寫在前面

這本書是為小朋友編寫的，如果你不幸錯過了這個年紀也不要氣餒，因為我也是大學畢業才開始接觸Processing編程的，本書也適合零基礎的讀者學習。這個時代發展太快，每5～10年就會發生軟件技術與思想的變革，但我相信用代碼來實踐美學的這個新潮流不會退去。嘗試用寥寥幾行代碼來生成無限變化的畫面，是一件可以消磨一整個下午的趣事。看完這本書之后，你或將洞見大自然的數理奧秘，成為一個愛寫代碼的設計師。

這是一個美好的時代，因為我們可以很方便地獲取古今中外人類的知識寶藏；這又是一個充滿挑戰的時代，因為我們在有限的時間內只能窺探知識寶藏的零散片段，很難體會其中隱含的精妙樂趣。例如，你在人生的4個階段可能接觸4種看似無關的知識：小學數學中的直角三角形、初中物理中斜面上力的分解；大學數學中的線性代數與向量幾何；群論表示的經典力學。如果你偶然發現它們其實都在說一件事情，你可能會豁然開朗，開始領悟這些知識寶藏中的奧妙。生成藝術通過計算機編程來處理邏輯、數學、物理等問題，可以幫助我們發現知識點之間的潛在聯系。本書的一個愿望，或者說是生成藝術的一個愿望，就是讓大家做一做“大腦體操”，從原本分散的知識點中發現引人入勝的線索。

人們對美術的理解差別很大，不過大家似乎懶得把自己的觀點拿出來辯一辯。我們會在博物館看到工藝大師的刺繡名畫精美絕倫；在景區路邊看到藝人的素描人像惟妙惟肖；在風光攝影作品上看到藝術家的詩意境悠遠。這些美術形式都值得我們討論，但我覺得最重要的還是大人（自覺或不自覺地）灌輸給小朋友的美術理念。達芬奇小時候反復練習畫雞蛋，這個故事的中心思想是：要持之以恒、精益求精；要畫得像！我想這就是傳統的美術理念吧。本書很少談及美術思想，而是讓讀者體會用代碼繪圖的樂趣，使讀者自然而然地形成自己的品味和素養。

美術和編程，在人們以往的印象中是互不相干的兩件事。不管是在中小學還是在大學，文科、理科、藝術都是分開教學的。美術課往往注重技藝的培養，看重結果的呈現，很少觸及靈魂的拷問：繪畫是為了表現眼前所見，還是為了表達內心世界？美有沒有科學規律可循？最近的十幾年，生成藝術（generative art）的出現讓代碼與圖形之間的關系空前緊密，人們能夠直觀地看到數理邏輯與美術作品的關聯；而語法結構、隨機過程、動態系統、復分析等科學領域為生成藝術提供了廣闊的游戲場地，不斷衍生出令人驚異的精彩作品。

每個接觸過生成藝術的人或許都對它有不同的理解。程序員往往認為生成藝術只不過是用代碼來“寫”圖形；藝術家則傾向于把它看成一種新媒體藝術；也有科學家認為它可以建構自然現象。我們不妨提出兩類問題：①基于某種計算機編程語言，如何高效地通過編寫代碼來生成圖像？②在自然科學的視角下，計算機程序究竟能干什么，不能干什么？對于計算機程序能夠生成復雜現象這件事，蘇黎世聯邦理工學院的Ludger Hovestadt教授曾比喻：計算機程序向大自然（nature）喊話，大自然的回音使程序運行的結果呈現出大自然的復雜性。著名的例子有朱利亞集、de Jong吸引子、生命游戲等，它們的共同特點是代碼很短，但可以生成無限復雜的細節。

如今，Processing等工具讓生成藝術變得十分容易上手，但二維或三維圖形的編程工具并不局限于Processing。20世紀60年代的Sketchpad系統就考慮了圖形在計算機上的輸入和輸出。我最早用AutoCAD的LISP語言來制作幾何圖形；之后，Flash開始流行，大家發現它內置的ActionScript腳本語言直觀又好用；后來，基于Java語言的Processing以干凈的代碼風格和流暢的運行效果逐漸成為生成藝術的首選工具；此外還有基于C++的openFrameworks、基于Javascript的p5.js等；最近幾年，實時數據獲取、開源互動社區等新思潮日益凸顯，涌現出了Observable等新平臺。

雖然編程工具不斷變遷，但生成藝術的基本原理如同自然科學一樣經久不衰，如笛卡兒坐標系、邏輯運算、顏色理論等。生成藝術可以幫助人們推敲美術中的一些感覺問題。例如，與藍色相反的顏色是什么？你可能一時陷入沉思。在紅綠藍三原色的理論下，(0, 0, 255)表示藍色，即藍色成分是滿格，紅與綠的成分為0。那么“相反”的概念用數學方法表示為：(255, 255, 255)-(0, 0, 255)=(255, 255, 0)。計算結果中只有滿格的紅色與綠色成分，即黃色。也許你覺得橙色才與藍色相反，這就引出了一系列問題：每個人的感受是否有差異？主觀感覺與顏色科學哪個更可靠？不難看出，我們在談論生成藝術時，往往不是在講編程，而是在討論美術和人。

不可否認的是，生成藝術的技術、方法、價值觀與之前的所有美術形式都截然不同。例如，程序生成的動畫可以是永不重復的，這與循環播放一段動畫的情形完全不同。我們傾向于用盡量短的代碼來生成盡量復雜的畫面，這種“潔癖”類似物理學家追求用最簡潔的數學模型表達復雜的理論。同時，有人嘗試用代碼生成不可預知的效果，這與傳統的美術理念大相徑庭。此外，很多人喜歡“抄襲”別人的作品，并將其改寫成自己的版本，這個操作稱為fork（分支）。很多人還不太習慣這種開源的思維，但未來的生成藝術會越來越多地在這種共享文化中成長。

我所在的東南大學建筑學院是融合“設計——編程”的前驅。原南京工學院（即現在的東南大學）衛兆驥老師早在20世紀80年代，就在Apple II、IBM PC上進行了建筑設計的自動化編程，自主研發了CAD系統；20多年后，李飚老師在原有CAD實驗室的基礎上建立了建筑運算與應用研究所，把復雜系統科學、建筑設計、計算機算法結合起來，逐漸形成“生成設計”學科。近年來，東南大學建筑學院為了讓低年級學生盡早接觸“設計——編碼”思想，每年舉行“生成藝術”工作營。學生們釋放出空前的創造力，創造了不少精彩的作品，其中一小部分作品也呈現在本書中。

如果沒有衛兆驥、李飚、Ludger Hovestadt等領路人的超前探索，東南大學或許就不會率先在建筑學院開設“生成藝術”實驗課程。現在我決定把生成藝術介紹給更年輕的興趣愛好者，這就是編寫本書的緣由。本書能夠順利出版，首先要感謝東南大學建筑學院對本書的大力支持。除此之外，還要感謝唐芃、顧大慶等老師的巨大努力，他們使“生成藝術”成為一項受歡迎的課題，逐漸改變了大家將技術與美術分開理解的現狀；感謝所有參加“生成藝術”工作營的同學，他們的創意讓人難忘；感謝運算所的研究生助教們，他們為工作營做了大量工作；劉晨晰為本書繪制了所有插畫，期待以后我們能有更多合作。最后，感謝我的妻子賈亭立對我的默默支持，讓我可以順利完成本書。

華好
2021年6月28日