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基于自然科学的设计研究 ——以“藻”的设计为例

赵佳佳

2019-10-14

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本文段落精选

 

随着跨学科时代的到来,多元素、多领域在不断交融,自然科学与艺术融合而产生的艺术形式带来了持续的冲击与震撼。本课题以自然科学中的藻为主体,探索藻的形态并将这些理性的科学图像用感性的视觉图形表达出来,使受众对图形有更深的认知与解读;在沉浸式体验过程当中给予受众极强的感官体验与认知体验,带给受众乐趣与思考。

 

本文在探究科学图形视觉化的同时,结合沉浸式体验概念,对艺术设计作品进行再创作,提升整体作品的艺术形式感,达到多元素、多领域融合。

 

 

 

基于自然科学的设计研究

——以“藻”的设计为例

 

赵佳佳

南京艺术学院,南京,中国,210000

 

 

摘要:

自然科学与艺术创作是两面一体的关系,它们不可分割,相互交融,共同发展。随着跨学科研究的时代到来,科学与艺术的社会需求渐增、社会价值愈发重要。基于自然科学进行艺术创作,文章从两个方向进行探索:

1.以深海植物“藻”为主体对象,进行科学图形视觉化设计,从艺术设计的角度,探究图形创作可能性,由静态到动态、由二维到三维,不断尝试并深入设计。

2.分析沉浸式体验装置,总结规律,探究交互装置的特点,通过不同的新媒体交互科技技术,提升作品的艺术形式。

 

关键词:科学图形视觉化;沉浸式体验;自然科学设计.

 

一 绪言

1.1 探究的目的与意义

本课题的探究目的在于:以自然科学中的藻为主体,探索藻的形态并将这些理性的科学图像用感性的视觉图形表达出来,结合新媒体展示技术进行再创作。同时,在创作的过程中,将自然科学与艺术相互融合,探讨自然科学与艺术之间的奇妙关系,消除大多数人对科学知识枯燥的刻板印象,通过富有趣味性的视觉化设计,让参与者感受自然科学的存在,体会自然科学的生长,享受自然科学的美。

本课题的探究意义在于:通过对科学知识进行视觉化与艺术化的设计尝试,让生僻的科学信息传递给受众;通过新媒体展示方式,令受众以娱乐的方式接受科学知识概念;最终为设计师们在做此类科学主题设计时,提供相应的经验和参考借鉴。

 

1.2 国内外研究现状义

自然科学与艺术看起来貌似是两个独立的对象,但实则有所交集,正如法国文学家福楼拜所言:“艺术和科学在山麓分手,回头又在顶峰会聚”,它们的使命都是从絮乱的现象中梳理秩序并整合规律,对社会有绝对的价值贡献。

国外对自然科学与艺术研讨开始得较早,意大利著名学者达芬奇在其“人体解剖”(图1)的艺术创作中把科学和艺术的关系表现的淋漓尽致,表达了自己对自然科学精密构成的理解,即理性又感性,他在艺术创作中的对于焦点透视、力学等的研究也推动了自然科学的发展;美国艺术家Nathalie Miebach将自己习得的天文、生态、气象相关的具体理论数据通过艺术的手法,转换成趣味性极强的三维雕塑作品(图2),帮助人们理解气候的变化,更加得感性且直观。

我国学者对自然科学与艺术的探究也持续在进行,诺贝尔物理学获奖者李政道曾说:“艺术和科学是不可分割的,就像一枚硬币的两面” 。摄影师王小慧用超高倍显微镜进行拍摄,将虾壳拍出了极富美感的海天相连的画卷(图3上),把剪下来的指甲拍成了一副日式的水墨画(图3下)。国内外对自然科学与艺术的探究还在深入进行,作品也越来越有质的变化,相信随着不断的研讨,自然科学与艺术的研究成果会越来越丰厚。

 

      

图1 人体解剖  

 

图2  Fateful Rendezvous at Sable Island

 

 

图3  纳米摄影

 

1.3 研究的内容与方法

本课题的研究内容主要有三点:1.对自然科学对象“藻”进行探讨研究,了解藻的习性、门类、分布等,同时观测藻的形态,用不同的视角对藻进行剖析,归纳整理这些视觉图形,在资料搜寻的过程中发掘自然科学对象在艺术创作中的可能性,为图形视觉化做准备;2.对藻类图形进行视觉化创作,结合科学知识,让图形的创作也有理有据,运用三维软件C4D将视觉化的图形进行立体处理,在三维化过程中融合情感化设计,让创作图形更感性;3.在新媒体展现技术上进行探讨,以不同的交互设计形式对“藻”进行再创作,完整展示形式的同时,追求沉浸式体验,提升艺术形式。

研究的方式方法包括:

1. 文献查找法:于各图书馆中阅读并了解与“藻”相关的信息类书籍、科学实验性图形设计的书籍,通过网络途径(如维基百科)对“藻”进行科学知识性的资料搜寻;

2. 实地考察法:到水族馆进行实地考察,记录“藻”的真实生存环境;

3. 作品研究法;对部分科学与艺术交叉融合的作品进行剖析,探究其创作方式方法、展示技巧等。

 

二 自然科学对象的探究与创作

2.1  自然科学对象-藻

在大自然的孕育下,植物在不断的繁衍、生存,在所有的植物中最古老的属藻。从各类水产科学研究网、维基百科等相关网站信息资料总结所得:藻类植物由单细胞开始演变,现今有单细胞、群体和多细胞形态,但缺乏真正的根、茎、叶以及在其它高等植物上发现的组织构造(图4),它们以光合作用产生能量,现今被人类知晓的藻类已达3万多种。藻是非常重要的生态,它们主要在淡水或海水中生存(图5),同时也有部分布于潮湿的陆地上(图6)

 

       

图4  部分藻的构造

 

      

图5  海底藻类

 

    

图6  潮湿地段的藻

 

2.1.1藻的不同分门

由于藻类种类的繁多,自然科学的研究者们对藻进行了分类。William Henry Harvey凭据藻的色素将藻类分为四类:红藻门、褐藻门、绿藻门、矽藻门。也有学者根据藻的细胞核类型、细胞壁成份、载色体的形态结构、色素类型、有无鞭毛、分布位置、生活史类型等,将藻类分为甲藻门、金藻门、黄藻门、硅藻门、红藻门、绿藻门、蓝藻门、褐藻门共八类门。藻类的不同分门能够帮助人们理解藻对象,同时提供给设计者清晰的条理,可依据门类的分布来选取创作对象,做到整体。

2.1.2不同视角下的藻

藻的体型具有多样化,有单细胞、群体(由较多的单细胞聚集组合而成)和多细胞的丝状体及叶状体,譬如硅藻门的多数为单细胞(图7),黄藻门多为群体存在(图8),红藻门的凹顶藻属属于多细胞(图9)。从宏观视角,人们能够直接用肉眼观察到多细胞对象,它们较有规律性,附着于礁石或岩石上,形态呈叶状或丝状,人们也能够直接用肉眼看到群体藻,它们会生长在潮湿的枝干或石头上,也会浮游于水面处。从微观视角,藻的单细胞种类需要在显微镜下才能观测得到,它们的形态独特,无秩序地排列,通过环境的变化会增长、扩散、聚集等,有节奏感,更像一幅幅精美的图像。

 

    

图7  圆筛藻目

     

图8 黄藻门

    

图9 凹顶藻属

 

2.2  以藻类科学图形为主体的设计创作

随着自然科学于艺术的不断交叉发展,自然科学的影像图形越来越丰富,艺术创作的尝试也在不断进行。来自西班牙的圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔是一名病理学家、组织学家、神经科学家,他在专业研讨的过程中,将显微镜下的细胞形态通过手绘的形式表达出来(图10),他数千副手绘,也是他的极富实验性的艺术创作,后人以它的手绘作品为奠基,也进行了不一样的创新。

 

 

图10 圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔的手绘图形

 

 

2.2.1科学图形视觉化设计

通过的藻的分门信息梳理,个人依据藻的八个分门,选取藻的单细胞、群体、多细胞形态的图形,从宏观视角以及微观视角分析其最主要的形态结构及特点。对提取的十余个对象进行二维草图绘制,解析其影像图形,明晰其构成,抓住其最主要特点,寻找一定的规律和秩序,运用重复、旋转、扭曲、缩放、叠加等不同的手法,手绘初步草图。以蓝藻门中的念珠藻属为例(图11),蓝藻门中的念珠藻属呈圆球形态,但最主要的特点为其组合方式,是由一根根弯曲的藻丝组合而成,有明显的层理,排列紧密,有一定的起伏。依据念珠藻属的主要形态特性进行草图的绘制(图12),主要突出其富含密集且弯曲的藻丝这一特点,强化其特征,使用不规则重复和叠加的构成手法夸张地让藻丝更加的密集,将具备实验性质的念珠藻属重构,亦起到与其他藻属区分的效果。

 

 

图11念珠藻属

 

 

图12 手绘图形

 

2.2.2三维化表现形式

三维模型的建设远远比二维图形的设计来的更加有视觉冲击力、更加具备说服力、给人更加真实的直观效果,同时,三维设计本身所具备的各类数据能够使对象在空间中产生远近、虚实的关系,具有层次感(图13),能够提供多视角、多方向给参观者去观测设计对象,是二维图形设计中不可能做到的。将藻对象进行三维化建模,目的是让其效果更佳,同时也能够真切的展示在受众面前,让受众无需在显微镜下,就能够用肉眼真切的观察到单细胞藻类,更奇妙之处在于能看到显微镜下看不到的三维单细胞运动形态,二维转化三维的过程,也能发现不一样的新颖之处。在将红藻门中的角叉菜(图14)三维化的过程中,通过技术上的尝试,意外发现其叶状可有规律得往不同方向分布,利用此规律能够对模型对象调适到最特别的结果,对图形创作起到更精妙、精致的作用,对图形的设计形式有非常大的提升。

 

 

图13 胶体CG动画

 

 

图14 角叉菜三维模型

 

2.2.3情感化设计思路

美国的认知心理学家康纳德·A·诺曼在《情感化设计》中提出本能、行为和反思这三个层次的设计理念,深入分析艺术创作中的情感以及如何将情感融入到艺术创作中,当艺术创作作品能为受众带来情感,影响受众对作品内容的认知,就达到了一定的目的(图15)。将自然科学对象“藻”进行情感化设计,力求给受众新鲜感与神秘感,激发受众对其进行探索的心情。在本能水平设计层次,关注藻对象的视觉形态,通过图形、颜色和运动方式,塑造新颖的藻对象(图16);在行为水平设计层次,通过添设大场景的设计(图17),塑造海底的神秘感,给受众一眼即懂的海底世界及真实存在海底的感受,同时设计水母(图18)、水晶体(图19)等深海对象提升深海氛围,渲染神秘、奇妙的气息,通过藻对象的浮动、水母的游动以及相应设备辅助受众进行体验;在反思水平设计层次,希望受众能够对藻对象的有新的认知,享受自然科学的奇妙与美,也达到了普及自然科学知识的作用,满足观众对于情感化的心理需求。

 

 

图15 胶体CG动画

 

   

图16甲藻门

 

 

图17海底大场景

 

    

图18 水母

 

  

    

图19水晶体

 

三 关于作品呈现的探索——沉浸式交互方式

新媒体艺术伴随着新媒体技术的发展而出现,是一种全新的视听语言,冲破了传统的审美理念,存在极强的互动性,在艺术范畴的持续发展中具备重要的意义。新媒体交互展示技术的发展愈发向上,交互形式即方法种类也越来越多,触摸屏交互,人体感应交互、声音交互、虚拟现实交互等等,艺术创作者们追求趣味性体验、真实性感受。沉浸式体验方式也是现今新媒体艺术发展的潮流方向,通过新媒体技术使受众感受真实,沉浸在一个真实的虚拟世界中,集中受众的注意力在艺术作品上,并且及时给到反馈。沉浸式的概念也被称作心流理论(图20),即将一个人的精神及注意力集中到某一样对象或活动上,使人兴奋,并感到充实。米哈里·齐克森认为心流发生的特征有:是让人们精神专注的活动、会投入注意力的活动、有行为与意识合并的举动、有立即回馈的反应等,当心流发生,也就触发了沉浸式的体验。

 

 

图20  心流理论

 

3.1  互动装置艺术探索

互动装置艺术的发展由单纯而原始的指令性操作开始,建立在计算机软硬件平台上的人机交互,没有达到真正意义上的交互,但互动装置艺术在其中隐约出现;随着计算机技术的不断发展,许多新媒体艺术的作品以互动的形式出现,交互方式开始呈现出艺术化的一面;在学科相互交融的影响下,互动装置艺术出现多元素且跨领域学科融合的景象,沉浸式交互和界面式交互出现在大众眼前,并广受好评。随着时代的发展,数字艺术的强大,艺术家运用多媒体进行艺术创作已是一种时尚潮流,多学科融合发展是互动装置艺术发展的必然方向。

国内外对新媒体交互的探究与尝试愈来愈多,有愈来愈多优秀的新媒体作品进入人们的视线,被受众接受与喜爱,也被广泛运用到社会生活中。著名的互动装置艺术家Takahiro Matsuo和日本艺术家与建筑师Akihisa Hirata合作的的新媒体艺术作品《Gorgeous Deep Sea Room Activated by Movement》,(图21)将深海水母带到了展馆中,带人们欣赏迷人的深海生物,当人们走进墙体时,水母会越来越多,反之,则越来越少,创造了一个超现实的、有趣的水下世界;日本团队TeamLab在一面墙上创造了一个小人国世界(图22),人们可以使用不同的“小道具”,再小人的世界里捣蛋;詹姆斯·特瑞尔的一个回顾展《Immersive Light》(图23)玩转光影,利用光色的改变,使参观者在视觉上失去了对便捷的概念,在超现实的空间中游离思绪。新媒体互动装置的新颖程度给受众带来许多不一样的体验,吸引受众的眼球,运用新媒体的方式做自然科学知识的普及,是跨领域学科的融合,迎合互动装置艺术的发展趋势,效果会是非常可观的。

 

    

图21  Gorgeous Deep Sea Room Activated by Movement

 

 

图22  小人国世界

 

 

 

图23  Immersive Light

 

3.2  双重交互方式营造沉浸式体验

沉浸式交互的方式有许多种,其能将空间融入到艺术作品中,提升艺术形式感与作品表现力。将其与自然科学对象“藻”相结合,以新媒体技术为基础,对整体作品的再创作,是科学与艺术的交叉,亦是对艺术设计形式的提升。与较多单一交互形式的新媒体互动装置有所差异的是,通过对各类沉浸式交互装置的探讨,“藻”的交互方式为两种,分别为Kinect交互(图23)及Ar交互(图24),前者交互的主要目的是渲染空间氛围,带参观者进入沉浸体验的空间,后者交互的主要目的是在空间中输出 “藻”的主要科学性信息供参观者思考,于参观者在获得感官体验的同时得到认知体验,达到沉浸式体验。

 

   

图24  Kinect交互

      

图25  AR 交互

3.2.1 Kinect交互方式提升感知体验

Kinect是一种3D体感摄像机,它具有实时捕捉动态、语音识别、人体影相识别等功能,在新媒体艺术装置中被广泛引用到。受众可通过动态上的变化、声音的控制等操作,与装置产生一对一的关系。SintLab公司致力于新媒体互动技术的研究,其利用kinect深度摄像头,通过捕捉人体活动方式将26.2144万个小立方体投影屏幕上活动起来(图25)。依据沉浸式体验方式,“藻”的展示方式将通过塑造海底大场景,带给参观者身处海底的体验,通过kinect设备,捕捉参观者人体位置的实时移动,给受众游走于海底的感受(图26),同时对藻对象模拟物理碰撞、躲避的效果,在参观者靠近藻对象时,藻对象会产生相应的反应,使受众体验更加真实,带来沉浸式体验,这也是通过交互手段进行的再创作。

 

 

图26  沉浸式交互mapping

 

 

图27  “藻”沉浸式体验效果图

 

3.2.2 AR交互方式提升认知体验

AR又称增强现实,通过实时计算摄像机位置并加上影相、模型、图像等内容,将屏幕中的虚拟对象与现实中的真实对象进行互动。AR技术在医疗、军事、娱乐、旅游等领域用途广泛,著名动画师Jack Sachs和Blink Ink团队合作的《泰特美术馆》(图27)被称为“伦敦必去美术馆之一”,运用Ar增强现实的技术,参观者在参观不同的房间时看到的不仅仅是眼熟的艺术作品,还有充满童趣又具有魔性的一系列动画及信息。“藻”的自然科学性知识信息较单一,通过增强现实技术,在屏幕上呈现出来(图28),会大大增强信息的有效性和趣味性,提升自然科学的艺术形式,参观者也通过屏幕,对藻对象进行细致的观察,达到对科学性知识普及的效果。

 

 

图28  泰特美术馆

 

 

图29  Ar展示效果图

 

四 结语

随着跨学科时代的到来,多元素、多领域在不断交融,自然科学与艺术融合而产生的艺术形式带来了持续的冲击与震撼。

本文通过对自然科学对象“藻”的探索,了解对象的科学性知识和实验性影像信息等,设计者可从不同的视角看待自然科学对象,在实验图形信息中发现自然科学对象的构成之美、运动之美,将其作为视觉化图形的出口,创作出新的图形语言。在图形设计上,笔者对“藻”的科学知识和图像信息做整理归纳,并依此进行科学图形视觉化的设计尝试与研究,剖析其结构构成,生成具有构成性、实验性、创新化、情感化的图形。随着立体化思维的不断发展,设计师在探索过程中也应该不断突破自我,掌握三维化图形的的软件设计和制作技能,丰富图形的视觉语言,使受众对图形有更深的认知与解读;在展示方式的设计上,笔者对多种沉浸式体验的新媒体艺术作品进行剖析,总结不同的交互手法,在沉浸式体验过程当中给予受众极强的感官体验与认知体验,带给受众乐趣与思考。本文在探究科学图形视觉化的同时,结合沉浸式体验概念,对艺术设计作品进行再创作,提升整体作品的艺术形式感,达到多元素、多领域融合。

自然科学与艺术创作都是表现事物的手段,都会涉及到理论研究、不同方向的思考、寻找规律秩序等。基于自然科学进行艺术创作,是科学与艺术的交叉,设计者要不断深入探索,使艺术作品具有人文关怀、社会研究价值、符合社会需求。自古以来,自然科学与艺术创作的就融合发展,现今已有较多有意义有价值的作品,相信随着科学家和艺术家的不断磨合和碰撞,在未来科学与艺术会继续迸发出不一样的火花。

 

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