【演算法】基礎行為的自組織|Self-Organizing | 20170924-20171227

前言

在流體當中，整個系統由大量大小几乎相等的質點緊密組合在一起，它不是「一個」，它既不是「物」也沒有「形」。在這樣一個系統中，每個點同時受到多個力疊加的影響，其位於某一個時刻的狀態是聚集、分散、組團還是分叉，都是無法預測與確定的 —— 準確來說，這些絕對的狀態與極點並不存在，而是和語言、時刻、幾何一樣，是將難以理解的現象主觀抽離概括、將信息進行「有限化」以便度量的人造概念，它們對於系統本身毫無意義——對於整個過程來說，它們不過是眾多轉瞬即逝的模糊狀態之一 —— 系統沒有終點，沒有目的，它就是系統自身，它既不是實體也不是點，而是充滿亂流的、疏鬆多孔的不均勻組織體，整個過程則是非線性的不可逆狀態。

正文

第一階段：從個體到集群

第一階段主要為基礎邏輯的編寫以及參數的微調

整個系統由一個循環組成

在每一個循環中，完成對點的移動、增殖與消減

GIF

這一套生長邏輯的核心在於，每當計算密度時，密度最大的幾乎分布在「內部」，密度最小，即生長的母體，則幾乎分布在「邊緣」，每當邊緣開始拉扯、生長，每個位置都會向著更「無序」的方向發展，邊緣的」分叉「總是朝著差異更大的方向擴張，直至疏鬆地「填滿」整個空間。即便是標準的幾何點陣，最終結果也會與其他點陣別無二致，因為整體的形態都是由個體的行為自發組織與生成的，無論是人的邏輯還是幾何的邏輯，對其而言都別無二致。

在整個流程中，不同的行為擔當了不同的角色：排斥，避免整體坍縮；吸引，確定生長的方向；生長，保證整體的發展；死亡，則維持相對均勻的密度。這幾種基本的行為構成了發展的幾條軸上的兩極，而整個系統正是在多極的相互抗衡之間的來回搖擺才得以曲折發展，而不至於陷入單極的靜滯。

GIF

GIF

在這樣一個系統中，被賦予到每個質點的兩三種基本行為在大量無法預測的疊加之後，便會呈現為複雜的集群行為，就像基礎符號在語法的組合之後便會成為足以表意的語言一樣,個體並不能做到什麼，而個體的集合卻擁有智能。基礎行為的吸引、排斥、生長、死亡決定了發展方式，其中力的大小、影響範圍、生長比率、死亡比率、密度篩選都是影響整個過程的重要因素，這些屬性處於一個微妙的平衡之中，只要出現不均衡便無法長久發展，細微的差別，都會導致宏觀上的明顯差異，可以說，有限的行為導致了無限的可能性，而明確的過程呈現為模糊的現象。

GIF

這一系統雖然從視覺形式上來看具有元胞自動機的特性，卻沒有通常元胞自動機（有限元）所具備的標準網格的限制，也沒有可供辨別的邊界，也無絕對意義上「相鄰-遠離」的概念，具有更高的與現實過程的相似性。其每次循環之後所反饋的結果，都是相對的、不均勻的結果，並進行下一次計算，質點間的距離與行為具備了更多的可能性與不確定性，正是在這種非網格背景下，「無限」與「混沌」才得以出現。

而這些分化在自然中都能夠找到不同的原型：苔蘚、細胞、結晶、液滴擴散、侵蝕，乃至人類城市的發展肌理，也頗有幾分相似。在這個方面來看，這些看似不同的生長類型，在不同的層級與尺度上都能找到貫穿全局的統一邏輯。

在初期階段，分別通過控制不同的變數如距離參數、力場屬性、初始點源、環境因素等等，探尋了數種不同的生長類型，形態上也迥然不同。

在不同的搜索半徑(S-R)與生長半徑(B-R)下，其他參數保持不變，產生的數種生長狀態

GIF

在不同的外來干預下，產生的不同組織方式

GIF

加入環境信息後，整個集群如蟻群一樣對周邊產生了避讓與吸附

GIF

將演算法納入到設計環節中，模擬自然擴展與領地分割

GIF

第二階段：從片段到軌跡

第二階段主要是對過程進行線性的記錄

並且通過參數的先後變化

使其在不同階段呈現為不同的組織方式

整個系統從相對一致、均勻發展的單一細胞集合體向組織分化發展

並藉此研究時間線上留下軌跡的區別與整體組織規律

1. 均勻生長，密度篩選百分比n%：10%

600次迭代，S-R:300,B-R:300

整體

局部細節

在第一組中，保留了基礎演算法的一切特徵，將迭代延長，並對每次迭代的信息加以記錄，最終將各個階段的數據壓平，得到一幅多層的軌跡圖。由於其無論是在時間上，還是在生長規則上，都沒有發生突變，故其結果也相對均勻。

2.不均勻生長，密度篩選百分比n%：20%~60%

400次迭代，S-R:300,B-R:300

密度圖

軌跡圖

與吸附

在第二組中，在生長的母體選擇上，密度的篩選百分比在中後段從最密的20%升至60%，造成了生長率的大大提高，位於邊緣的個體由於篩選範圍的擴大，其權重也趨於一致，於是呈現為較為均勻的擴展形式。

以上兩種不同的組織順序所分別導致的枝-葉分化都能在自然中找到參照，分別為珊瑚式擴展（左）與樹冠式擴展（右）

第三階段：從二維到三維

在相對二維的研究階段之後

開始考慮二維點源向三維發展的可能性

受到第二階段軌跡的啟發

發現了這一系統與大地肌理的聯繫

無論是過程還是結果，其組織形態與侵蝕地貌具有極高相似性

而這也成為了這一階段的切入點

通過密度排序，將密度較大的部分提高為脊線，密度較小的降低為谷線，再通過delaunay mesh 將點陣轉化為高低不平的形態。

以下為數種不同點陣所產生的不同結果

賦予簡單材質後

本身結構所擁有的肌理感便已足夠

以上為目前所有不同方向測試調整的結果，三個階段的探索到此為止

後記

這次的研究斷斷續續持續了三個多月，也算是將我很久以來期盼的一個目標實現了，最後也如願用到了設計的課題中並在此基礎上瘋狂地嘗試了不少分支，也算是把課題的流程加速迭代了好幾遍。這個演算法，即便依然有許多缺憾，尤其是後期運算效率非常低下（其實是古董電腦病入膏肓了……），不過到現在基本可以告一段落，再去在曾經的版本上糾結就顯得沒有必要了。

在這之前也做過一些不同方法的嘗試，既有物理模擬也有代碼，不過基本以失敗告終（大部分都是發展過於局限），歸根結底還是當初沒有把自組織的邏輯分解為最基礎的屬性，沒有清晰認識到自我發展的本質，編寫的東西要麼是單極化要麼是屬性之間的關係混亂不堪，基本都是不會自我更迭的「死」方法。後來倒是在誤打誤撞中用最簡單的方法完成了一件看似複雜的事。另外，在這之前，完美主義一直都是一個巨大的絆腳石，過分追求完美導致與一些殘缺但有趣的方向失之交臂，總是想「萬無一失再開始」，現在想想，僅憑大腦就要去揣測一個無法預測的系統究竟能不能用，還是太高估自己了吧。不過後來在不斷的實驗與試錯中，還是從這個怪圈中走了出來。

在對這個系統的不斷地修改與嘗試中，我越來越感覺到，或許「大道至簡」所指的大概就是這樣吧。當一個系統（System）、一套方法（Method）、一個設計（Design）可以自我發展，從場地與文化背景的邏輯中生長出來時，其內在聯繫的嚴密性性與豐富性便已經決定了其獨特之美 —— 一種自發的合理性。這樣的空間從虛擬落到現實之後，無需多餘的修飾就已經自成一體。從另一方面來看，當一個事物從冗雜的現實中被抽離為形而上的結構，喪失了本身的形象（材質、顏色、溫度……）之後，純粹的形式與內在邏輯便能轉譯為為空間的屬性——序列感、氛圍感、無形象性——主題被剝除了，角色與舞台也不再需要，調性也成為了多餘，其自身就是存在的理由，而來自於其中的，簡潔邏輯（層次、結構）的重複性（迭代、loop、波）與差異性（微差、振幅的變化）便足以令人產生共鳴，而音樂（電子）所具備的特性與演算法（非線性），以及建築（參數主義），在序列的規則上遙相呼應，而它們又將在何處會合呢？——這也許是後話了。

*部分參考圖片來自網路

感謝閱讀

不定期更新

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！