怎樣創(chuàng)造一片森林

陳凱

想要一片森林？那就請(qǐng)認(rèn)真想象一下吧

工作學(xué)習(xí)累了，來(lái)一局電腦游戲調(diào)節(jié)一下如何？這里有一款名字叫Adventure（冒險(xiǎn)）的游戲，內(nèi)容是在迷宮中尋找寶藏。小心，迷宮中還有不少危險(xiǎn)的生物！聽(tīng)上去挺有意思。

運(yùn)行游戲，屏幕上顯示了一段文字：

YOU ARE STANDING AT THE END OF A ROAD BEFORE A SMALL BRICK BUILDING. AROUND YOU IS A FOREST. A SMALL STREAM FLOWS OUT OF THE BUILDING AND DOWN A GULLY.（你站在路的盡頭，那里有一座小磚房。你周?chē)且黄?。一條小溪從建筑物中流出，涌入一條溝壑。）

不過(guò)你并不能在屏幕上看到任何圖像，一段文字描述就是所能見(jiàn)到的一切，好在游戲提示你可以做某些動(dòng)作，比如隨便走走、撿撿東西什么的，于是你輸入：go south。

然后屏幕顯示出一段文字：

YOU ARE IN A VALLEY IN THE FOREST BESIDE A STREAM TUMBLING ALONG A ROCKY BED.（你進(jìn)到覆蓋森林的山谷里，身旁的溪水拍打著巖床。）

還是沒(méi)有任何圖像，實(shí)際上，因?yàn)橛螒蜍浖\(yùn)行在一臺(tái)古老的微機(jī)上，限于硬件配置，游戲設(shè)計(jì)者一開(kāi)始就沒(méi)有打算顯示圖像，玩家在游戲中遇到的所有一切，都只能用文字來(lái)描繪，無(wú)論尋寶打怪都全靠想象，盡管如此，在20世紀(jì)70年代游戲發(fā)布后，還是吸引了不少玩家。到20世紀(jì)80年代初，隨著微型計(jì)算機(jī)配置的提高，Adventure游戲的后續(xù)版本終于有了少量的圖畫(huà)，比如色彩單一的樹(shù)林（如圖1），這些圖片會(huì)配合文字在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候出現(xiàn)。

可以看出，游戲設(shè)計(jì)者努力在計(jì)算機(jī)中的世界和現(xiàn)實(shí)世界兩者間建立起一種對(duì)應(yīng)，圖畫(huà)也好，滿(mǎn)是字母符號(hào)的地圖也好，這些都是設(shè)計(jì)者心中形象的顯現(xiàn)，但玩家看到的僅僅是表面現(xiàn)象。觀察游戲程序的代碼（如圖2），能夠揭示何以玩家能從一個(gè)地方“去”到另一個(gè)地方：初始狀態(tài)時(shí)，總共有五個(gè)可以前往的去處，每個(gè)去處都對(duì)應(yīng)著某個(gè)動(dòng)作，當(dāng)玩家角色跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)場(chǎng)景后，又會(huì)有新的數(shù)據(jù)，規(guī)定著再下一步可以前往的去處。用這樣的方法，許許多多的場(chǎng)景就連接成了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀的迷宮。哪怕游戲確實(shí)有趣，那片森林也只不過(guò)是靜態(tài)的圖片，缺少生長(zhǎng)的氣息。

虛幻森林中的真實(shí)

人們?cè)谟^看完某部電影后可能會(huì)發(fā)出這樣的評(píng)價(jià)：“啊，這個(gè)情節(jié)實(shí)在是太假了?！弊屑?xì)想想，評(píng)價(jià)本身有意思的地方是，其實(shí)電影劇情本身就是虛構(gòu)的，換句話說(shuō)，那本來(lái)就是假的，既然觀眾評(píng)價(jià)電影拍得假，那問(wèn)題是：什么是真的？類(lèi)似的，計(jì)算機(jī)游戲也是虛幻的創(chuàng)造物，但只要有樂(lè)此不彼的玩家沉溺其中，就必須承認(rèn)，虛幻之中存在著某種真切的感覺(jué)，比如，獲得游戲獎(jiǎng)賞時(shí)頭腦多巴胺的分泌是真實(shí)的。有意思的是，通常頭腦不會(huì)很在意那些所謂的獎(jiǎng)賞究竟是真實(shí)還是虛幻的。

想象一下，假設(shè)世界上從來(lái)沒(méi)有誕生各種圖形界面操作系統(tǒng)，微型計(jì)算機(jī)的主要功能就是用來(lái)玩游戲，隨著游戲場(chǎng)景越來(lái)越精致，角色行為越來(lái)越復(fù)雜，人們?cè)缤頃?huì)意識(shí)到，還可以拿這個(gè)游戲當(dāng)作輔助工作的工具，比如把喜愛(ài)的書(shū)（可能以竹簡(jiǎn)的形式呈現(xiàn)）存放進(jìn)某個(gè)小木屋，將重要的計(jì)劃寫(xiě)進(jìn)備忘錄（或許是刻寫(xiě)在潮濕的泥板上，然后讓太陽(yáng)曬干），在洞穴大廳里召開(kāi)聯(lián)網(wǎng)的會(huì)議等。當(dāng)然，從工作效率的角度看，一片森林有些過(guò)于“真實(shí)”了，發(fā)送信息要先前往鴿棚？?jī)?chǔ)存一篇文檔前先要跨越溪流？想象一下如何在圖3所示的場(chǎng)景中開(kāi)辟一個(gè)工作環(huán)境。

絕大部分圖形界面操作系統(tǒng)從一開(kāi)始虛幻的就是某個(gè)工作臺(tái)的場(chǎng)景，例如，早期的Mac系統(tǒng)里（如圖4），可以找到紙筆、書(shū)籍、文件夾、垃圾桶等各種和日常工作相對(duì)應(yīng)的元素。

實(shí)際工作中的物品被對(duì)應(yīng)為簡(jiǎn)約的圖標(biāo)，但卻給人一種真實(shí)感，從某種意義上說(shuō)，這個(gè)圖形界面操作系統(tǒng)是現(xiàn)代人類(lèi)的虛幻森林。不過(guò)，假如某一天人們能復(fù)活某個(gè)封存在冰層中千年的原始人類(lèi)，一開(kāi)始，他大概更習(xí)慣使用虛幻森林來(lái)干活和生活。

值得一提的是，如圖5所示，大部分操作系統(tǒng)的文件管理方式的確與“樹(shù)”有關(guān)，無(wú)論是用命令行的“CD”進(jìn)入目錄，還是鼠標(biāo)雙擊文件夾，都是從樹(shù)狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的某一結(jié)點(diǎn)，跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)結(jié)點(diǎn)。

這個(gè)小小工作臺(tái)里有很多幫助人們進(jìn)行計(jì)算的工具——計(jì)算器、電子表格、數(shù)據(jù)庫(kù)，本質(zhì)上說(shuō)，包括文本編輯器、游戲等每一個(gè)軟件都是一種計(jì)算裝置。某個(gè)能熟練使用計(jì)算機(jī)的人大概會(huì)由衷贊嘆當(dāng)代科技的強(qiáng)大，然而他大概很少會(huì)想到，自己每天打交道的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和軟件，只不過(guò)是功能受到限制的一個(gè)虛幻工作臺(tái)，這個(gè)虛幻工作臺(tái)可能是一個(gè)虛幻小木屋的一部分，而這個(gè)虛幻小木屋則是一片巨大虛幻森林的一部分。不少人以為這個(gè)小書(shū)桌或者小木屋是整個(gè)世界，卻忘記了小木屋外還有整片森林。就像孩童拿到一個(gè)指南針，卻只是反復(fù)晃動(dòng)指南針表盤(pán)，愉快地看著指針一次又一次回到固定的方向。

“虛幻森林”里的“虛幻森林”

即便是一個(gè)小小的工作臺(tái)，也能為使用者提供強(qiáng)大的助力，幫助其對(duì)龐大真實(shí)世界進(jìn)行合理的想象和推斷。接下來(lái)的例子并不會(huì)用到多么高端的工具，只用記事本或電子表格，就能體驗(yàn)到計(jì)算的奇妙。

生物學(xué)家Aristid Lindermayer注意到，樹(shù)木的生長(zhǎng)其實(shí)是一種迭代過(guò)程，這種迭代可以抽象成一種符號(hào)重寫(xiě)過(guò)程，比如，同時(shí)把符號(hào)中的A變成AB，把B變成BA，只要制定不同的替換規(guī)則，便能得到不同形狀的“樹(shù)”，這就是L-System。

隨著變化不停重復(fù)下去，字符串會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，“ABBABAAB”之后是“ABBABAABBAABABBA”，然后越來(lái)越長(zhǎng)。

如果規(guī)則本身稍微復(fù)雜一些，用紙筆實(shí)施演算就極其煩瑣，比如以下規(guī)則，注意，對(duì)于某個(gè)符號(hào)串，兩個(gè)規(guī)則要同時(shí)起作用，這就是所謂的并行重寫(xiě)：

替換規(guī)則一：B-->BB

替換規(guī)則二：A->B[A]A

假設(shè)初始時(shí)僅有一個(gè)A，則前幾步符號(hào)替換情況如下：

第四步：BBBBBBBB[BBBB

[BB[B[A]A]B[A]A]BB[B[A]A]B[A]A]BBBB[BB[B[A]A]B[A]A]BB[B[A]A]B[A]A

第三步：BBBB[BB[B[A]A]B[A]A]BB[B[A]A]B[A]A

第二步：BB[B[A]A]B[A]A

第一步：B[A]A

初始時(shí)：A

這個(gè)替換過(guò)程甚至都不需要用到專(zhuān)門(mén)的程序，用記事本就能實(shí)現(xiàn)。要想用記事本的查找替換功能實(shí)現(xiàn)符號(hào)串的演化，關(guān)鍵是怎么實(shí)現(xiàn)不同替換規(guī)則同時(shí)生效。

如果感覺(jué)記事本的查找替換不怎么自動(dòng)化，那么也可以利用電子表格，實(shí)現(xiàn)方法有很多，比如，在第一列單元格中填入“@A”，在第二列中填入下面這個(gè)公式：

“=MID（E1，2，LEN（E1））&（IF（LEFT（E1，1）="B"，"BB"，IF（LEFT（E1，1）="A"，"B[A]A"，LEFT（E1，1））））”

不停拖曳重復(fù)使用公式，就能看到符號(hào)串在快速增長(zhǎng)中，每當(dāng)“@”符號(hào)移動(dòng)到符號(hào)串首位時(shí)，就是讀取L-System演化結(jié)果的時(shí)候，如圖6所示。

接下來(lái)，可以賦予每個(gè)符號(hào)一定的含義，A是畫(huà)樹(shù)枝和樹(shù)葉，B是畫(huà)樹(shù)干，左方括號(hào)是左轉(zhuǎn)45度并做標(biāo)記，右方括號(hào)是回到標(biāo)記并右轉(zhuǎn)45度，如此重復(fù)，就可以看到一棵樹(shù)生長(zhǎng)的過(guò)程，符號(hào)串越長(zhǎng)，這棵樹(shù)長(zhǎng)得也就越是茂盛，如圖7所示。

如果在符號(hào)串中再加入表示旋轉(zhuǎn)方向的符號(hào)，那么L-System就可以生成不同形狀的樹(shù)，“Overlapping trees in L-system forest”這個(gè)Python程序演示了如何用不同的樹(shù)創(chuàng)造出一片森林，可以到stackoverflow.com下載程序源代碼。代碼并不難，所以可以按自己的想法使得程序更有研究?jī)r(jià)值，比如修改L-System規(guī)則，生成更多不同種類(lèi)的樹(shù)（如圖8）；或是將遺傳算法協(xié)同L-System規(guī)則進(jìn)行演化，使得生成的樹(shù)更接近自然界的真實(shí)形態(tài)。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，將L-System演化規(guī)律與生物DNA中的堿基互補(bǔ)配對(duì)原則結(jié)合到一起，能夠?qū)崿F(xiàn)通用圖靈計(jì)算，這就意味著，電子計(jì)算機(jī)能實(shí)現(xiàn)的功能，用生物計(jì)算機(jī)同樣都能夠?qū)崿F(xiàn)。讀到這里不妨回頭看一下，一開(kāi)始，是用計(jì)算來(lái)生成樹(shù)，研究到后來(lái)，其實(shí)是用生成的樹(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

本篇文章涉及到許多知識(shí)點(diǎn)，每一處都值得深入探索，所以可以視作一篇學(xué)習(xí)提綱。但讀者也可以將這篇文章看成寓言故事：在宇宙中，某個(gè)自稱(chēng)人類(lèi)的種群試著用計(jì)算來(lái)模擬一片森林，雖然一開(kāi)始，他們距離預(yù)想的目標(biāo)很遠(yuǎn)，直到一天他們改變了自己的計(jì)算方式，然后發(fā)現(xiàn)，森林本身就是一種計(jì)算。