硕士论文-基于进化计算技术的剪纸图案创新设计研究与实现.pdf

山东师范大学 硕士学位论文 基于进化计算技术的剪纸图案创新设计研究与实现 姓名：刘涛 申请学位级别：硕士 专业：计算机软件与理论 指导教师：刘弘 20090518 l J ! 东! j I j 范人学坝t j 学化论文 基于进化计算技术的剪纸图案创新设计研究与实现 摘要 随着计算机辅助设计技术的飞速发展，人们不仅把计算机作为一种实现设 计方案的可视化工具，同时已经开始将机器智能应用在设计工作中最为重要和 根本的概念设计阶段，激发设计者的灵感，设计出更加新颖和完善的产品。基 于进化计算的创新设计方法就是将人工智能中的进化计算技术应用到辅助设计 领域，这种方法是利用计算智能对现有产品进行改造，完善产品的外观、质量、 性能等指标，从而进一步满足用户的需求。随着进化计算技术的不断发展，利 用进化技术作为支持的产品创新概念设计方法，已经成为一种重要的辅助设计 方法。进化计算技术如遗传算法在创新设计领域的应用也成为近年来的研究热 点。 剪纸是中国古老的传统民I n J 艺术，它历史悠久，风格独特，深受国内外人 士所喜爱。它依靠设计者丰富的想象力和高度的概括力，抓住现实中最动人、 最能表达内容的形象，以虚实相生的手法剪出内部的图案线条，通过镂空对比 体现图案之美，同时在造型设计上采用夸张、变形的手法和简练的线条以及明 快的色调，创造出富有装饰性的艺术形象。随着社会的发展，剪纸已经发展成 一为一种民间工艺，在室内外装修、纺织品、服饰、广告设计、P O P 设计、包装 设计、书籍装帧等领域被广泛应用。但随着人们欣赏水平及审美观的逐渐提高， 如何创作出那种超越自然形态，超越客观逻辑的栩栩如生的剪纸造型，对设计 者的想象力、创造力提出了更高的要求。可以说，剪纸艺术发展到今天已不仅 仅是对传统的继承，而是更多地注入了设计的观点。用现代产品设计的眼光对 传统的剪纸艺术进行再思索、再创作，以充分体现中华民族几千年华夏文明和 深厚的文化内涵，这其中对创新性的要求不言而喻。 本文通过对剪纸图案设计过程的分析和研究，将进化计算技术应用到设计 过程中，提出了一种计算机辅助生成剪纸造型的新方法，并建立了一个智能化 剪纸图案C A D 系统，从而为设计人员丌拓思路、提高效率提供了支撑平台。本 文主要工作为： 1 将进化设计引入计算机辅助剪纸图案创新设计中。 利用计算机辅助设计思想，借助生物遗传进化的方法，将遗传算法、产品 特征树等技术应用于剪纸图案的概念设计阶段，以便于设计人员扣破惯性思维， 结合设计要求得到新颖且又能满足设计要求的创新图案，激发设计灵感。 2 提出了一种基于遗传算法的剪纸纹样生成算法。 通过对剪纸图案的分析和概括，抽象出构成剪纸所需的纹样，利用实数编 L ! 一东帅范人学坝l 掌f o 沦文 码遗传算法和基于双倍体结构的复数编码遗传算法生成大量灵活多变的纹样； 同时，在操作过程中，改进遗传策略，在适应度函数的选取：方面，通过对轮廓 曲线进行深入研究，引入均匀因子和平滑因子等；并根据编码方式的不同，对 交叉、变异等遗传操作进行改进，以提高生成种群的多样性，以此构造丰富多 彩的纹样库。 3 提出了一种基于产品特征树的剪纸纹样组装方案。 针对剪纸造型结构的特点，在标准遗传算法的基础上，把剪纸图案表示成 产品特征树形式，将遗传算法作用于特征树，采用基于树结构的遗传操作，实 现对纹样库中的各种纹样进行自动选取及组装，产生各种各样风格不同的剪纸 图案造型。 4 实现了一个智能化的剪纸图案创新C A D 系统。 根据计算机辅助剪纸创新设计过程，利用V C + + 6 0 及实体造型引擎A C I S 在 W I N D O W SX P 平台下构造了一个基于进化计算的剪纸图案创新设计C A D 模型。该 系统主要包括智能纹样生成、自动坌且装、人工修改及用户管理等部分，在可视 化环境下实现了纹样自动生成、组装等操作，并可根据需要对图案进行人工修 改。 关键词：进化计算；遗传算法；剪纸图案；创新设计；产品特征树 分类号：T P 3 9 1 7 2 山尔帅范人学坝I j 学位论文 R e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fc r e a t i v ed e s i g no fp a p e r c u t t i n gb a s e do ne v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o n A b s t r a c t W i t ht h eh i g h - s p e e dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r - a i d e dd e s i g nt e c h n o l o g y , p e o p l e n o to n l yu s ec o m p u t e ra sav i s u a lt o o lf o rt h ep r o d u c td e s i g n ，b u tb e g i nt oa p p l y m a c h i n ei n t e l l i g e n c et ot h em o s ti m p o r t a n ta n dp r i m a r yp r o c e s so fp r o d u c t c o n c e p t u a ld e s i g n ，w h i c hm a yi n s p i r et h ed e s i g n e r s t oc r e a t en e wp r o d u c t sw i t h m o r eo r i g i n a l i t ya n dh i g h e rq u a l i t y T h em e t h o do fc r e a t i v ed e s i g n ，b a s e do no b j e c t e v o l u t i o n a r y , r e f e r st oaC A Dt e c h n o l o g yw h i c ha p p l i e se v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o ni n a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c et o t h ef i e l do fc o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ，b yp e r f e c t i n gs u c h i n d i c a t o r sa st h ea p p e a r a n c e ，q u a l i t y , p e r f o r m a n c e ，e t c ，t oi m p r o v et h ep r e s e n t p r o d u c t ，f u r t h e rs a t i s f y i n gt h ec l i e n t s A st h et h e o r yo fe v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o n d e v e l o p s ，t h i sm e t h o dh a sb e e no n eo fm o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u e si nt h eC A D f i e l d T h u s ，c r e a t i v ed e s i g nb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h mw h i c hb e l o n g st ot h ee v o l u t i o n a r y c o m p u t a t i o nh a sb e e nap o p u l a rr e s e a r c hs p o t T h ep a p e rc u t t i n g ，o u rc o u n t r y St r a d i t i o n a la r t ，w i t hi t sl o n gh i s t o r ya sw e l la s t h eu n i q u es t y l e ，h a sw o nW a H l lp r a i s ef r o mp e o p l eh o m ea n da b r o a d R e l y i n go nt h e d e s i g n e r s r i c hi m a g i n a t i o na n d h ig hg e n e r a l i z a t i o na b i l i t y , s e i z i n gt h em o s tt o u c h i n g a n de x p r e s s i v e l yi m a g e si nr e a l i t y , u s i n gt h et e c h n i q u e so f t h et r u t ho rf a l s i t yt h e c o e x i s t e n c e ”t oc u tt h ei n t e r n a ll i n e so fp a t t e r n s ，p a p e rc u t t i n ge m b o d i e st h eb e a u t y o ft h ep a t t e r n sb yh o l l o w e d o u tc o m p a r i s o n ，a n dc r e m e dt h ed e c o r a t i v ei m a g e s t h r o u g ht h et e c h n i q u e so ft h ee x a g g e r a t i o na n dd e f o r m a t i o n ，s i m p l el i n e sa n dt h e l i v e l yc o l o r W i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e t y , p a p e rc u t t i n gh a sc o m ei n t oak i n d o ff o l ka r t ，a n di sb e i n gw i d e l yu s e di nt h ea r e ao fd e c o r a t i o ni n d o o ra n do u t d o o r , t e x t i l ep r o d u c t s ，t h ed r e s s ，a d v e r t i s e m e n td e s i g n i n g ，P O Pd e s i g n i n g ，p a c k a g e d e s i g n i n ga n db o o kd e c o r a t i o n W h i l e ，w i t ht h es t a n d a r do fp e o p l e Sa p p r e c i a t i o na s w e l la st h e i ra e s t h e t i ct a s t eg r a d u a l l yr a i s e d ，h o wt oc r e a t et h el i f e l i k ev a r i e t yo ft h e i m a g e sb e y o n dt h en a t u r a lf o r m sp o s e sg r e a tc h a l l e n g e t ot h ed e s i g n e r Si m a g i n a t i o n a n dc r e a t i v i t y I no t h e rw o r d s ，n o w , p a p e rc u t t i n gn o to n l yi n h e r i t st h et r a d i t i o n ，b u t a l s oi si m b u e dw i t ht h ev i e wo ft h ed e s i g n i n g I ta s k sf o rm o r ec r e a t i v i t yS Oa st o f u l l yr e p r e s e n ta n di n t e r p r e tt h eC h i n e s ec i v i l i z a t i o na n di t sp r o f o u n dc u l t u r e i n t e n s i o nt h r o u g hr e - t h i n k i n ga n dr e - c r e a t i n gw i t ht h ev i e wo ft h em o d e r np r o d u c t d e s i g n i n g 山尔帅范人学倾1 学位论艾 一_一-_-。“。_一 T h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dg e n e r a l i z a t i o no ft h ep a p e rc u t t i n g , t h ep a p e ra p p l i e s t h ee v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o nt Ot h ep r o c e s so ft h ed e s i g n ，i n t r o d u c e sac r e a t i v e d e s i g nm e t h o do fp a p e rc u t t i n gs u p p o r t i n ge v o l u t i o n ，a n dp r o v i d e s av i s u a l c o m p u t e r - a i d e dd e s i g ne n v i r o n m e n ts y s t e m T h em a i n w o r ki sa sf o l l o w s ： 1 A p p l yt h ee v o l u t i o n a r yd e s i g nt ot h ec o m p u t e r - a i d e dd e s i g no fp a p e rc u t t i n g - T h r o u g ht h et h o u g h to ft h ec o m p u t e r - a i d e dd e s i g na n dm e t h o do fe v o l u t i o n ，t h e p a p e ra p p l i e st h eg e n e t i ca l g o r i t h m s ，p r o d u c tt r e eb a s e df e a t u r e st ot h ep r o c e s s o ft h e c o n c e p t u a ld e s i g no ft h eP a p e rc u t t i n g ，i no r d e rt ob r e a ki n e r t i a lt h i n k i n ga n dg i v e t h ed e s i g n e ri n s p i r a t i o na n di m a g i n a t i o nt oc r e a t ei m a g e sw i t hm o r eo r i g i n a l i t y 2 I n t r o d u c eam e t h o do fg e n e r a t i n gp a t t e r n sb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m T h r o u g ht h ea n a l y s i sa n ds u m m a t i o no ft h ep a p e rc u t t i n g ，t h i sp a p e ra b s t r a c t s t h en e e d e dp a t t e r n sa n du s e st h eg e n e t i ca l g o r i t h mt og e n e r a t et h e m ，a n di m p r o v e s t h eg e n e t i cs t r a t e g y , i n c r e a s e st h em e a s u r e m e n to ft h eC H I V eu n i f o n n i t ya n d s m o o t h n e s so nt h ef o u n d i n go ft h ef i t n e s sf u n c t i o n ，i m p r o v e st h em e t h o do fc r o s s i n g a n dm u t a t i o nS O a st oe n l a r g et h ev a r i e t yo ft h ep o p u l a t i o na n df o u n dac o l o r f u l p a t t e r nb a n k 3 I n t r o d u c eam e t h o do fp a t t e r n sc o m b i n a t i o n sb a s e do nt h ep r o d u c t t r e e s T h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ep a p e rc u t t i n g Ss t r u c t u r e ，b a s e d o nt h es i m p l e g e n e t i ca l g o r i t h m ，t h ep a p e rr e p r e s e n t st h ep a p e rc u t t i n gu s i n gt h ep r o d u c tt r e eb a s e d f e a t u r e s ，a n da p p l i e st h eg e n e t i ca l g o r i t h mb a s e do nt h e t r e es t r u c t u r et ot h ep r o d u c t t r e e ，i no r d e rt os e l e c ta n dc o m b i n e st h ev a r i o u sp a t t e r n si nt h eb a n ka u t o m a t i c a l l yt o c r e a t ea l lk i n d so fd i f f e r e n ts t y l e so ft h ea r tp a t t e r n s 4 R e a l i z ea ni n t e l l i g e n tc r e a t i v ed e s i g n i n gs y s t e mo fp a p e rc u t t i n g A c c o r d i n g t ot h ep r o c e s so fc o m p u t e r - a i d e dd e s i g no fp a p e rc u t t i n g ，t h ep a p e r p r o v i d e s av i s u a l c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n e n v i r o n m e n ts y s t e mb a s e do nt h e e v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o n ，u s i n gt h eV C + + a n d A c i si nt h ep l a t f o r mo fW i n d o w sX P T h es y s t e mi n c l u d e st h ei n t e l l i g e n tp a t t e r ng e n e r a t i o n ，a u t o m a t i cc o m b i n a t i o n ， m a n u a lc h a n g i n ga n dt h em a n a g e m e n to fu s e r s I tc a nr e a l i z ep a t t e r ng e n e r a t i o na n d c o m b i n a t i o na u t o m a t i c a l l y , a n dm a ym a n u a l l yc h a n g et h ei m a g ea c c o r d i n gt ot h e a c t u a ln e e d si nt h ev i s u a le n v i r o n m e n t K e y w o r d s ：e v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o n ；g e n e t i ca l g o r i t h m ；p a p e rc u t t i n g ；c r e a t i v e d e s i g n ；p r o d u c tt r e eb a s e df e a t u r e s C ：l a s s i f i c a t i o n ：T P 3 9 1 7 2 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得( 注：如 没有其他需要特别声踢的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名： 叫殇 导师签字： 学位论文版权使用授权书 剔弘 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权堂撞可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在 解密后适用本授权书) 新繇嬲： 签字同期：2 0 0 夕年s 月，g H 参牙 莎 钒 瑚 剁 ； l J I 东| J i J 范人学坝I ：学位论文 第一章绪论 本章论述了课题的研究背景，介绍了进化计算的产生和发展，概述了创新 概念设计的研究现状和进化计算技术在创新设计中的主要应用，指明了本文的 主要工作和组织结构。 1 1 研究背景 1 1 1 剪纸的产生与发展 中国剪纸有着悠久的历史，至今已有两千年，它是广大劳动人民经过世世 代代积累而创造的文化结晶，是中华民族几千年历史积淀的产物。 剪纸，从字面上讲是用剪刀铰纸。若在一定审美观指导下剪成图样，专供 人们欣赏，则可称之谓“剪纸艺术”；也用特制的刻刀刻纸，其效果与剪纸大体 相同，都是在平面上镂刻花纹。传统的剪纸是一种乡土艺术，扎根于民间，是 劳动人民为满足自身的物质和精神生活需要而创造的。她不仅是美的欣赏品， 而且是我国民间文化的体现。可以说剪纸艺术自诞生以来，就没有中断过，她 流传面之广、数量之大、样式之多、基础之深比任何一种艺术都更加突出，充 分体现了中华民族五千年文化的博大精深。 改革开放以来，剪纸的发展面临着新的机遇和挑战。一方面由于外来文化 的影响，人们的审美情趣发生了变化，剪纸的民俗应用范围逐渐缩小，创作队 伍相应减少。因而民间剪纸的种类、质量和数量都有不同程度地下降；另一方 面，由于受世界先进的人文科学和优秀艺术成就的影响，民俗学重新崛起，传 统文化和民族艺术受到了重视和保护，民间剪纸受到外国艺人和专家的青睐， 古老的传统艺术得到了长足地发展，人们在不断的创新中发展起了现代剪纸艺 术，它与民间剪纸有着某种传承的关系，又与现代绘画艺术一脉相传。 1 2 剪纸的表现特征 剪纸来源于生活、附丽于生活，充实了生活。在现代社会中，剪纸仍然代 表着吉祥、喜庆，她集实用性与审美性于一体，将欣赏和娱乐寓于其中，随着 生活的剧烈变化，剪纸的现代特征表现得越来越明显。 1 剪纸应用的广泛化。现在，剪纸的发展变化大，题材宽，应用范围广。 剪纸本身也从单一画面发展成套画、组画、连环画、剪纸动画、儿章画等。在 邮票、服装设计、产品包装设计、商标广告、室内装潢、书籍装帧、报刊题花、 山东帅范人学坝I ：学住论爻 舞美、动画、影视等各方面得到广泛应用。 2 剪纸形式的多样化。随着剪纸的不断发展，从形式的单一到千姿百态， 在变异中求发展，用不同的材料来表现剪纸作品。如国画样式的剪纸、雕塑剪 纸、彩色喷绘剪纸、壁画剪纸等，磁性剪纸、磁贴画、立体剪纸、剪纸拼图等 也都是新的剪纸艺术形式，它们突破了剪纸艺术止于欣赏的界限，是一种艺术 品，更是另类的益智玩具。 3 剪纸的装饰性。通过在设计上融入现代工艺设计趣味，现在的剪纸延续 了它的装饰功能，与现代家庭室内装潢协调起来，具有时代性，那些高档和豪 华类型的剪纸不仅雕刻精致，而且有的细若发丝，曲若流水，千变万化，而且 以大红和金色的纸张为主要材料，配以彩纸衬托，艳丽多彩，愈显华贵。 4 剪纸的商业化。随着市场经济体制的不断完善，剪纸出现新的设计、制 作、销售体系，逐步形成商业剪纸专业化。商业剪纸分为旅游纪念品、礼品和 高档装饰框画三大部分，同其他高档工艺品一样进入商业精品区。 由此可见，随着不断地发展，如今的剪纸已经成为一种工艺，从过去的纯手 工操作发展到现在的批量生产及商品化。同时，随着社会的进步及生活的不断 提高，人们的欣赏水平及审美观念也在潜移默化地改变，开始由追求功能价值转 向审美价值的自我表现和评价认识。因此，如何创作出那种超越自然形态，超越 客观逻辑的栩栩如生的剪纸造型，丰富美化其外观形象，体现其内在的艺术价 值，对设计者的想象力、创造力提出了更高的要求。 剪纸艺术发展到今天已不仅仅是对传统的继承，而是更多地注入了设计的 观点。用现代产品设计的眼光对传统的剪纸艺术进行再思索、再创作，以充分 体现中华民族几千年的华夏文明和深厚的文化内涵，这其中对创新性的要求不 言而喻。 1 1 3 产品创新设计的概念及意义 设计作为人类改进生活条件的基本活动之一，其本质是创新。产品创新是市 场经济中企业生产过程的一个重要组成，它是为达到企业经营目标、创造具有市 场竞争优势的商品的过程，产品设计是产品创新的重要阶段，它决定性地影响 到后续的产品生产、市场开发以及企业经营战略目标的实现。 市场经济的发展加剧了产品竞争，当产品市场由卖方向买方转变时，产品的 功能已经不再是消费者决定是否购买的最主要因素，产品的创新性、外观造型的 亲和性、使用的宜人性等因素越来越受重视。而在产品设计过程中，产品创新性、 亲和性和宜人性表现最为集中和突出的阶段是产品概念设计阶段雎1 。因此，我们 必须将产品概念设计的研究提到一个新的高度。 概念设计是设计过程的早期阶段，其目标是获得产品的基本形式或形状。广 2 L i l 东帅池人学坝 。学位论爻 义上的概念设计包含了从产品的需求分析到进行详细设计之前的设计过程，包括 功能设计、原理设计、形状设计、布局设计和初步的结构设计。概念设计的各个 环节紧密相连，在设计过程中互相依赖，互为驱动。一般意义上的概念设计是指 在产品的功能和原理基本确定的情况下，产品外观造型的设计过程。这里说的概 念设计是指它的一般意义。 创新则是概念设计的灵魂。在概念设计阶段，由于对设计人员的约束相对较 少，因此具有较大的创新空间。然而，创新是建立在大量知识和信息的基础上的， 需要信息检索和整理、信息提取挖掘等。将概念设计的创新研究与计算机技术紧 密结合起来，利用人工智能技术等，提出多种面向创新的产品设计方法，对产品 的创新设计起到了很大的作用。 与此同时，随着计算机辅助设计技术的飞速发展，它不仅帮助设计人员从 繁重的体力劳动中解放出来，而且还能激发创作灵感，是获取全新的、非传统 设计程序和观点基础上的造型形态的有效手段，这为产品设计提供了一种创新 的新途径和新理念。这大致包括两个方面的情况，一是由于信息时代极其丰富 的设计素材不断地撞击着设计人员的心灵，成为设计者创作灵感的重要诱因， 一旦时机成熟，便可能导致一个新颖独特的创意。另一方面，很多设计人员都 有这样的经历，有时在电脑上一个不经意的动作或者操作可能会得到一个意外 的或许连软件发明者都意想不到的效果，然而它却正是我们求之不得的效果。 因此，人们不仅把计算机作为一种实现设计方案的可视化工具，同时已经 开始将其应用在设计工作中最为重要和根本的概念设计阶段，激发设计师的灵 感，以设计出更加新颖和完善的产品。而且，各种信息技术已经在计算机辅助 设计中得到全面应用，基于进化计算的创新设计方法就是将人工智能中的进化 计算技术应用到辅助设计领域。这种方法是利用计算智能对现有产品进行改造， 完善产品的外观、质量、性能等指标，从而进一步满足用户的需求。随着进化 计算技术的同趋发展，利用进化技术作为支持的产品概念创新设计方法，已经 成为一种重要的辅助设计方法。由此，进化计算技术如遗传算法在创新设计领 域的应用也成为了近年来的研究热点。 1 2 研究现状 1 2 1 进化计算的研究现状 进化计算( E v o l u t i o n a r yC o m p u t a t i o n ，简称E C ) 或进化算法( E v o l u t i o n a r y A l g o r i t h m ，简称E A ) 是一种借鉴生物界自然选择和进化机制发展起来的高度并 行、随机、自适应搜索算法。简单而言，它使用群体搜索技术，将种群代表一 组问题解，通过对当前种群施加选择、交叉和变异等一系列遗传操作，从而产 3 东师范人。二坝l j 学位论文 生新一代种群，并逐步使种群进化到包含近似最优解的状态。 目前正在研究的进化算法中，以遗传算法最有代表性，它是在2 0 世纪6 0 至7 0 年代由美国M c h i g a n 大学的J o h nH o l l a n d 教授等人提出的。他们试图从生 物在自然系统适应的复杂过程中寻求规律和解释，模拟生物在种群中的进化机 制来构造现实的系统模型。在此之前，已经有少数计算机科学家提出并进行了 所谓“人工进化”系统的研究，其目的是借用自然界中“优胜劣汰，适者生存” 的法则来解决许多工程中的优化问题。其中有些系统已经提出了种群 ( p o p u l a t i o n ) 、选择( s e l e c t i o n ) 和变异( m u t a t i o n ) 操作等概念。6 0 年代初，柏林 工业大学的I R e c h e n b e r g 和H E S c h e w e f e l 等人将生物变异的思想应用到了风洞 实验中，获得了良好的效果。同时期，L J F o g e l 等人将进化思想应用在有限自 动机( F i n i t eS t a t eM a c h i n e ，F S M ) 的研究中，取得了比较好的结果。 2 0 世纪6 0 年代中期，J o h nH o l l a n d 在前人研究的基础上提出了位串的编码 技术，加强了遗传操作的特性。在随后的著作“A d a p t a t i o ni nN a t u r a la n d A r t i f i c i a l S y s t e m s ”。”中正式提出了遗传算法。由于其通用的编码技术和简单有效的遗传 操作方法使得该算法被广泛应用到许多领域中。G r e f e n s t e t t e 开发了遗传算法软 件乜E N E S I S 1 ，使遗传算法得到进一步推广和普及。1 9 8 9 年? 美国伊利诺 大学的G o l d b e r g 的著作“G e n e t i cA l g o r i t h m si nS e a r c h ，O p t i m i z a t i o na n dM a c h i n e L e a m i n g ”瞄1 ，对遗传算法理论及其它领域的应用进行了全面的分析和阐述。 M i c h a l e w i c z 在19 9 2 年出版的著作“G e n e t i cA l g o r i t h m s + D a t aE 4 r u c t u r e s = E v o l u t i o nP r o g r a m s ”m 1 ，进一步推动了遗传算法在优化问题中的应用，以上都 是对遗传算法研究影响力非常大的经典著作。 2 0 世纪8 0 年代中期以来是遗传算法蓬勃发展的时期。以遗传算法、进化 计算为主题的多个国际会议在世界各地召开。很多学者对遗传算法的理论和应 用都作了深入地分析和研究。其中，G o l d b e r g 发表了一系列具有代表性的论文 T - 1 1 ，为遗传算法的研究做出了巨大贡献。 1 9 8 0 年以来，随着人们意识到传统人工智能方法的局限性和计算机速度的 大幅度提高以及并行计算的普及，遗传算法的计算速度瓶颈已经消失。遗传算 法在机器学习、过程控制、经济预测、工程优化等领域都取得了成功，并引起 了数学、物理学、化学、生物学、计算机科学、社会科学、经济学以及工程应 用等领域专家的极大兴趣。9 0 年代后人们比较注重遗传算法的一些基本问题， 很多研究者提出了改进的遗传算法。如协同进化算法的研究与应用刳；分散的、 并行的遗传算法的提出与发展n 3 6 ；自适应遗传算法的研究铂等等。 自从2 0 世纪9 0 年代以来，我国有关遗传算法和进化计算的研究一直处于 上升的时期，许多专著相继出版，尤其是近年来，相关应用已经在许多领域取 得了令人瞩目的成果，相关的专著和讨论网站也日益增多。 4 i j 身：| I I ：j 范人学坝 j 学位论义 由于遗传算法在应用研究方面的长处主要是在求解的有效性、可实现性、 可扩充性和易于与其他方法相结合，所以不难预见，随着相关理论研究的不断 深入和应用领域的不断拓广，遗传算法、进化计算将取得长足的发展。 1 2 2 创新概念设计的研究现状 产品设计可以分为两个阶段n 刚：概念设计( C o n c e p t u a lD e s i g n ) 阶段和构型设 计( C o n f i g u r a t i o nD e s i g n ) 阶段。概念设计阶段的主要任务是构思设计方案，从宏 观的角度出发对产品进行创造。构型阶段的任务是根据方案进行具体的产品设 计，是概念设计的延伸和实现。产品设计是一个非常复杂的过程，两个阶段相 互依赖又相互制约，是不可分割的两个部分。 概念设计阶段是整个设计过程的最首要阶段和最具有创新性的阶段，其概 念设计方案是一个产品设计的灵魂，决定了整体设计的基调和特点。其主要内 容包括产品规划、功能设计、结构方案等内容组成。由于设计行业由来已久， 概念设计具有非常广泛和深刻的内涵。P a h l 和B e i r z 在( ( E n g i n e e r i n gD e s i g n ) ) 一书中提到：“在明确任务之后，经过抽象化和拟定功能结构，寻求适当的作用 原理及其组合，确定基本的求解路径，得到求解方案，这部分的设计工作称为 概念设计”。 创新设计贯穿于整个设计阶段，其特点是运用创造力以及各种创造性方法 进行设计的创新思维活动。可以从不同角度描述创新设计，如使用新型技术、 方法、流程、材料等等，从而改进旧产品相对应的不足之处或者进一步改进旧 产品的各种特性，以满足人们新的需求。 创新概念设计一直是设计学中重要的研究课题n 引。目前的创新设计研究主 要针对产品创新原理、创新过程的描述模型和计算模型等建模技术的研究。以 往的创新方法如仿生法、智爆法、联想法、形象思维法等属于基于认知的方法， 现在丌始向基于系统的方向发展。尤其是利用机器模拟人类认知思维的方法推 动了创新设计的自动化，系统论和信息论的发展使创新设计智能化。其他方法 如优化设计技术、虚拟仿真设计技术、协同设计技术、虚拟制造技术等的发展 进一步促进了创新设计技术的发展。随着计算机辅助设计、人工智能、多媒体、 人机交互等技术理论和应用的进一步成熟，创新设计将朝着多元化、一体化的 方向发展，人机交互方式更加自然，创新设计的手段更为先进、有效心0 。 概念设计是一项对综合能力要求很高的技术。设计者不仅需要相关的设计 知识和经验，同时需要具备一定的观察力和创造力等多方面的条件。因为是一 种将产品从无到有产生出来的过程，所以是一种发明的过程，是整个设计过程 中最关键也是最困难的一步。创新设计在以往完全依赖人们的思维来进行，而 且到目前为止并没有一种技术或者系统可以代替人们进行类似的创造思维。但 5 山东帅北人学f 哦J j 学位论文 是通过对设计过程的分析，人们已经研究出可以借助机器间接或者部分代替人 脑进行设计的方法。 大量研究表明，在进行概念设计过程中最重要的参考和借鉴资料就是以往 的设计方案。人们通常是对以往的设计进行一方面或者多方面的改进，从而产 生新的设计方案以改善产品的外观、质量或者性能。基于这种特点人们将进化 计算技术应用于概念设计，使用智能计算的方法辅助进行创新设计，取得了非 常大的成功。 1 2 3 进化计算在创新概念设计中的应用现状 进化设计就是一种将进化计算用于计算机辅助概念设计的创新设计技 术，这是一种基于实例的设计方法，针对以往的设计实例进行变化、修改和完 善，所以这种方法在一定程度上可以增强设计的重用性，提高设计速度。 牛津大学的R i c h a r dD a w k i n s 在著作心胡中，展现了首个计算机进化程序 “B 1 i n dW a t c h m a k e r ”，用于模拟大自然的树群。B e n t l e y 在该领域作了非常深 入的研究瞳3 引，综合了众多研究成果，系统地揭示了利用遗传算法进行创新和 优化概念设计的思想，描述了进化设计的理论框架，提出了种利用遗传算法作 为核心的设计系统，并与造型技术相结合，用在汽车和椅子的仿制中比。K a r l S i m s 则首次将计算机辅助进化设计应用到了艺术领域比引，开辟了“进化艺术” 的新领域。意大利米兰工艺学院的C e l e s t i n oS o d d u 教授，利用计算机模拟技术 生成艺术品，如台灯，雕刻等，对进化计算在建筑设计、工业设计、艺术设计 和音乐创作的理论研究及应用作了深入的探讨心7 I 。悉尼大学的G e r o 教授，将 遗传算法应用于建筑平面图的设计啪1 。美国进化艺术家M i c h a e lW i t b r o c k ， S c o t tN e i l - R e i l l y 编有程序G e n e t i cA r t ，特点是由艺术家来决定进化设计 方向。英国的进化艺术家A n d r e wR o w b o t t o m 编有程序F o r m ，首次将进化设计 从二维图像发展到三维形体。S t e p h e nT o d d ，W i l l i a mL a t h a n 编有程序O r g a n i c A r t ，将进化艺术推向商业应用。M a t t h e wL e w iS 将进化模型应用于颜色合成、 卡通人脸生成、字体变换、健身器材以及汽车外形设计等领域，开发了多种交 互设计系统。此外，遗传算法还在优化布局瞳争3 订以及乐曲设计。世1 中得到应用。 香港理工大学设计学院院长J o h nF r a z e r 教授多年来致力于进化计算在设计 中应用的研究，成功地将遗传算法应用于建筑创新设计，生成了许多令人惊讶 而又富有灵感的建筑造型，在其著作。”中，首次提出并系统地描述了互动界面， 构件设计以及有机生长这三个问题在建筑设计方面的重要性。刘弘、刘希玉和 唐明晰教授在这个领域作了进一步的研究，研发了相关的开发环境口扣3 7 I 。浙江 大学的潘云鹤、孙守迁教授通过智能C A D 技术，创造性的解决了图案构图、色 彩描绘和草图设计等知识表达及实现方面的问题。琳1 ；另外，在面向产品的概念 6 山东! j f j 范人学坝I j 。孚f 一论文 设计方面，设计者们提出了产品基因的概念，并将其应用在仿生设计、产品信 息分类、功能模块划分及结构生长型创新设计等方面。坶3 ，收到了良好的效果， 目前，基于进化计算的创新概念设计已经成为最重要的设计技术之一。 1 3 本文的主要工作及组织结构 本文将进化计算技术应用于剪纸图案创新设计中，提出了一种计算机辅助 生成剪纸造型的新方法，并建立了一个智能化剪纸图案C A D 系统。主要工作如 下： 1 将进化设计引入计算机辅助剪纸图案创新设计中。 利用计算机辅助设计思想，借助生物遗传进化的方法，将遗传算法、产品 特征树等技术应用于剪纸图案的概念设计阶段，以便于设计人员打破惯性思维， 结合设计要求得到新颖且又能满足设计要求的创新图案，激发设计灵感。 2 提出了一种基于遗传算法的剪纸纹样生成算法。 通过对剪纸图案的分析和概括，抽象出构成剪纸所需的纹样，利用实数编 码遗传算法和基于双倍体结构的复数编码遗传算法生成大量灵活多变的纹样； 同时，在操作过程中，改进遗传策略，在适应度函数的选取方面，通过对轮廓 曲线进行深入研究，引入均匀因子和平滑因子等；并根据编码方式的不同，对 交叉、变异等遗传操作进行改进，以提高生成种群的多样性，以此构造丰富多 彩的纹样库。 3 提出了一种基于产品特征树的剪纸纹样组装方案。 针对剪纸造型结构的特点，在标准遗传算法的基础上，把剪纸图案表示成 产品特征树形式，将遗传算法作用于特征树，采用基于树结构的遗传操作，实现 对纹样库中的各种纹样进行自动选取及组装，产