首都師范大學 美術學院 孫福野
摘要：參數化設計發展至今，因其技術的優勢已經廣泛的應用在市場化設計項目之中，而“參數化設計”作為在數碼技術應用上普及而產生的一個術語，目前還沒有形成一個學術界公認的一般性概念定義，參數化的理論與參數化設計實踐之間的作用關系依然處于探索階段，沒有形成完善的理論架構。可見，參數化實踐的腳步已經邁在了理論的前面，當實際應用問題提出來以后又倒逼理論的發展；另一方面，在視覺設計應用中，參數化作為一種新生的創作方式也大大地豐富了視覺藝術的可能性。因此本文將對其概念進行嘗試性探索和對現有理論的梳理和總結，并舉例說明幾類圖案的繪制過程及參數化圖形樣式邏輯建構和預想。
關鍵詞：參數化設計 復雜性科學理論 圖形設計
中圖分類號：TB47 文獻標識碼：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、參數化設計概念釋義
（一）參數化概念釋義
什么是參數化設計？如果從字面含義來理解就是“參數”化了的設計活動，“參數”是一個變量，也叫參變量，其概念源于數學，是表明任何現象，設備或某種工作過程中的某一種重要性質的量。“參數”作為一種參變量，在系統中充當關系組織者角色，它描述系統中各個要素的組成關系和運作方式，決定了系統的變化規則;在一個動態或開放的系統中，這種參數的變化會改變系統的內在秩序，這種參數組織的關系早期源于拓撲學思想（拓撲學研究的是幾何形體在連續形變之下保持不變的性質），如此來理解“參數化設計”就是基于拓撲學思想的一種設計方法。然而，參數化發展至今，通過20多年的實踐，參數化得益于計算機輔助技術的發展和復雜性科學思想的影響，“參數化設計”這一詞匯有了更豐富的內涵和精神。
在建筑領域中，清華大學建筑學院徐衛國教授說：“參數化設計
是把影響建筑設計的多方面復雜因素作為設計過程中的前提并綜合考慮，最終以物質形態的方式來解決設計中問題的一些方法”[1] 。雖然在不同行業領域的參數化設計中其參數化對象因子不同，但參數化作為一種設計方法論和大量的計算機使用聯系在一起成為了大家的共識。參數化設計的思路與傳統設計不同，不再是先設定一個形態然后進行優化的過程，而是首先依照設計所要滿足的重要條件，用參數語言進行描述然后在計算機的運算下得出滿足條件的結果，然后在根據設計規則、美學判斷以及建造可行性等優化得出最終的設計結果，這種自下而上的設計思路為設計創作提供了更多的可能性。
（二）參數化設計的兩個方面
參數化設計包含兩個方面，一是參數化設計思維，二是計算機輔助參數化設計技術。參數化設計思維在設計過程中要先行于計算機輔助設計，是一種將更多的設計因素參與到方案的利弊權衡中來，從而可能成為一種可以將多學科知識聯系到一起的媒介，成為能將這些知識創造性地轉化成全新的設計方法。參數化設計思維源于復雜性科學理論，其背后支撐是包括數學，幾何學，計算機，生物學，物理學，地理學等的龐大繁雜的自然科學庫，正是運用這些知識將設計向所預想的有利方向的推進是參數化設計思維的精髓所在。
計算機輔助設計是在計算機硬件和軟件的支撐下，通過對設計對象的描述、造型、系統分析、優化、仿真和圖形處理的研究，使計算機輔助設計師完成產品的全部設計過程，最后輸出滿意的設計結果和產品圖形，計算機輔助設計在參數化設計中充當設計工具的角色。在設計學范疇下，參數化設計在在宏觀上看是一種設計思維方式的運用，而今在微觀上看它又更多地表現為一種計算機輔助設計實現的一種手段（計算機本身就是宏觀上參數化的產物）。數碼化設計是指在計算機輔助應用下用數碼的方式來體現設計結果的方法。參數化設計與數碼化設計都可能運用到計算機輔助設計，而兩者的不同之處在于參數化設計應用到的軟件技術能夠凸顯參數化思維的巧妙特質，而不是單純的數字化呈現。
如此可見，概括來說參數化設計就是在復雜性思想和計算機輔助設計下進行的設計活動。
二、參數化設計的理論淵源
參數化設計廣泛的應用在前沿的設計項目中，解決了眾多設計難題并不斷彌補還原論思想下的科學應用，參數化設計之所以有如此強大的力量得益于復雜性科學理論和計算機技術的高速發展。
從歷史發展的角度看， 20世紀30-40年代，一般系統論，信息論，控制論“老三論”開始發跡。同時期世界上第一臺電子計算機誕生；60-70年代前后耗散結構理論，協同性，突變論“新三論”及一系列非線性理論相繼問世。同時期計算機輔助設計剛剛步入實用性階段；80-90年代混沌理論、分形學、超循環理論、孤立子理論為主的復雜性科學應運而生，1984年5月，在美國成立了專門從事復雜性科學的研究機構“圣塔菲研究所”。同時期參數化設計逐漸走人人們的視野。兩者在發展的階段性上存在一定的協同，相信這也并非偶然。
（一）復雜性科學理論是什么？德國學者克勞斯·邁因策爾在《復雜性中的思維—物質、精神和人類的復雜動力學》一書中指出：“復雜性科學是一種跨學科的方法論，它是用來解釋復雜系統中微觀元素的非線性相互作用造成的某些宏觀現象”[2] 可見復雜性科學不同于傳統的縱向型學科，而是以研究方法論來界定學科的性質，正如錢學森先生所說：“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方法處理的問題，都是復雜性問題，復雜巨系統就是這類問題”[3] 。復雜性科學以耗散結構理論、協同學、超循環理論、突變論、混沌理論、分形理論和元胞自動機理論為內核早期發展，至80年代中期之后，復雜性科學開始打破以前的學科界限，進行適應科學發展的綜合研究。從其研究范圍的廣博性和與以往研究方法的差異性，復雜性科學已然成為了以方法論為主導的群科學。
（二）復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。在設計中人們在不同的發展階段對自然的形態和內在規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、各種動植物的生態系統等，但與自然本身的復雜層度相比，望塵莫及。從形式上看，自然中所有的形態都是不規則形體，幾乎不存在純粹的歐氏幾何圖形；從系統性上來看，所有自然生態都是非平衡態，不可逆，不確定，不可用邏輯分析的系統。但是它們遵循自然法則，具有潛在的最優化和合理性，從這種意義上看，最合理的設計應該是追求最貼近自然的狀態，那么也逃不掉追隨自然界的復雜性。
（三）從簡單到復雜，從線性到非線性看來是人們認知發展的必然過程。1687年牛頓《自然哲學之數學原理》一書出版，奠定了近代線性科學的基礎，在接下來的兩個世紀里，人們依照線性的思路對規則的、確定的、平衡態的、可用邏輯分析的對象進行了不斷研究，建立了線性科學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系，那么人們就說他們是非線性關系。自然界中非線性現象隨處可見，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……等這類非正比關系都是非線性關系。非線性科學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：在數學中用牛頓迭代法解非線性方程，用動力學幾何化解決非線性動力學問題。面對諸多的非線性問題，人們逐漸意識到，非線性現象才是自然界的普遍現象，非線性更接近客觀事物的性質本身。線性系統不過是一部分簡單非線性系統在一定條件下的近似或簡化。“在非線性科學中，牛頓力學方程和統計力學法，線性隨機性方程和非線性確定方程可以有機結合起來，從而達到確定性和隨機性，決定論和非決定論高度的內在統一" [4] 這也正是信息時代下參數化設計的內在邏輯。
三、參數化在圖案設計中的應用邏輯
從理論上來說，參數化軟件可以實現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語言描述并不斷地逼近所設想的圖形，可能會有一種或多種參數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；第二種是在實現預想圖形的過程中，偶然的調整參數范圍或邏輯秩序時意外的產生更優圖形，這種收獲正是參數時代的必然產物；第三種是根據設計要求，設定參數結構和運算邏輯，然后讓計算機計算出最優解。
參數化圖形的生成邏輯就好像圍棋一樣，只依據最簡單的底層規則變化出無盡無窮的大千世界，在參數化的過程中，將所預想的圖形或構建邏輯選擇恰當的軟件及簡潔的構建方式是參數化軟件運用的技術核心，比如在視覺領域，Grasshopper、Apophysis、Ultra Fractal就是較為常用的參數化圖形制作軟件，Grasshopper比較擅長于制作幾何漸變圖形，點陣圖形及一些隨機圖形，Apophasis比較擅長于制作分形圖形和類似“火焰”的有機圖形。以下舉例說明幾類圖形的制作方法。
首先以Grasshopper為例，它是更多服務于建筑領域的一款基于Rhino平臺的一個插件，這款插件將復雜的程序算法打包成不同的電池圖標的運算器，創作者只要將不同性質、不同數據結構的運算器按照正確的邏輯結構組合連線，就可以進行參數化的設計操作。
案例一：在曲面上繪制隨機漸變圖案（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、有機圖形等圖形。
②在Rhino 操作界面中選擇“曲面上的內插點曲線”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 中曲線等分運算器將曲線等分成合適的段數以產生點陣（這些基點的間距可以根據設計需要設置為等相同、漸變或隨機等）。
⑤在Grasshopper 中用遷移運算器將圖元依次遷移到各個基點的法線平面，圖元到達指定基點后就變成了新的有獨立屬性的圖形，我們將這些新圖形稱之為實例圖形。
⑥在實例圖形之間彼此建立角度隨機旋轉關系、大小隨機漸變關系。在grasshopper中用搭建“角度隨機旋轉運算器組”如電池圖中的紫色組塊所示。
⑦在Grasshopper中用搭建“大小隨機漸變運算器組”如電池圖中的綠色組塊所示。并調整參數，直至圖形位置符合設計意圖。
⑧利用Grasshopper 中向量投影運算器將實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例圖形與曲面分割開來并刪除，然后導出文件即可（如圖2）。
此類在曲面上建構立體圖形的方法可以用于平面設計中的三維表現，例如在LOGO墻上表現不動角度漸變的LOGO底紋，也可以用這種立體構建的方式設計帶有豐富圖形三維的裝置（如圖3）。
案例二：根據圖像的明度作為干擾數據制作立體點陣圖形（如圖4）。這一案例主要用到了點陣運算器、圖像采樣器、乘法運算器、圓形生成器、Z軸向量坐標運算器、移動運算器、邊界面生成運算器和數據拉桿輸入運算器。
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，再選擇圖像導入該運算器并選擇明度渠道。
②用點陣運算器輸出給圖像，將輸出端的數值通過乘法運算器調整至適宜的大小再輸入給圓的半徑，此時會出現（圖2）中的平面圖樣。
③用圓的輸出端和z軸向量運算器的輸出端輸入給移動運算器，再將移動運算器輸出給便捷生成運算器即可。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作為干擾因素作用于圖形邏輯的搭建，再進行藝術手法的處理就可以形成形式統一、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算器、穿越多點之間的區域線運算器為主，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）。
以上案例可以體現在Grasshopper中繪制如漸變圖形、干擾圖形、隨機圖形、迭代圖形等復雜的圖形的快捷和可控的特性。Grasshopper雖然
如此強大，但在分形圖形的創作中Apophysis軟件探索得更加深入。
Apophysis是一款運用IFS迭代函數系統通過改變編碼的參數來生成圖形的參數化軟件。創作者可以通過結合不同的函數與圖形的變化規律生成層次豐富、色彩絢麗、結構精美的圖形。
意大利女藝術家Chiara擅長制作分形藝術（Fractal Art），其中很多作品均是由Apophysis與Photoshop混合使用創作而來（如圖8、9）所示。
參數化圖形設計正在走出萌芽，走向成熟的進程中，毋庸置疑的是越來越多的參數化圖形將會用在更多的領域中，例如在書籍裝幀、海報招貼、廣告宣傳等印刷品的設計中，在裝飾畫、瓷磚圖形、壁紙等建筑裝飾的設計中，在網頁界面、UI設計、影視動畫等新媒體的設計中都會有廣泛的應用，尤其在防偽碼圖形的設計中參數化圖形更具有發展潛力，因為如果沒有原始的邏輯代碼和參數，相同的圖形是無法再現的。
參數化軟件憑借自身具有較強的迭代能力在快速的進化，它的應用邏輯會不斷復雜多元，單獨一位設計師不可能掌握所有的建構邏輯，但在設計師可以站在前人的肩膀上迅速的拿來使用。這就好像數字人像修整技術，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，隨著智能手機的崛起，在不到十年的時間里大量的人像修整APP開始出現，可以實現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在拍照的同時就自帶美顏功能。這樣的發展路徑將會在參數化軟件的發展歷程中再次出現，根據人們的設計圖形傾向算法將不斷改良，并一步步走向智能。
結語
參數化思維正在重新整合設計格局，計算機輔助系統也正在掀起一場設計革命，這股潮流中視覺設計工作者需要正確認識復雜性科學理論，不卑不亢地將參數化技術練成一把設計利器，以此去開啟設計的新面貌.
參考文獻
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