基于元胞自动机的装饰图案设计

袁芳 傅婧

摘 要：新的技术手段层出不穷，艺术与科学这两门不同性质的学科之间互相渗透，使得当今的艺术进入了一个与科技结合的新时代。元胞自动机所产生的图形错综复杂、富于表现力，设计者发现并捕捉到其美的形态，从而启发设计思维，使更多美妙的图案运用到设计中，来革新装饰设计，无疑给人们带来了一种崭新的理念和审美思维，达到科学与艺术的融合。

关键词：元胞自动机；装饰图案；设计

1 元胞自动机的产生与发展

元胞自动机，英文是Cellular Automaton，缩写为CA。在此模型中，空间被一定形式的网格分割为许多单元，即元胞（cell）。在每个元胞或格点上赋予一定离散化的数值，以代表该点的状态。离散的时间、各座的状态同时一步步更新，状态更新采取局域的规则，即每一步的下一步状态的数值仅取决于该座近邻及其本身此刻的数值。归纳起来，元胞自动机的主要特征有：第一，空间是离散的。第二，时间是离散的。第三，状态取值是离散的。第四，演化的运算规则是局域的。元胞自动机可按其所在元胞空间的维数对其进行简单分类：一维元胞自动机、二维元胞自动机、三维元胞自动机、高维元胞自动机。

2 元胞自动机的应用

元胞自动机自产生以来，被广泛地应用到科学研究、经济、军事、社会和艺术的各个领域。

在信息学中，元胞自动机用于研究信息的保存、传递、扩散的过程。在社会学中，元胞自动机用于个人行为的社会性流行现象，如服装流行色的形成研究、经济危机的形成与爆发过程等。在生态学中，元胞自动机用于鲨鱼-小鱼、兔子-草等生态动态变化过程的模拟，展示出令人满意的动态效果。另外，基于元胞自动机模型的生物群落的扩散模拟也是当前的一个应用热点。生物学中，由于元胞自动机的设计思想本身就来源于生物学自繁殖的现象，因此它在生物学上的应用则更为自然且广泛。例如，元胞自动机用于人类大脑的机理探索、肿瘤细胞的增长机理和过程模拟、艾滋病病毒HIV的感染过程以及最新流行的克隆技术的研究等。在物理学中，元胞自动机用来模拟雪花等枝晶的形成。另外，还应用于电场、磁场等模拟，以及机械波、热扩散、热传导的模拟。在化学中，元胞自动机可用来通过模拟分子、原子等各种微观粒子在化学反应中的相互作用，而研究化学反应的过程。在环境科学上，有人应用元胞自动机来对海上石油泄露后的油污扩散、废气的扩散、工厂周围废水等过程的模拟。在数学中，元胞自动机可用来研究并行计算和数论。在军事科学中，元胞自动机模型可用来进行战场的军事作战模拟提供对战争过程的理解。在服装设计中，元胞自动机能产生复杂行为。在艺术图案设计中，采用生成得复杂、漂亮的图案，应用在如羊毛衫、挂毯等纺织生产领域的花形辅助设计上。

3 基于元胞自动机的装饰图案设计

数字艺术作为先进的科技手段的产物，在设计领域中的作用和地位日益显著。在短短几十年里，数字艺术设计的发展几乎涉及了应用美术的各个领域：服装设计、室内设计、工业设计、影视动画、包装装潢等，即使在雕塑、版画、油画、壁画等专业也能找到计算机的身影。数字艺术设计如此蓬勃的发展，既表现出了数字化技术对传统方式的冲击，也体现了科技与艺术的完美结合。李政道教授说过，“科学与艺术是不可分割的，就像一枚硬币的两面”，科技的发展为艺术创作提供了新的载体，同时也给我们带来了全新的艺术创作手法和艺术语言。

装饰图案的创新要有时代感，具有新的时代气息，不仅要符合人们生活状况和物质享受，还要满足现代人的审美情趣以及精神和文化上的需要，更重要的是要体现其个性的发展。随着社会的发展和人民生活水平的提高，人们的生活方式和思维模式有了很大的改变，人们对装饰设计的要求也进入了一个更高的层次，不但要求质量，而且求新求变，需要有新的血液促进它的发展和创新，在科技飞速发展的今天，装饰技术要更多地引入其他学科来发展自己。

从古至今，人们从未停止过对美的追求，从旧石器时代的岩洞壁画到新石器时代的彩陶，从初级的视觉感官到高级的审美理想境界，从外在美的追求到内涵型发展，都是人类审美意识不断变化的体现。人类对美的追求伴随着科技与艺术的交织，理性与感性的相互作用、互相融合，如今数字化的时代，新的审美理想也随着时代的要求应运而生。

元胞自动机的图形错综复杂、强烈的视觉表现力与张力极富装饰性，无疑给我们带来了一种全新的形象元素。如图所示：

利用程序生成的一维元胞自动机示图如下：

经过设计师配色后的一维元胞自动机装饰图案如下：

元胞自动机随机生成的图形丰富多变，这些是图像数学计算的直接产物，所以它们也可以被看作是公式艺术。这些计算随机生成的图形、图像，本身并没有任何象征意义，却具有的独特美感，有些图形具有很强的装饰性，让人眼前一亮，赏心悦目。如上图所示：这些由电脑算出来的图形，设计师发现并捕捉到其美的形态，稍加一些艺术的处理，就能够得到一些叹为观止的艺术效果。获得一种崭新的视觉效果。

元胞自动机所生成的图案体现了科学与艺术的融合，体现了数学与艺术审美上的统一。其使枯燥的数学表达了具体的感受，而不再仅仅是抽象的哲理；是一种艺术创作，不再仅仅是揭示一类存在，搭起了科学与艺术的桥梁。启发装饰设计思维，给人们带来一种全新的审美理念与审美情趣。

参考文献：

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[2] 李砚祖.纹样新探[J].北京：文艺研究，1992（06）.

[3] 王小艳.初等元胞自动机的演化复杂性研究[D].中国优秀硕士学位论文全文数据库，2008.