首都師范大學(xué) 美術(shù)學(xué)院 孫福野
摘要：參數(shù)化設(shè)計發(fā)展至今，因其技術(shù)的優(yōu)勢已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在市場化設(shè)計項目之中，而“參數(shù)化設(shè)計”作為在數(shù)碼技術(shù)應(yīng)用上普及而產(chǎn)生的一個術(shù)語，目前還沒有形成一個學(xué)術(shù)界公認(rèn)的一般性概念定義，參數(shù)化的理論與參數(shù)化設(shè)計實(shí)踐之間的作用關(guān)系依然處于探索階段，沒有形成完善的理論架構(gòu)?？梢姡?/span>參數(shù)化實(shí)踐的腳步已經(jīng)邁在了理論的前面，當(dāng)實(shí)際應(yīng)用問題提出來以后又倒逼理論的發(fā)展；另一方面，在視覺設(shè)計應(yīng)用中，參數(shù)化作為一種新生的創(chuàng)作方式也大大地豐富了視覺藝術(shù)的可能性。因此本文將對其概念進(jìn)行嘗試性探索和對現(xiàn)有理論的梳理和總結(jié)，并舉例說明幾類圖案的繪制過程及參數(shù)化圖形樣式邏輯建構(gòu)和預(yù)想。
關(guān)鍵詞：參數(shù)化設(shè)計 復(fù)雜性科學(xué)理論 圖形設(shè)計
中圖分類號：TB47 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
文章編號：1003-0069(2017)11-0050-03
Abstract：Parametric design development so far is because of Parametric design’s technical advantages， and parametric design has been widely used in market-oriented design projects. But "parametric design" as a term produced in the application of Digital Technology hasn’t form a definition that accepted by the Academia. The relationship between parametric theory and parametric design practice in a state of explore， hasn’t form a complete theoretical framework. In this way， parametric practice has developed fast than it’s theory， in another word， the problems find in parametric practice accelerate the development of parametric theory. Besides， parameterization as a new way of creation also greatly enriched the possibility of visual art in the visual application. Therefore， this paper will try to explore parametric design’s concept and summarize it’s theory， and illustrate the drawing process of different graphic pattern and the construction of parametric graphic pattern logic.
Keywords：Parametric design Intricate scientific theory Graphics design
一、參數(shù)化設(shè)計概念釋義
（一）參數(shù)化概念釋義
什么是參數(shù)化設(shè)計？如果從字面含義來理解就是“參數(shù)”化了的設(shè)計活動，“參數(shù)”是一個變量，也叫參變量，其概念源于數(shù)學(xué)，是表明任何現(xiàn)象，設(shè)備或某種工作過程中的某一種重要性質(zhì)的量?！皡?shù)”作為一種參變量，在系統(tǒng)中充當(dāng)關(guān)系組織者角色，它描述系統(tǒng)中各個要素的組成關(guān)系和運(yùn)作方式，決定了系統(tǒng)的變化規(guī)則;在一個動態(tài)或開放的系統(tǒng)中，這種參數(shù)的變化會改變系統(tǒng)的內(nèi)在秩序，這種參數(shù)組織的關(guān)系早期源于拓?fù)鋵W(xué)思想（拓?fù)鋵W(xué)研究的是幾何形體在連續(xù)形變之下保持不變的性質(zhì)），如此來理解“參數(shù)化設(shè)計”就是基于拓?fù)鋵W(xué)思想的一種設(shè)計方法。然而，參數(shù)化發(fā)展至今，通過20多年的實(shí)踐，參數(shù)化得益于計算機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展和復(fù)雜性科學(xué)思想的影響，“參數(shù)化設(shè)計”這一詞匯有了更豐富的內(nèi)涵和精神。
在建筑領(lǐng)域中，清華大學(xué)建筑學(xué)院徐衛(wèi)國教授說：“參數(shù)化設(shè)計
是把影響建筑設(shè)計的多方面復(fù)雜因素作為設(shè)計過程中的前提并綜合考慮，最終以物質(zhì)形態(tài)的方式來解決設(shè)計中問題的一些方法”[1] 。雖然在不同行業(yè)領(lǐng)域的參數(shù)化設(shè)計中其參數(shù)化對象因子不同，但參數(shù)化作為一種設(shè)計方法論和大量的計算機(jī)使用聯(lián)系在一起成為了大家的共識。參數(shù)化設(shè)計的思路與傳統(tǒng)設(shè)計不同，不再是先設(shè)定一個形態(tài)然后進(jìn)行優(yōu)化的過程，而是首先依照設(shè)計所要滿足的重要條件，用參數(shù)語言進(jìn)行描述然后在計算機(jī)的運(yùn)算下得出滿足條件的結(jié)果，然后在根據(jù)設(shè)計規(guī)則、美學(xué)判斷以及建造可行性等優(yōu)化得出最終的設(shè)計結(jié)果，這種自下而上的設(shè)計思路為設(shè)計創(chuàng)作提供了更多的可能性。
（二）參數(shù)化設(shè)計的兩個方面
參數(shù)化設(shè)計包含兩個方面，一是參數(shù)化設(shè)計思維，二是計算機(jī)輔助參數(shù)化設(shè)計技術(shù)。參數(shù)化設(shè)計思維在設(shè)計過程中要先行于計算機(jī)輔助設(shè)計，是一種將更多的設(shè)計因素參與到方案的利弊權(quán)衡中來，從而可能成為一種可以將多學(xué)科知識聯(lián)系到一起的媒介，成為能將這些知識創(chuàng)造性地轉(zhuǎn)化成全新的設(shè)計方法。參數(shù)化設(shè)計思維源于復(fù)雜性科學(xué)理論，其背后支撐是包括數(shù)學(xué)，幾何學(xué)，計算機(jī)，生物學(xué)，物理學(xué)，地理學(xué)等的龐大繁雜的自然科學(xué)庫，正是運(yùn)用這些知識將設(shè)計向所預(yù)想的有利方向的推進(jìn)是參數(shù)化設(shè)計思維的精髓所在。
計算機(jī)輔助設(shè)計是在計算機(jī)硬件和軟件的支撐下，通過對設(shè)計對象的描述、造型、系統(tǒng)分析、優(yōu)化、仿真和圖形處理的研究，使計算機(jī)輔助設(shè)計師完成產(chǎn)品的全部設(shè)計過程，最后輸出滿意的設(shè)計結(jié)果和產(chǎn)品圖形，計算機(jī)輔助設(shè)計在參數(shù)化設(shè)計中充當(dāng)設(shè)計工具的角色。在設(shè)計學(xué)范疇下，參數(shù)化設(shè)計在在宏觀上看是一種設(shè)計思維方式的運(yùn)用，而今在微觀上看它又更多地表現(xiàn)為一種計算機(jī)輔助設(shè)計實(shí)現(xiàn)的一種手段（計算機(jī)本身就是宏觀上參數(shù)化的產(chǎn)物）。數(shù)碼化設(shè)計是指在計算機(jī)輔助應(yīng)用下用數(shù)碼的方式來體現(xiàn)設(shè)計結(jié)果的方法。參數(shù)化設(shè)計與數(shù)碼化設(shè)計都可能運(yùn)用到計算機(jī)輔助設(shè)計，而兩者的不同之處在于參數(shù)化設(shè)計應(yīng)用到的軟件技術(shù)能夠凸顯參數(shù)化思維的巧妙特質(zhì)，而不是單純的數(shù)字化呈現(xiàn)。
如此可見，概括來說參數(shù)化設(shè)計就是在復(fù)雜性思想和計算機(jī)輔助設(shè)計下進(jìn)行的設(shè)計活動。
二、參數(shù)化設(shè)計的理論淵源
參數(shù)化設(shè)計廣泛的應(yīng)用在前沿的設(shè)計項目中，解決了眾多設(shè)計難題并不斷彌補(bǔ)還原論思想下的科學(xué)應(yīng)用，參數(shù)化設(shè)計之所以有如此強(qiáng)大的力量得益于復(fù)雜性科學(xué)理論和計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展。
從歷史發(fā)展的角度看， 20世紀(jì)30-40年代，一般系統(tǒng)論，信息論，控制論“老三論”開始發(fā)跡。同時期世界上第一臺電子計算機(jī)誕生；60-70年代前后耗散結(jié)構(gòu)理論，協(xié)同性，突變論“新三論”及一系列非線性理論相繼問世。同時期計算機(jī)輔助設(shè)計剛剛步入實(shí)用性階段；80-90年代混沌理論、分形學(xué)、超循環(huán)理論、孤立子理論為主的復(fù)雜性科學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，1984年5月，在美國成立了專門從事復(fù)雜性科學(xué)的研究機(jī)構(gòu)“圣塔菲研究所”。同時期參數(shù)化設(shè)計逐漸走人人們的視野。兩者在發(fā)展的階段性上存在一定的協(xié)同，相信這也并非偶然。
（一）復(fù)雜性科學(xué)理論是什么？德國學(xué)者克勞斯·邁因策爾在《復(fù)雜性中的思維—物質(zhì)、精神和人類的復(fù)雜動力學(xué)》一書中指出：“復(fù)雜性科學(xué)是一種跨學(xué)科的方法論，它是用來解釋復(fù)雜系統(tǒng)中微觀元素的非線性相互作用造成的某些宏觀現(xiàn)象”[2] 可見復(fù)雜性科學(xué)不同于傳統(tǒng)的縱向型學(xué)科，而是以研究方法論來界定學(xué)科的性質(zhì)，正如錢學(xué)森先生所說：“凡是不能用還原論處理或不宜用還原論方法處理的問題，而要用或宜用新的科學(xué)方法處理的問題，都是復(fù)雜性問題，復(fù)雜巨系統(tǒng)就是這類問題”[3] 。復(fù)雜性科學(xué)以耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)、超循環(huán)理論、突變論、混沌理論、分形理論和元胞自動機(jī)理論為內(nèi)核早期發(fā)展，至80年代中期之后，復(fù)雜性科學(xué)開始打破以前的學(xué)科界限，進(jìn)行適應(yīng)科學(xué)發(fā)展的綜合研究。從其研究范圍的廣博性和與以往研究方法的差異性，復(fù)雜性科學(xué)已然成為了以方法論為主導(dǎo)的群科學(xué)。
（二）復(fù)雜性源于人類對自然的崇尚，人類不斷探索自然，感受她的壯美和神秘。在設(shè)計中人們在不同的發(fā)展階段對自然的形態(tài)和內(nèi)在規(guī)律都有不同程度的效法，比如自然界中隨處可見的花草樹木、冰雪雨露、不斷演化的山川地貌、大江大海、城市系統(tǒng)、各種動植物的生態(tài)系統(tǒng)等，但與自然本身的復(fù)雜層度相比，望塵莫及。從形式上看，自然中所有的形態(tài)都是不規(guī)則形體，幾乎不存在純粹的歐氏幾何圖形；從系統(tǒng)性上來看，所有自然生態(tài)都是非平衡態(tài)，不可逆，不確定，不可用邏輯分析的系統(tǒng)。但是它們遵循自然法則，具有潛在的最優(yōu)化和合理性，從這種意義上看，最合理的設(shè)計應(yīng)該是追求最貼近自然的狀態(tài)，那么也逃不掉追隨自然界的復(fù)雜性。
（三）從簡單到復(fù)雜，從線性到非線性看來是人們認(rèn)知發(fā)展的必然過程。1687年牛頓《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》一書出版，奠定了近代線性科學(xué)的基礎(chǔ)，在接下來的兩個世紀(jì)里，人們依照線性的思路對規(guī)則的、確定的、平衡態(tài)的、可用邏輯分析的對象進(jìn)行了不斷研究，建立了線性科學(xué)的理論體系卻忽略了非線性對象的研究。非線性是相對線性而言，如果自變量和因變量不具有成正比的關(guān)系，那么人們就說他們是非線性關(guān)系。自然界中非線性現(xiàn)象隨處可見，比如一個人身高的成長：3歲時的身高60cm，5歲時身高110cm，8歲時身高130cm，11歲時身高140cm，14歲時身高150cm，17歲時身高170cm，21歲時身高175cm……等這類非正比關(guān)系都是非線性關(guān)系。非線性科學(xué)沒有普適性的原理讓人們使用，更多的是具體問題具體分析，比如：在數(shù)學(xué)中用牛頓迭代法解非線性方程，用動力學(xué)幾何化解決非線性動力學(xué)問題。面對諸多的非線性問題，人們逐漸意識到，非線性現(xiàn)象才是自然界的普遍現(xiàn)象，非線性更接近客觀事物的性質(zhì)本身。線性系統(tǒng)不過是一部分簡單非線性系統(tǒng)在一定條件下的近似或簡化。“在非線性科學(xué)中，牛頓力學(xué)方程和統(tǒng)計力學(xué)法，線性隨機(jī)性方程和非線性確定方程可以有機(jī)結(jié)合起來，從而達(dá)到確定性和隨機(jī)性，決定論和非決定論高度的內(nèi)在統(tǒng)一" [4] 這也正是信息時代下參數(shù)化設(shè)計的內(nèi)在邏輯。
三、參數(shù)化在圖案設(shè)計中的應(yīng)用邏輯
從理論上來說，參數(shù)化軟件可以實(shí)現(xiàn)任何我們想要的圖形，而從操作思路上看有三種方法，第一種是直接用參數(shù)語言描述并不斷地逼近所設(shè)想的圖形，可能會有一種或多種參數(shù)邏輯都可以搭建出相同的圖樣，這就好像無論是用五筆輸入、拼音輸入或是手寫輸入都可以得到想要的文字；第二種是在實(shí)現(xiàn)預(yù)想圖形的過程中，偶然的調(diào)整參數(shù)范圍或邏輯秩序時意外的產(chǎn)生更優(yōu)圖形，這種收獲正是參數(shù)時代的必然產(chǎn)物；第三種是根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)定參數(shù)結(jié)構(gòu)和運(yùn)算邏輯，然后讓計算機(jī)計算出最優(yōu)解。
參數(shù)化圖形的生成邏輯就好像圍棋一樣，只依據(jù)最簡單的底層規(guī)則變化出無盡無窮的大千世界，在參數(shù)化的過程中，將所預(yù)想的圖形或構(gòu)建邏輯選擇恰當(dāng)?shù)能浖昂啙嵉臉?gòu)建方式是參數(shù)化軟件運(yùn)用的技術(shù)核心，比如在視覺領(lǐng)域，Grasshopper、Apophysis、Ultra Fractal就是較為常用的參數(shù)化圖形制作軟件，Grasshopper比較擅長于制作幾何漸變圖形，點(diǎn)陣圖形及一些隨機(jī)圖形，Apophasis比較擅長于制作分形圖形和類似“火焰”的有機(jī)圖形。以下舉例說明幾類圖形的制作方法。
首先以Grasshopper為例，它是更多服務(wù)于建筑領(lǐng)域的一款基于Rhino平臺的一個插件，這款插件將復(fù)雜的程序算法打包成不同的電池圖標(biāo)的運(yùn)算器，創(chuàng)作者只要將不同性質(zhì)、不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器按照正確的邏輯結(jié)構(gòu)組合連線，就可以進(jìn)行參數(shù)化的設(shè)計操作。
案例一：在曲面上繪制隨機(jī)漸變圖案（如圖1）。
①繪制做出洞型的圖元，這里的圖元是四葉草形，也可以把它替換成幾何圖形、有機(jī)圖形等圖形。
②在Rhino 操作界面中選擇“曲面上的內(nèi)插點(diǎn)曲線”命令在曲面上繪制基線。
③在Grasshopper 中用曲線在曲面上偏移運(yùn)算器，生成5 條等距的且貼合曲面的曲線。
④在Grasshopper 中曲線等分運(yùn)算器將曲線等分成合適的段數(shù)以產(chǎn)生點(diǎn)陣（這些基點(diǎn)的間距可以根據(jù)設(shè)計需要設(shè)置為等相同、漸變或隨機(jī)等）。
⑤在Grasshopper 中用遷移運(yùn)算器將圖元依次遷移到各個基點(diǎn)的法線平面，圖元到達(dá)指定基點(diǎn)后就變成了新的有獨(dú)立屬性的圖形，我們將這些新圖形稱之為實(shí)例圖形。
⑥在實(shí)例圖形之間彼此建立角度隨機(jī)旋轉(zhuǎn)關(guān)系、大小隨機(jī)漸變關(guān)系。在grasshopper中用搭建“角度隨機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)算器組”如電池圖中的紫色組塊所示。
⑦在Grasshopper中用搭建“大小隨機(jī)漸變運(yùn)算器組”如電池圖中的綠色組塊所示。并調(diào)整參數(shù)，直至圖形位置符合設(shè)計意圖。
⑧利用Grasshopper 中向量投影運(yùn)算器將實(shí)例圖形映射到曲面上，并將這些圖形烘焙到Rhino空間。
⑨在Rhino中用切割命令將這些實(shí)例圖形與曲面分割開來并刪除，然后導(dǎo)出文件即可（如圖2）。
此類在曲面上建構(gòu)立體圖形的方法可以用于平面設(shè)計中的三維表現(xiàn)，例如在LOGO墻上表現(xiàn)不動角度漸變的LOGO底紋，也可以用這種立體構(gòu)建的方式設(shè)計帶有豐富圖形三維的裝置（如圖3）。
案例二：根據(jù)圖像的明度作為干擾數(shù)據(jù)制作立體點(diǎn)陣圖形（如圖4）。這一案例主要用到了點(diǎn)陣運(yùn)算器、圖像采樣器、乘法運(yùn)算器、圓形生成器、Z軸向量坐標(biāo)運(yùn)算器、移動運(yùn)算器、邊界面生成運(yùn)算器和數(shù)據(jù)拉桿輸入運(yùn)算器。
在Grasshopper中操作步驟如下：
①在Params菜單中拉取圖像采樣器（Image Sampler）至操作界面，再選擇圖像導(dǎo)入該運(yùn)算器并選擇明度渠道。
②用點(diǎn)陣運(yùn)算器輸出給圖像，將輸出端的數(shù)值通過乘法運(yùn)算器調(diào)整至適宜的大小再輸入給圓的半徑，此時會出現(xiàn)（圖2）中的平面圖樣。
③用圓的輸出端和z軸向量運(yùn)算器的輸出端輸入給移動運(yùn)算器，再將移動運(yùn)算器輸出給便捷生成運(yùn)算器即可。程序全圖（如圖5）所示。
此類圖像采樣的方法可用于圖像的抽象化處理，提取圖像的明度或色彩參數(shù)作為干擾因素作用于圖形邏輯的搭建，再進(jìn)行藝術(shù)手法的處理就可以形成形式統(tǒng)一、自成秩序的圖形。
案例三：彩色線形“煙花燦爛”（如圖6）
這一案例以多色彩漸變運(yùn)算器、穿越多點(diǎn)之間的區(qū)域線運(yùn)算器為主，搭建了這個色彩豐富，線條流暢，過度均勻的線狀圖形。電池邏輯搭建（如圖7）。
以上案例可以體現(xiàn)在Grasshopper中繪制如漸變圖形、干擾圖形、隨機(jī)圖形、迭代圖形等復(fù)雜的圖形的快捷和可控的特性。Grasshopper雖然
如此強(qiáng)大，但在分形圖形的創(chuàng)作中Apophysis軟件探索得更加深入。
Apophysis是一款運(yùn)用IFS迭代函數(shù)系統(tǒng)通過改變編碼的參數(shù)來生成圖形的參數(shù)化軟件。創(chuàng)作者可以通過結(jié)合不同的函數(shù)與圖形的變化規(guī)律生成層次豐富、色彩絢麗、結(jié)構(gòu)精美的圖形。
意大利女藝術(shù)家Chiara擅長制作分形藝術(shù)（Fractal Art），其中很多作品均是由Apophysis與Photoshop混合使用創(chuàng)作而來（如圖8、9）所示。
參數(shù)化圖形設(shè)計正在走出萌芽，走向成熟的進(jìn)程中，毋庸置疑的是越來越多的參數(shù)化圖形將會用在更多的領(lǐng)域中，例如在書籍裝幀、海報招貼、廣告宣傳等印刷品的設(shè)計中，在裝飾畫、瓷磚圖形、壁紙等建筑裝飾的設(shè)計中，在網(wǎng)頁界面、UI設(shè)計、影視動畫等新媒體的設(shè)計中都會有廣泛的應(yīng)用，尤其在防偽碼圖形的設(shè)計中參數(shù)化圖形更具有發(fā)展?jié)摿Γ?/span>為如果沒有原始的邏輯代碼和參數(shù)，相同的圖形是無法再現(xiàn)的。
參數(shù)化軟件憑借自身具有較強(qiáng)的迭代能力在快速的進(jìn)化，它的應(yīng)用邏輯會不斷復(fù)雜多元，單獨(dú)一位設(shè)計師不可能掌握所有的建構(gòu)邏輯，但在設(shè)計師可以站在前人的肩膀上迅速的拿來使用。這就好像數(shù)字人像修整技術(shù)，在2000年左右，最暢銷的圖像編輯軟件photo剛剛被更多的人用于修整圖像，隨著智能手機(jī)的崛起，在不到十年的時間里大量的人像修整APP開始出現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)模式化的一鍵快速人像修整，時至今日，幾乎每一款智能手機(jī)在拍照的同時就自帶美顏功能。這樣的發(fā)展路徑將會在參數(shù)化軟件的發(fā)展歷程中再次出現(xiàn)，根據(jù)人們的設(shè)計圖形傾向算法將不斷改良，并一步步走向智能。
結(jié)語
參數(shù)化思維正在重新整合設(shè)計格局，計算機(jī)輔助系統(tǒng)也正在掀起一場設(shè)計革命，這股潮流中視覺設(shè)計工作者需要正確認(rèn)識復(fù)雜性科學(xué)理論，不卑不亢地將參數(shù)化技術(shù)練成一把設(shè)計利器，以此去開啟設(shè)計的新面貌.
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