基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)的古典建筑地域性表達(dá)特征提取模型

朱百順

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院， 福建 漳州 363000)

0 引言

人們發(fā)明了各種巧妙的建筑方法來適應(yīng)不同的氣候條件，建筑形象也千變?nèi)f化，并呈現(xiàn)出多種特色。隨著人類建筑技術(shù)的不斷進(jìn)步，這種體現(xiàn)地域環(huán)境特性的行為也由最初的無意識或被動行為，逐步演變?yōu)樽杂X、主動、創(chuàng)造性的行為。

在環(huán)境因素的影響下，不同地域會產(chǎn)生獨(dú)特的設(shè)計思想和觀念，形成具有地方特色的建筑，具有地域特色的表現(xiàn)，特別是古典建筑。文獻(xiàn)[1]對中國古代建筑遺產(chǎn)的時空分布格局進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)不同類型的古代建筑遺產(chǎn)的分布具有一定的相似性和差異性，差異性與政策制度，各歷史時期的建筑材料、建筑功能等因素密切相關(guān)。為提高古代建筑圖象特征的匹配性能，文獻(xiàn)[2]提出了一種基于網(wǎng)格多密度聚類的圖象特征匹配方法。在相似聚類中，對圖像進(jìn)行網(wǎng)格劃分，按照近鄰比原則匹配特征點(diǎn)，提高三維重建古建筑圖像特征的可靠匹配度。

雖然國內(nèi)學(xué)者對于古典地域性建筑的研究較多，但大多集中在地域性建筑的發(fā)展歷史、地域性理論和解決復(fù)雜問題的跨學(xué)科層面上，針對特征因素影響地域性建筑的研究相對較少。本文通過引入生成對抗網(wǎng)絡(luò)來確定古典建筑地域性表達(dá)特征評價指標(biāo)的權(quán)重，然后匹配“融合地形地貌”“與地形肌理自然融合”“有機(jī)契入場地地形”和“詮釋地形結(jié)構(gòu)”4個具體特征，提升指標(biāo)選取的重要性和識別的準(zhǔn)確性，進(jìn)而總結(jié)出判斷和提煉地域性特征的方法，為當(dāng)代地域性建筑形態(tài)的創(chuàng)造提供一定的實(shí)踐指導(dǎo)。

1 古典建筑地域性表達(dá)特征組成

地域性是指與某一地域有關(guān)或與該地域有關(guān)的性質(zhì)或特點(diǎn)。隨著時間的推移，地域劃分也發(fā)生了變化，例如，在華北地區(qū)，大多數(shù)平原地區(qū)的人們，在語言和風(fēng)俗習(xí)慣上有相似之處，表現(xiàn)出相同風(fēng)俗習(xí)慣的銜接和相似性，但是在山區(qū)，雖然人們的地理距離相近，但方言、風(fēng)俗習(xí)慣、表達(dá)方式都有差異。地域性在一定程度上表示區(qū)域范圍的劃分標(biāo)準(zhǔn)，其要求整體特征的一致性，所以能否劃分為同一個區(qū)域取決于所選指標(biāo)的質(zhì)量和一致性。以某個指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)劃分地域時，地域可以是自然的，也可以是社會的。這是因?yàn)槿说纳婊顒铀幍淖匀画h(huán)境的內(nèi)在特征，最終體現(xiàn)為人所處的社會環(huán)境，并使社會環(huán)境具有相應(yīng)的特征。對地域性，我們可以給出一個簡單的定義：地域性是指由某一特定地域的自然環(huán)境和社會文化要素構(gòu)成的群體。

地域文化是某一地域人民在長期發(fā)展過程中，通過勞動所創(chuàng)造的物質(zhì)和精神成果，并對其進(jìn)行積累、發(fā)展和升華。包括當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展水平、科技進(jìn)步、價值觀念、宗教信仰、藝術(shù)水準(zhǔn)、社會心理和生活方式等社會生活各方面。地域性建筑創(chuàng)作通過反映人類情感、環(huán)境、自然、風(fēng)俗、氣候等地域性色彩所蘊(yùn)含的深刻的地域文化內(nèi)涵，展現(xiàn)出地域性建筑特征。要維持不同地區(qū)的地域特色，不僅取決于人的多方面需要(包括審美方面)，還取決于人的物質(zhì)性和社會性。

1)融合地形地貌：建筑依賴于土地、人力、當(dāng)時的建造和材料。在中國歷史上，因地制宜的調(diào)整措施應(yīng)用廣泛，例如，由山河地貌等地理要素構(gòu)成的地形是一個地區(qū)的整體面貌和物質(zhì)環(huán)境，地形地貌特點(diǎn)比較穩(wěn)定直觀，是自然地理環(huán)境的宏觀特征，同時也影響到植被、自然資源等。自然地形是影響建筑地域特性的重要因素之一。地形、植物分布、水系等自然景觀是構(gòu)成自然生態(tài)系統(tǒng)和場地特色的重要組成部分。

2)融合既有城市機(jī)理：場地地形結(jié)構(gòu)中建筑形態(tài)自然整合的區(qū)域表現(xiàn)形式既有自然地理因素，也有人類社會因素。對應(yīng)于“有機(jī)整合”和“地形解釋”，它表現(xiàn)為較淺的層次，是一種適應(yīng)性、增量性的建筑創(chuàng)造。

3)契入地區(qū)地形：對優(yōu)美自然環(huán)境的關(guān)注程度相似，唯一不同之處是注意角度及使用的程度和手段不同。地勢與建筑的有機(jī)結(jié)合，既反映了地理因素，也反映了社會因素。與“自然融通”相比，此類物質(zhì)性和社會性的表達(dá)特征有更深層次的實(shí)際意義。

4)詮釋地形結(jié)構(gòu)：相對于“自然與地形紋理融合”和“有機(jī)地與場地地形融合”，地形結(jié)構(gòu)解釋有一種哲學(xué)傾向，即從數(shù)量向質(zhì)量轉(zhuǎn)變。這一建筑形態(tài)的構(gòu)成既有地理因素，又有人文社會因素。

2 古典建筑地域性表達(dá)特征判定

目前，人們對建筑地域性的關(guān)注和理解是基于對“地域性”一詞的不同理解。不同的時代、不同的地域，對地域意義的解讀是不同的。即使在同一時代，地域性的內(nèi)涵也會隨著人們的建筑需求、用途和使用標(biāo)準(zhǔn)的不同而發(fā)生變化。建筑的地域性是在人類文明產(chǎn)生的時候就存在的，它早在原始社會就有鮮明的特點(diǎn)。在工業(yè)文明時期，它隨著現(xiàn)代主義建筑浪潮的興起而逐漸消退。直到今天，在經(jīng)濟(jì)文化交流的全球化浪潮下，建筑的地域性重新進(jìn)入了人們的視野。地域性建筑并不是孤立存在的，首先，它與許多自然和社會因素密切相關(guān)，其實(shí)質(zhì)是尋求這些要素的組織和整合方式；其次，在人類社會各個領(lǐng)域不斷進(jìn)步的影響下，地域性的分析方法和認(rèn)知內(nèi)容都發(fā)生了拓展和變化。從多維的角度觀察地域條件和設(shè)計方法上的跨域借鑒，為地域建筑設(shè)計提供了更具創(chuàng)造性的途徑。

古典建筑具有地域性，尋找場所的時空位置是最基本的任務(wù)?！盁o論是從自然、人文和技術(shù)的角度，還是從環(huán)境(包括自然和人工)、社會、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的角度來看，影響建筑的地域因素是分化的。因?yàn)榈赜虮旧砭哂袝r間和空間的特點(diǎn)，所以有必要從時間和空間的角度來分析地域因素?！苯ㄖ赜蛐缘睦碚摱喾N多樣，但共同之處是都關(guān)注建筑在時間和空間上的定位。本章將分析古典建筑地域性表達(dá)特征的判定過程。地域性建筑在宏觀上不僅要對地域性建筑進(jìn)行適應(yīng)氣候的選址和形態(tài)布局，使其與自然形成良性的物質(zhì)和能量交換，而且“與地形肌理既有融合”“有機(jī)契入場地地形”“融合地形地貌”和“詮釋地形結(jié)構(gòu)”等指標(biāo)是相對唯一的。

(1)

式中：j表示指標(biāo)級別；pij表示第i個指標(biāo)所處j級量度；zj表示量度值，即zj=0.2，0.4，0.6，0.8，1，分別表示不重要、一般、較重要、很重要、非常重要。此時，根據(jù)式(1)，計算地域性影響因素的影響權(quán)值，確定古典建筑地域性表達(dá)特征評價指標(biāo)權(quán)重[3]，即判斷該特征是否為古典建筑地域性表達(dá)特征，判斷流程如圖1所示。

將圖1輸出的古典建筑地域性表達(dá)特征值進(jìn)行輸出權(quán)值的時間差計算，即，

(2)

式中：tcj表示的是輸出最小判定權(quán)值；rj表示的是輸出時間窗口j最早獲得判定權(quán)值的時間；tsi與tfi分別表示的是整個判定過程所用的時間與得到最終輸出權(quán)值的判定時間。通過式(2)可知古典建筑表達(dá)特征是否帶有地域?qū)傩赃@個判斷過程中的所用時間。

3 古典建筑地域性表達(dá)特征提取

對古典建筑地域性表達(dá)特征的提取需要通過觀察樣本和數(shù)據(jù)標(biāo)簽的聯(lián)合概率分布來獲取訓(xùn)練模型，訓(xùn)練后的模型能根據(jù)樣本分布生成新的數(shù)據(jù)，用于特征識別。在無監(jiān)督深度學(xué)習(xí)中，生成模型具有重要意義。該方法無需目標(biāo)類的標(biāo)簽信息就能捕捉到高階相關(guān)數(shù)據(jù)。利用真實(shí)數(shù)據(jù)的本質(zhì)特征，描述樣本數(shù)據(jù)的分布特征，產(chǎn)生與訓(xùn)練樣本相似的新數(shù)據(jù)[4-5]。

在高維復(fù)雜數(shù)據(jù)處理中，采用了自動編碼器、自動簽名模型、自動生成儀器網(wǎng)絡(luò)等，其中自動編碼器和改進(jìn)的自動編碼器變量，使系統(tǒng)的學(xué)習(xí)目標(biāo)更容易達(dá)到初始分布。其形式是最大化概率數(shù)據(jù)下界的概率圖模型。如像素中的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這樣的授權(quán)模型是通過對每個像素的條件分布建模來訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)(左或上)的[6-7]。這樣做就像把像素圖像放到模型中一樣，但是RNN(遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))在水平和垂直方向上運(yùn)行，而不只是字符ID序列。從零和博弈理論中得到啟發(fā)，產(chǎn)生對抗網(wǎng)絡(luò)。包含了代際模型和歧視模型。發(fā)起者截取樣本數(shù)據(jù)的分布，并判斷模型是否為兩層索引，以評估輸入數(shù)據(jù)是否真實(shí)。該模型的過程優(yōu)化是二元的，是極小極大問題博弈的一部分，在訓(xùn)練過程中，設(shè)置一方更新另一方的參數(shù)并迭代到變化，使其他頁面的誤差最大化。最后生成的模型可以估計樣本數(shù)據(jù)的分布。

因此，本文是在生成對抗網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，捕捉每一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在空間坐標(biāo)系中的位置信息組成的特征點(diǎn)，這些位置信息通?？梢杂脕碛嬎惚磉_(dá)、角度、速度以及識別其他特征[8-10]，本文主要考慮表達(dá)信息。地域性表達(dá)變化時序描述了整個動作過程中某些表達(dá)大小隨時間變化的軌跡，為了使表達(dá)的值域能夠盡可能在同一范圍內(nèi)[11-12]，對表達(dá)進(jìn)行規(guī)范化處理，計算公式：

(3)

(4)

(5)

(6)

依據(jù)前述計算得到的規(guī)范化處理參數(shù)，引入Kinect的靜態(tài)姿勢評分方法中的評分計算公式，并加以改進(jìn)使其滿足本文方法要求[13-14]，即再將規(guī)范化處理參數(shù)D帶入古典建筑地域性表達(dá)特征模型匹配準(zhǔn)確度計算公式中，得到如式(7)的提取模型：

(7)

式中匹配識別準(zhǔn)確度S的取值范圍為[0，100]，標(biāo)準(zhǔn)匹配和實(shí)時匹配的匹配度越高，S的值越大[15-16]。在式(7)中，Dst值越小，特征匹配準(zhǔn)確度的判別越嚴(yán)厲。為避免出現(xiàn)負(fù)分的情況，當(dāng)D>Dst時，Sst為預(yù)設(shè)的基準(zhǔn)匹配度參數(shù)，根據(jù)實(shí)際需要將特征匹配識別準(zhǔn)確度S將直接判為0，可以通過參數(shù)Sst其控制在合適的范圍內(nèi)[17]，結(jié)合古典建筑地域性表達(dá)特征判斷流程中Zj值，得到全部帶有地域?qū)傩缘墓诺浣ㄖ磉_(dá)特征，實(shí)現(xiàn)古典建筑地域性表達(dá)特征提取。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

在本次實(shí)驗(yàn)中，本文使用標(biāo)記Train_m來表示每一類古典建筑樣本，(該樣本從UCI MachineLearning Repository(https：//archive.ics.uci.edu/ml/datasets.html)中隨機(jī)挑選，同時，隨機(jī)抽取500幅圖像作為訓(xùn)練集，其余圖像作為測試集。

一輪實(shí)驗(yàn)將重復(fù)30次，即每個實(shí)驗(yàn)為每個場景隨機(jī)選擇m張圖像作為訓(xùn)練集，并使用剩余的圖像作為測試集。將30個實(shí)驗(yàn)的平均值作為一輪實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果。

根據(jù)式(4)計算提取時間，測試古典建筑地域性表達(dá)特征提取效率，本文模型最終提取結(jié)果如圖2所示。

圖2 古典建筑地域性表達(dá)特征提取效率

由圖2可知，為了使表達(dá)的值域能夠盡可能在同一范圍內(nèi)，在進(jìn)行古典建筑地域性表達(dá)特征提取時，本文模型引入了生成對抗網(wǎng)絡(luò)，提高了地域性表達(dá)特征提取效率，使提取時間一直保持在0.75～0.1 s之間。

在古建筑地域性表達(dá)圖像個數(shù)為100～500時，驗(yàn)證本文模型提取過程中的沖突率，將設(shè)計的模型與文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法進(jìn)行對比，所得實(shí)驗(yàn)對比數(shù)據(jù)具體見表1。

表1 提取特征沖突率實(shí)驗(yàn)對比數(shù)據(jù)

根據(jù)表1的提取特征沖突率實(shí)驗(yàn)對比數(shù)據(jù)可知，本文特征提取模型的沖突率低于文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法的特征提取模型，說明本文方法可精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)特征提取，并將其應(yīng)用于實(shí)際。

5 結(jié)論

本文提出了古典建筑地域性表達(dá)特征提取模型研究，通過分析了古典建筑地域性表達(dá)特征組成，引入了生成對抗網(wǎng)絡(luò)，分析古典建筑地域性表達(dá)具體特征之后，根據(jù)指標(biāo)期望值、方差和變異系數(shù)，確定特征匹配指標(biāo)的重要性，判斷該特征是否為古典建筑地域性表達(dá)特征，提高了地域性表達(dá)特征提取效率和準(zhǔn)確率，為該領(lǐng)域的相關(guān)研究提供理論參考。

隨著非線性特征在圖像中的廣泛存在，現(xiàn)有的非線性特征提取方法得到了長足的發(fā)展。流形學(xué)習(xí)是目前非線性特征提取方法中的一個研究熱點(diǎn)，因此，在未來的研究中，將嘗試引入流形學(xué)習(xí)相關(guān)理論進(jìn)行古典建筑領(lǐng)域研究。