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基于模糊控制理论的艺术装置创作研究

  • Update:2014-10-07
  • 王征
  • 来源: 《装饰》杂志第7期
内容摘要
当代数字艺术作品创作呈现出多种趋势,其中以技术创新与艺术表现相互融合为特征的作品已逐步登上国内外主流艺术展览的舞台,引人注目的是其中相当一部分既可以作为当代艺术作品,也可被归类为某种科学或技术研究的运用成果。本文介绍了部分此类作品,特别以作品“流”为案例,较为深入地剖析了如何将科学研究成果与艺术创作相结合的过程,有助于让更多的同行了解此类艺术作品的技术背景与内容。

关键词 :模糊控制、数字艺术、装置
一、技术类作品的解读
 
装置艺术已在国内众多双年展、三年展上频频亮相,其中大多属于观念类作品,需要观众能够在作者的语境下作出极具“思辨性”的解读。不过在众多展览中,偶尔才会碰到几件谈得上真正具备科技含量的“技术型”装置作品,这些作品能以其极具秩序感的视觉效果吸引观众的眼光。
 
近年来,在学科的交叉研究、跨领域合作的大背景下,技术类作品在国际艺术展览中频繁亮相,但遗憾的是这类作品却往往与国内艺术家无缘。仔细想来,这种强调复合型学科背景的作品正是注重动手能力与实践精神的国外教育体制造就的优势。国内过早的文理、艺术类的分科导致了这类复合型人才的严重匮乏。评价一件新媒体艺术装置作品,特别是这类运用前沿科技成果创新为创作手段的“技术型”作品,作品中所包含的作者掌握、运用前沿技术的能力也已经成为国际上评价该艺术家水平高低的重要指标。然而目前国内行家却屈指可数,因此这类作品在国内暂时处于边缘地带也就在情理之中了。
 
二、以控制技术为主的作品创作研究
 
“控制”一词在中文中涵盖颇广,此处则是指与数字艺术创作密不可分的自动控制技术。近几年国际上出现了一批与“控制”有着或多或少联系的作品,它们大多依靠步进马达来精确控制多个真实物体的位移,构成某种空间形态。各形态间极具秩序感的移动、变换呈现出人对事物所特有的控制力,这类作品展现的视觉共性甚至可以上升为机器美学。
 
《活动雕塑》可以算是德国宝马博物馆的镇馆之宝,馆内有一系列针对该作品的展项和局部展示。观众进入该作品空间后,目光将会被数百个不锈钢球体的运动所“牵引”,而这种现象符合现代格式塔心理学派[1] 对秩序的研究结论。“这一学派试图解释的一个主要问题是人类不顾以往的经验而是根据非延续的图形进行外推的倾向”[2]。这种对秩序的反应完全符合人类知觉的偏爱,更易于接受简单结构、直线、圆形以及其他的简单秩序。这类作品引人注目之处正是它在视觉上所表现的秩序,正是作品所带来的混乱与秩序之间的对照唤醒了观众的知觉。
 
 
1.Art+Com 展示设计公司,《活动雕塑》,2009 年,宝马博物馆主题展品,德国慕尼黑   
 
 
2. 王征,《音乐悬浮》,上海宝山国际民间艺术博览馆,2010 年,中国上海
 
作品的展示主体由钢丝绳悬挂着的数百个不锈钢几何球体组成。这些球体分别在数控步进电机精确的角度控制下,各自独立地舒缓移动并优雅地在展示空间中构成宝马品牌各个时代车型的抽象外形,这种形态上的变换、形与形间的过渡在视觉上形成了一个近乎苛刻的秩序规则,也展示出只有在数字技术支撑下的机械才能达到的如此完美的视觉标准。
 
2010 年上海世博会中国企业馆内最吸引眼球的大型展示活动《活力矩阵》也借鉴了《活动雕塑》的技术与创意,扩大了控制规模,而且结合了部分舞台表演来展示创作者的总体理念。
 
三、模糊控制理论在作品中的运用
 
在如今大规模生产的要求下,制造技术涉及大量的自动控制方法与理论。其中模糊控制是在难以取得满意数学模型的情况下相对成熟的控制方法。本文 以作品《流》为案例来探讨如何把模糊控制理论运用到艺术创作之中。
 
 
3 - 4. 王征、菲利普,《流》,2013 年 12 月,喜马拉雅美术馆(朱家角),中国上海
 
《流》是一件综合装置艺术作品,通过控制多个物体优雅的运动节奏形成视觉冲击。作品的背景声音来自墨尔本皇家理工大学(RMIT)的菲利普(Philip Samartzis)[3] 博士超过十年所采集的大自然中不同类型水流的声音,包括南极冰山、瀑布、水溪、河流等。在秩序化的球体运动与颜色转换间的淡入淡出及视觉与听觉的双重作用,表现出作者对大自然的美好向往。面对当今人类生存环境的日益恶化,作者以一种出世的态度通过现代化的方式及技术手段表达了类似“采菊东篱下,悠然见南山”的田园情怀。
 
从技术角度解析,该作品是在模糊控制理论的指导下,用计算机程序精确控制装置内的气流大小,让作品中的乒乓球实现漂浮的运动效果,从视觉上改变球体自身的材质属性,并从整体效果上呈现出“流”的漂浮韵律。
 
《流》的系统主要由以下硬件构成 :
1. 透明玻璃管。其高度控制在80 厘米,管内径为 4 厘米,管壁厚 0.5 厘米。
2. 乒乓球。乒乓球为量产产品,每个球体重为 2.7 克,直径 4 厘米。
3. 工业风机。选取 CPU 上使用的静音风扇,噪声控制在 35 分贝以下,同时使用稳压电源保证较平稳电压下能够得到较为标准的转速与风速。
4. 超声波距离传感器。使用Sharp 超声波距离传感器来得到球体高度的实时反馈数据,使整个装置形成一个闭环控制系统,从而可以更精确地控制球体的悬浮高度。
5. 嵌入式控制器。采用开源的Arduino 控制器,在写入控制程序后,可以实现预期的视觉效果。
6. 单元化、模数化的外观与结构设计。每个球体的控制好比一个“实体”像素,用户可以自行组建不同数量的单元,使不同数量的“实体”像素件构成空间造型成为可能,最终构成分辨率不一的真实三维空间中的实体展示系统。
 
四、控制思路
 
《流》的视觉呈现效果与控制水平的高低密切相关。这一类作品在控制上包括单体控制与整体控制。单体控制主要是依靠控制技术的准确性,整体控制则建立在以网络技术为基础的软件控制及解决同步化的机制问题上。
 
《流》的单体控制主要依靠超声波距离传感器实时获取球体在管内的位置,根据计算机指令控制工业风机转速后把球体吹到管内相应的位置,并使球体相对稳定地停留在指定位置。在作品整体展现效果的要求下,球体在各自管内位置上下“浮动”变换,形成最终的视觉效果。
 
作品的最初控制思路是希望借助一系列物理定律来推导球体高度与风力大小间的关系。根据球体的横截面积为 Sball、玻璃管内径大小等因素,使用伯努利方程可以实时得出管内球体所受的风力。但由于作品所涉及材料如玻璃管、球体的尺寸、重量等属性均存在较大误差,所以采用上述方法较难得到一个标准关系模型。因此模糊控制理论成为作品所采纳的主要控制方法,具体思路如下 :
 
1. 悬浮高度检测
根据作品的表现需求,球体行程为 0 到 0.8 米,再综合所使用球体的直径、管内径尺寸大小等因素,把球体实际高度与目标高度的距离差细分成多个级别 :从 -0.3 米、-0.2 米到 0.3 米,并用模糊语言来描述该距离差 :超低(HN4)、极低(HN3)、较低(HN1)到超高(HP4)共 9 个等级,并设置相应的预估概率。
 
2. 控制量隶属函数
控制量Ffan 是指工业风机风速,在本作品的设计中则转化为如下命题:风速由风扇电压的大小Ufan 决定,该电压由 Arduino 主板的模拟输出 PWM 端口提供,输出范围是 [0, 255],因此针对独立风机风量的控制量隶属函数是关于模糊距离差与电压间的关系函数。
 
3. 控制策略
根据球体实时的高度反馈数据及控制量隶属函数,设计相应的模糊控制策略具体如下 :
 
(1)若球体距离目标位置超低(HN4),则风力应超强(FP4);
(2)若球体距离目标位置极低(HN3),则风力应极强(FP3);
(3)若球体距离目标位置较低(HN2),则风力应较强(FP2);
(4)若球体距离目标位置稍低(HN1),则风力应稍强(FP1);
(5)若球体距离目标位置正中(H0),则风力应正好(F0);
(6)若球体距离目标位置稍高(HP1),则风力应稍弱(FN1);
(7)若球体距离目标位置较高(HP2),则风力应较弱(FN2);
(8)若球体距离目标位置极高(HP3),则风力应极弱(FN3);
(9)若球体距离目标位置超高(HP4),则风力应超弱(FN4)。
 
对上述规则达成模糊关系,最终得到完整的模糊控制策略矩阵。然后把控制量隶属函数相应数值代入,得到最终的模糊控制策略矩阵。
 
在作品的调试过程中,由于风机转速、管壁厚度、球体重量都存在或多或少的差异,因此在上述策略矩阵的基础上进行微调就可以基本实现每个装置中各管内球体的实时高度悬浮控制。作品视觉效果的整体呈现则需要符合作者的总体构思,根据空间造型要求把各球体高度通过网络信号(TCP/IP 协议)实时发送到各单元装置内的嵌入式控制器,最终实现整体的造型控制。
 
五、创作过程与技术融合
 
《流》的创作历经 5 年,其中也衍生出多个不同版本。作品最初是为 2009 英国利物浦国际艺术双年展组委会的一个活动项目所构思,但因资金、时间问题而未能最终实现。但该创意的雏形却被上海申通地铁公司看中,该作品的第一个版本被设计、制作出来并安放在上海地铁7 号线后滩站。原先的设计较为粗放,装置高度约为 2.5 米,长 20 米,是作为公共空间的电子互动装置而存在的。当时受限于采用 RS485 通信技术,整个装置的运行并不稳定。在升级为网络通信后,在上海宝山国际民间艺术博览馆中实现了更大规模、尺度的展示,但该版本并未加入可得到球体高度数据的传感器硬件,仅仅是视觉上的简单形式表现。经过两年多的改进与优化,特别是在结构中加入了超声波传感器,使整件作品形成闭环控制,同时引入模糊控制理论,最终以作品《流》再次呈现在观众面前。
 
作品本身融入了艺术人文气息的创意与构思,其创作过程探索出国内专业学术圈近些年经常探讨的技术与艺术如何融合的路径。在初创方向下寻找技术解决方案,二者相辅相成、相互协调,最终才能产生与作者创作预期较吻合的作品。
 
* 本课题得到北京交通大学基本科研业务费人文社科专项(A13JB00050)与上海大学美术学院院际项目的支持。
 
注释 :
[1] 现代格式塔心理学派把对秩序的这种反应作为主要的研究领域。
[2](英)E.H. 贡布里希 :《秩序感——装饰艺术的心理学研究》,范景中等译,湖南科学技术出版社,2005,第 127 页。
[3]PhillpSamartzis 博士,墨尔本皇家理工大学艺术学院副教授,从事声音艺术研究与创作。

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