生成式艺术和算法创作11-Boids, Flocks, Swarms

• 生成式艺术和算法创作01-概述
• 生成式艺术和算法创作02-随机和噪声
• 生成式艺术和算法创作03-混沌和分形
• 生成式艺术和算法创作04-规则系统
• 生成式艺术和算法创作05-Tessellation
• 生成式艺术和算法创作06-形状语法
• 生成式艺术和算法创作07-向自然致敬的 L-system
• 生成式艺术和算法创作08-马尔可夫模型
• 生成式艺术和算法创作09-人工智能体
• 生成式艺术和算法创作10-响应式智能体和智能架构

复杂系统（Complex systems，自组织系统）由许多部分组成，虽然每个单元的行为很简单，但整个系统的行为很复杂，并且在没有通用控制算法的情况下，从单元的集体行为中浮现出来——称为涌现（Emergence）现象。

例如在蚁群中，每只蚂蚁都以化学气味对来自幼虫、其他蚂蚁、入侵者、食物和废物堆积的刺激作出反应，并留下化学痕迹，这反过来又为其他蚂蚁提供刺激。每只蚂蚁都是一个自主单位，它的反应仅取决于其当地环境和遗传编码的规则。尽管缺乏集中决策，但蚁群表现出复杂的行为。

Boids

Boids 是由 Craig Reynolds 于1986 年开发的人工生命项目，模拟鸟类的群聚行为。

与大多数人工生命模拟一样，Boids 是涌现（emergent）行为的一个例子；也就是说，Boids 的复杂性源于各个智能体，它们遵循一系列简单规则的交互。最简单的 Boids 世界中的基础规则如下：

• 避免（Avoidance）：移开以免距离太近
• 模仿（Imitate）：以附近其他单元的平均方向/速度飞行
• 中心（Center）：朝向群体中心，最大限度地减少对外部的暴露

还可以添加更复杂的规则，例如避障和追求目标。

一个 Boid 单元的当前速度计算公式为：

其中， 和 是前后运动的速度向量；, , 是权重因子，分离权重大于仿效和凝聚权重；u 是动量因子。

Boids 是复杂系统的典型例子，由简单的智能体之间的响应式互动，通过局部空间配置或响应环境，产生了连贯的集体行为。每个智能体的行为都由行为规则之间的相互作用产生，多智能体系统的行为来自许多智能体与环境的交互。

第一部使用 Boids 制作的动画是 1987 年的 Breaking the Ice。随后在 Tim Burton 的电影「蝙蝠侠归来」（1992 年）中首次亮相大屏幕，用计算机生成的蝙蝠群和企鹅军队在高谭市街头游行。

Flocks

Flocking 是指一群鸟类在觅食或飞行时表现出来的行为。与鱼的浅滩（shoaling）行为，昆虫的蜂群（swarming）行为和陆地动物的群体（herd）行为有相似之处。用于模拟鸟类 flocking 行为的计算机模拟和数学模型，通常也可以应用于其他物种。

Flock 是大量自驱动智能体的集体运动，类似许多生物如鸟类、鱼类、细菌和昆虫的集体动物行为。它是由个体遵循的简单规则引起的涌现行为，不涉及任何中心式的调控。

Flocks 的规则跟 Boids 本质上其实是一样的：

• 分离（Separation）：在移动中避免距离其他 flock 单元太近
• 对齐（Alignment）：以附近其他 flock 单元的平均方向/速度飞行
• 内聚（Cohesion）：朝向群体平均位置（质心），最大限度地减少离群可能

Flocks 和 Boids 类似，因为可以模拟大量个体的群体行为，所以在很多领域都有应用，例如表示大量个体关系的数据可视化：

Moere A V (2004)

Swarms

群行行为（Swarm behaviour）、群行（Swarming）是一种集体动物行为，一群实体聚集在一起兜圈或朝特定方向行动。这是一个高度跨学科的主题，昆虫、鸟类、鱼类、水生动物、人与细菌都会出现 Swarms 行为。广义上来看，机器等无生命实体的集群行动也可以用 Swarms 描述。

Swarm 行为最初是 1986 年模拟 Boids 的仿真程序。无论是 Boids、Flocks 还是 Swarms，基础的规则都是：

• 朝着与邻居相同的方向前进（对齐区）
• 保持与邻居的关系（吸引区）
• 避免与邻居发生碰撞（排斥区）

为了深入了解动物为什么会进化出 Swarms 行为，科学家们已经转向模拟进化动物种群的进化模型。通常这些研究使用遗传算法来模拟许多代的进化。

Swarm 算法遵循拉格朗日方法或欧拉方法。欧拉方法将群体视为一个场，使用群体的密度并导出平均场属性。它是一种流体动力学方法，可用于模拟大型群体的整体动态。不过大多数模型使用拉格朗日方法，这是一种基于智能体的模型，遵循构成群体的各个智能体（点或粒子）。

在现代娱乐产业中，电影和游戏的人群、战争、动物集群等大场景越来越都借助于 Swarm computing 的方式来生成。

Swarm Art

Swarm Art 探讨与自组织、非消息驱动的交互和涌现等问题。 在 Swarm Art 中，群体或响应式智能体共同完成创造性任务。

Photogrowth 是 Penousal Machado 等人创作的一个进化系统，可以生成非真实的图像渲染。灵感来自蚁群方法的绘画算法，通过模拟在画布上行进的人工蚂蚁来产生新的渲染。蚂蚁的踪迹用连续的线条表示，就像画笔一样。所有痕迹的叠加和交织，以及它们在方向，宽度和颜色上的变化，都会从给定的图像中产生富有表现力的渲染。

Artificial Ants 一书的作者 Nicolas Monmarche 探讨了蚁群算法的进展和群体智能的新趋势，并用算法创作了一系列作品。

SwarmPainter 是一个 3D swarm 绘画程序，由 Christian Jacob 和 Gerald Hushlak 在 2004 年完成。

Casey Reas 是算法艺术的推动者，也是 Processing 社区早期的主要贡献者之一。

他阐述了用简单图形生成复杂作品的想法和实现方法：

An Element is a simple machine that is comprised of a Form and one or more Behaviors. A Process defines an environment for Elements and determines how the relationships between the Elements are visualized.

Antoine Schmitt 是法国艺术家，在他 2015 年的作品「战争」系列中，使用了算法模拟蚁群般的像素军队之间的战争。

伏击

死亡之吻

» War Antoine Schmitt

Ref

• Boids - Wikiwand
• Boids (Flocks, Herds, and Schools: a Distributed Behavioral Model)
• Flocking (behavior) - Wikiwand
• Swarm behaviour - Wikiwand
• Music boids – C L A I R E L O W
• Moere A V (2004). "Time-Varying Data Visualization Using Information Flocking Boids" (PDF). Proceedings of the IEEE Symposium on Information Visualization. pp. 97–104. doi:10.1109/INFVIS.2004.65.
• Photogrowth: Ant Painting « CDV Lab
• Artificial Ants: Nicolas Monmarché, Frédéric Guinand, Patrick Siarry: 9781848211940: Amazon.com: Books
• Home of SwarmArt
• SwarmPainter

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