造了大量亙古未有的發明創造，帶來了巨大的經濟增長和科學進步。然而，工業化所強調的高效和標準化保證了社會經濟正常、有序的發展，但也造成了產品生產的同質化現象、資源、能源浪費等。二十世紀后，西方各國進入了后工業時代，自然科學領域不斷涌現了新思潮，科學技術人才在科學技術領域中的重要性不斷增強，“信息”與人類生活息息相關。美國學者丹尼·貝爾在《后工業社會的來臨：對社會預測的一項探索》中寫道：“工業社會是一種技術型社會、信息社會和經濟社會。在這個社會里,制造讓位于科研,機器生產讓位于智力創造,工業時代的規模經濟模式被顯著弱化。”社會以創新為主要驅動力，經歷從生產范式向服務范式而轉化。人類的造物活動也更加多元，互聯網技術的發展使造物活動不再停留在實體層面，網絡構建，數字信息成了當今社會的重要組成部分。數字信息催生了新的文化形式，多媒體、新媒體、自媒體給大眾帶來了更多的信息獲取和傳播渠道，同時也強調了文化與科技的融合。

3.計算機重塑“造物”觀

在計算機歷史中，阿蘭·圖靈與馮·諾依曼兩位學科奠基人并稱為計算機之父。1936年，阿蘭·圖靈提出現代計算機原理,驗證了機器可以通過讀取代碼語言計算儲存在磁帶上的指令具有可編程性，完善了計算機模型并提出了“圖靈機”的概念，為現代計算機奠定理論模型。

1945年馮·諾依曼在“儲存程序通用電子計算機方案”中明確了電子計算機的主要邏輯線路，提出了在電子計算機運行中采用二進制算法。現代計算機將人類的可讀代碼和匯編語言的數據和指令編碼為二進制數字或位的序列，并允許內部存儲指令，是理論技術科學與博弈論的奠基者。概括來說，計算機“造物”原理是數的運算，運算器通過執行各類算數和邏輯運算來處理數據，通過輸出設備呈現結果。計算機造物相較傳統造物觀見表1，不受時間、地點、載體甚至空間的限制，形式也不再是固定的、靜止的，不同于工業時代固態、具體化的造物本質。

表1 傳統造物產品與數字信息產品特點對比

2021年Alibaba Design Week中，阿里云設計中心介紹了數字孿生系統，該項目獲得“2020第五屆中國設計智造大獎”金獎。數字孿生系統圍繞人、物、場進行觸點挖掘與設計，通過搭建三維仿真模型進行物理世界的數字化鏡像，建立數據聯動模型并將數據進行串聯，構建整體與要素、系統、環境間的相互關系（見圖3）。數字孿生系統通過數字建模、虛擬仿真與數據采集還原真實的物理環境，將物理世界中的空間結構與機器設備進行可視化呈現，數字孿生利用三維模型、計算機算法、傳感器技術等將空間、數據、信息等進行加工組織還原真實場景映射，實現了工業場景中資源的最優配置和異常問題的精準定位體現了計算機造物對于智能化生產制造、工程建設等的重要作用。

圖3 阿里云數字孿生系統 圖片源自網絡

由此可見，信息社會中計算機科學將技術與藝術，虛擬與現實相結合、儼然打破了“器”的藩籬，在虛擬性、非物質性、流動性中體現了設計之道。傳統的“天人合一”造物觀強調了“器”與“道”間的聯系，以器載道來傳達觀念和情感，而當下依托互聯網與計算機技術支持而不斷萌生的線上產品，突破了時空限制，極大程度上便捷了我們的生活。與此同時，信息社會中應運而生的代碼藝術、參數化設計、人工智能設計等也為設計創造帶來了無限的可能。

二、計算機生成藝術

1.計算機生成藝術原理與美學價值

1933年，美國數學家George D.Birkhoff出版的《Aesthetic Measure》書中首次提出了計算美學的概念。計算美學旨在研究現代技術協助藝術創作，生成新的藝術形式，探索藝術和美學在計算機科學領域中所發揮的作用和方式。[5]書中，Birkhof提出了審美值為秩序數與圖像元素總數之比，即秩序O和復雜度C，審美值M=O/C。這一公式從數的角度具體探討了影響美的因素以及具有怎樣度量的作品是符合美的標準的。

二十世紀六十年代中期開始，工程師與計算機科學家開始嘗試通過編寫計算機代碼來生成圖像。1968年8月，倫敦藝術學院主辦了“控制論的偶然性：計算機與藝術展覽（Cybernetic Serendipity）”談到了計算機藝術生成背后的隨機性，運用了數學與自然科學的概念，將審美表達看作是對信息的律動的分析與展示，試圖建立一種超越藝術與技術的通用語言。“偶然性”一詞描繪了計算機生成藝術的隨機特性，為藝術創作帶來了獨特性與意外的驚喜。展覽中藝術家與科學家通過計算機語言和控制機器創作了大量圖形、動畫和音樂。[6]從計算機生成藝術的原理和結構來看，生成藝術主張有序性的排列和復雜中的和諧與統一。正如貢布里希所提出的：“審美的快感來自對某種介于乏味和雜亂之間的圖案的觀賞。單調的圖案難以吸引人的注意力，而過于復雜的圖案則會加重人們的知覺系統而停止對它的觀賞。”而生成藝術通過科學的計算公式和算法計算生成形式結構雜而不亂，繁中有序，具有強烈的形式和結構美感。

2003年紐約大學Philip Galanter在論文《What is Generative Art?》中指出生成藝術是藝術家將藝術生成權交由系統，如一套自然語言指令、計算機程序、生物或化學過程、機器或其他程序設備而自主生成的藝術作品。[7]生成藝術原理指基于計算機的數字編碼，將二進制代碼形式的不同格式信息如文本、圖像、聲音進行儲存和處理的藝術創作。

代碼是世界通用的語言，也是信息社會中主要的原材料，通過編程語言可以構建更為嚴謹和智能的形態、運動、交互等。由此，計算機生成藝術中藝術家的創作材料和載體均發生了巨大改變。

安德斯·霍夫（Anders Hoff）是一位將圖案與計算相結合的生成藝術家，他從生物學、幾何數學、自然現象、建筑景觀中獲得靈感，利用算法創建附有形式美感的結構、肌理和圖案，不斷探索和模擬自然界和諧有趣的共生關系，安德斯·霍夫通過計算機算法搭建了自然與人工的橋梁。

圖4 Anders Hoff 生成藝術作品 圖片源自網絡

同樣，生成藝術應用領域廣泛，平面設計、服裝設計、建筑設計、工業產品設計等均可通過算法語言進行生成設計。例如建筑設計師邁克爾·漢斯邁耶（Michael Hansmeyer）通過算法結構加以藝術構思，模擬幾何結構中物質間的相互作用，展示了生化過程中的圖案形成以及地球地質與生態。[8]邁克爾表示他所做的工作不是在設計對象，而是在設計生成對象的過程，這個過程充滿著不確定性、趣味和突發奇想。

圖5 Michael Hansmeyer生成藝術作品 圖片源自網絡

生成藝術不同于傳統藝術的創作過程，可以將模仿、復制、創造、虛構有機結合，具有開放性、隨機性和可交互性的特征，有特定的美學價值。

（1）開放性

生成式藝術的實現通過代碼語言。2001年，MIT媒體實驗室設計并研發了processing程序語言，希望可以通過簡化的程序語言與人性化設計幫助非程序員進行數據可視化處理和視覺與交互藝術創作。

processing是一種開源編程語言，是JAVA語言的分支，它簡化了大量算法，可以使設計師與藝術家實現藝術與科學間的跨領域表達，豐富了電子藝術與視覺交互形式。設計師可以在GitHub庫中學習和調用現有的代碼，再根據自身需求進行修改調整，縮短了藝術創作的周期和成本。開源的編程語言可以使我們在進行藝術創作時站在巨人的肩膀上，通過前人已經寫好的程序模塊重新組合和優化，通過構思設計方案、借鑒優秀代碼、融合多媒介優勢（如音樂、光效等）創造出具有藝術價值的優秀作品。同時，開放的網絡代碼也為設計師、藝術家與程序員提供了便捷的技術溝通平臺。

（2）隨機性

隨機性是生成式藝術的重要特征之一，設計師和藝術家在進行構思的是程序語言的規則和邏輯，而生成結果往往難以預料，具有不可控性、隨機性與偶然性，這種不確定性的產生本身也構成了藝術創作。Philip Galanter表示:“藝術家可以直接或間接的通過計算機程序、語言規則、機器、其他發明物而產生出的相對自控性的藝術作品，這一過程本身即是藝術。”[9]如編程語言中的“random”函數一樣，在設計時賦予作品的是數值區間，每一次的程序運行所產生的圖像畫面均是不同的，對于作者來說是一種滿懷憧憬與期待的創作過程。

（3）交互性

生成藝術作品作為計算機技術與藝術結合的產物，常出現于美術館、展覽館等公共空間與商業空間中，需要利用綜合媒體進行技術創作。生成藝術的交互特性主要來源于兩方面：一方面是代碼的靈活性，觀眾可以通過自己更改部分參數參與到作品的設計當中，使藝術創作不再屬于少數藝術家，觀眾參與互動本身也構成了藝術創作；另一方面生成藝術的輸出通常結合各種傳感器與控制器如通過processing語言生成的作品可以通過Arduino（開源電子原型平臺）進行交互，也可連接如Kinect(微軟推出的體感設備)等外部傳感器與觀眾產生互動。例如UCCA“非物質/再物質：計算機藝術簡史”展覽中勞倫特·米尼奧諾與克利斯塔·佐梅雷爾的作品《昆蟲人》通過計算機藝術表現了人與自然的關系，當觀眾站在屏幕裝置前可以看到自己身體的輪廓出現在屏幕中，隨后人造昆蟲會聚攏而來，隨著觀眾不斷變化的肢體動作，棲息在觀眾的影像上的昆蟲輪廓圖案也在不斷變化，衍生出不同的形態。

生成藝術的互動性通過物理媒介驅動虛擬世界與真實世界的人與物進行交互，交互形式多樣：聽覺、視覺、觸覺、嗅覺、腦電波、意識流等都可以與作品進行直接的交流與互動[10]。

2.運算在美學活動中的運用

如保羅·費什維克所定義的“審美運算”所言，將藝術與運算這兩種人類活動中每一種的某些方面、技術和成果運用到另一種當中，使審美和運算進入一種辯證關系中，而程序與美學有著共同目標即打破傳統壁壘與邊界，這也表明了美學與運算需要共同合作。[11]在數字信息發展階段，人們致力于通過算法邏輯將大量的數據信息與抽象概念轉化可視化的信息呈現方式，使得用戶可以快速獲取并理解大量信息，如圖6。同時，生成圖形成了創意表達的新方式之一，拓展了新的藝術創作工具與形式。

圖6 設計師丹尼爾·貝克爾利用生成軟件生成的復雜信息的圖表

美學與運算是一個雙向機制，一方面，是將審美原則運用到非藝術之外的其他領域，思考審美能為其提供什么，另一方面，則是將運算法則運用到審美領域，如計算機藝術、新媒體藝術、交互設計等。[12]國際數學與計算美學協會主席萊頓認為：美學作為主要驅動力，助力于計算機中的程序組織有序運行。由于程序通常具有巨大而復雜的結構，其開發必須具有良好的組織原則，這樣才能夠被日后需要運用它們的程序員所閱讀、理解與修改。今天的計算機生成藝術的本質是通過代碼這種世界通用語言，將人類想象的世界進行模擬。計算機滿足了設計師的創新欲望，設計師也更加意識到作品創作不能僅通過單一的形式來表達，在藝術設計領域中，技術的集中正在顯著的發生。[13-14]

生成藝術作品可以基于運算法則和推理規則生成具有特定的藝術風格。例如，美國德克薩斯大學張康博士將康定斯基作品《構成第八號》(Composition VIII,1923)作為研究對象，從其作品中抽取代表性元素對該類元素進行參數化，并對參數設置隨機范圍，由此生成了具有康定斯基風格的繪畫作品，如圖7。[15]

圖7 張康利用計算機生成的康定斯基風格作品《構成第八號》

隨著人工智能的突飛猛進，新科技不斷挑戰人們對于傳統的認知及對于物理世界的已有概念，同時也解放了藝術家的思想，賦予其更多的創造力展示形式，激勵他們表現新的世界觀，構思未來設計可能。馬利納、威爾遜等人提及:越來越多的藝術家開始嘗試藝術的跨學科實驗，其領域已十分普及，遍布從納米技術到宏觀藝術，涉及多個學科領域，如物理、化學、生物、認知科學等，由此匯聚成為 “信息藝術”具有前瞻性與引領性。在未來，審美計算也最終會被納入更為廣闊的信息科學美學領域。

結語

文章對比分析了自然造物、人造物與計算機造物，總結了計算機造物生產的信息數字產品具有無形、動態、持續變化與開放的特點，開啟了新的“造物”旅程，重塑了造物觀：數學、自然科學與美學、藝術自古便有了緊密的聯系。如今的造物已不同于傳統的審美靜觀，藝術形式與造物范式已發生了巨大變化，生成藝術設計重新定義了藝術設計的創作方式和輸出形式，具有開放性、隨機性、交互性的特點，美學與運算的交融實現了“藝術”與“科學”的融合，二者互相滲透，推動信息、文化、科技產業的良性互動。然而，計算機生成藝術的發展并不表明計算機的“創作力”可以取代人的創造力，生成藝術的關鍵在于設計算法與規則，其終究是人類的智慧結晶，設計的自動生成能力僅是輔助藝術家和設計師更好地達成目標、表達內涵、提升效率。