火爆全网的设计风格 Low-Poly,有怎样的前世今生?

摘要

继拟物化、扁平化(Flat Design)、长阴影(Long Shadow)之后,低多边形(Low Poly)再次掀起全新的设计风潮。分形与迭代、技术和风格,如何构筑起产品?

编者注:本文作者为著名音乐电台 DJ、动静科技创始人加菲众,略有改动。


继拟物化、扁平化(Flat Design)、长阴影(Long Shadow)之后,低多边形(Low Poly)再次掀起全新的设计风潮。分形与迭代、技术和风格,它们该如何构筑产品?

70 年代:波音飞机和山峦

上世纪七十年代,计算机开始越来越广泛地应用于工程设计。位于西雅图的波音公司的工程师们也不例外:他们的奇思妙想和实验数据,可以迅速通过计算机快速地生成飞机的 3D 演示模型,从而让设计过程更加直观和敏捷。

Snip20160307_1.pngLoren Carpenter 和他在1980年用分形迭代计算绘制出的山脉。

Loren Carpenter 就是他们当中的一位。

23 岁就已经效力于波音,一边在华盛顿大学学习,攻读了数学学士、计算机科学与工程硕士学位,一边在波音公司担当计算机图形开发工程师。他的主要工作,就是根据航空工程师的需求,用设计的尺寸数据来绘制出飞行器,制作动画,来展现不同的飞行姿态下,波音飞机的雄伟身姿。

这听上去似乎并不是一件太难的事,可是 Loren Carpenter 却希望把在动画中加入山峦——因为当时波音公司每一张用来展示的飞机照片里,都会加入壮丽迷人的山脉。

可以想象得到,如果这些动画中出现山峦地貌,不仅会让飞行器的效果更逼真,还能直观体现出飞行的速度、高度、俯仰细节。

不过,描绘一个外表简单光滑、呈流线型的飞行器很容易,但用计算机绘制山峦却异常艰难,地表起伏的山峦,要形成细节足够丰富的效果,必须以数以百万计的小三角形构成,即便是在每一帧画面中,小三角形的数目都会达到成百上千。

而在 1978 年,一台电脑的 CPU 主频和内存,只相当于如今一部 iPhone 的千分之一。计算机处理图形时计算能力和内存,决定了只有使用尽可能低的算法复杂度,才有可能能来绘制出山峦的细节。算法复杂度包括时间复杂度和空间复杂度,这不难理解——悬于其上的达摩克利斯神剑、制约和评价算法的关键,当然是 CPU 的运算能力和内存的容量。

如果将山峦的形状概括成为数量比较少、面积比较大的一些三角形,计算机很容易实现快速处理;但如果需要精细描绘出细节的起伏,就需要增加三角形的数量,缩小每个三角形的面积。

Carpenter 陷入了苦苦的思索,最终使他获得灵感的,是和家人闲逛时,在报刊亭读到了《科学美国人》上关于 Benoit Mandelbrot 分形理论的介绍。

这个启迪过程十分迷人:在实践中出于对风格的需要,而产生对技术的需求,而理论又对技术产生巨大的推动力。技术与风格之间的融汇,不仅仅发生在联结人左右脑的「脑桥」之中,更出现在科技业界,互相启迪催化,而计算机科学的发展,互联网的出现,让理论、技术与风格之间的路径变的更加顺畅。

60 年代:英国海岸线与分形理论

早在 1967 年,数学家 Mandelbrot 就在美国权威的《科学》杂志上发表了题为《英国的海岸线有多长?统计自相似和分数维度》(How Long Is the Coast of Britain? Statistical Self-Similarity and Fractional Dimension)的著名论文。

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英国的海岸线有多长?不同的测量尺度会带来不同的结果。

Mandelbrot 在研究海岸线长度时发现,地理中的曲线长度与其曲线细节有着很大的关联,并且这些曲线通常表现出具有无限长或者是无法定义的特性。幸运的是这些曲线同时表现出了一个很好的特性——「自相似性」。取曲线的一小部分等比例放大后,你会惊奇地发现放大后的部分曲线的形状与原来的整体具有很大的相似性。Mandelbrot 指出自相似性是一个十分强大的工具,在各个领域均有很大的作用。1975 年,他创立了分形几何学 (Fractal Geometry)。在此基础上,形成了研究分形性质及其应用的科学,称为分形理论。

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Mandelbrot 的著作《分形》,也曾经给了计算机图形学发展很大的启迪。

分形理论从现实中归纳得来,又从技术层面得到演绎开去。正如《分形》一书的封面,层层嵌套迭代绘制出的谢尔宾斯基三角形(Sierpinski triangle)一样,分形理论带给波音工程师 Loren Carpenter 的启示,正是采用迭代的方式不断通过嵌套递归,让计算机在有限的硬件条件下,得以快速生成精细、细节更真实的山峦表面。他最终获得了成功。直到今天,展示动画《Vol Libre(自由飞翔)》还可以在 Vimeo 上观赏到。

Carpenter 在完成了这个开创性的算法之后不久,就受到电影《星球大战》中绚烂特效的鼓舞,加入了导演 George Lucas 以自己姓氏命名的影业「卢卡斯影业」的动画部门,这个部门后来被 Steve Jobs 收购,至今仍是计算机图形业界翘楚,大名鼎鼎的 Pixar 动画工作室。

通过分形迭代绘制画作的算法至今仍然被 Geek 们所钟爱,在计算机算力和内存足以应付 3D 贴图、还能加入各种绚烂特效的今天,分形艺术显得更加多元和绚烂。每年的国际分形艺术大赛的作品,都被人所津津乐道。

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国际分形艺术大赛作品《浮潜》,画作是通过分形迭代算法自动生成的。

显然,对于 3D 模型而言,越多的多边形精细,但也越难于处理。当多边形「颗粒」较大,「分辨率」较低时,处理器和内存的压力更小。与之相对应,在同等渲染引擎的算力之下,每一帧的场景中多面体数目更少,就意味着体验更流畅。因此无论是早期还是当下的电脑游戏,还是今天移动互联网的带宽限制,都使得「低多边形」——Low-Polygon 因为 3D 实时渲染更容易处理,而大行其道。

90 年代:被动产生的 Low-Poly 与设计师的主动选择

不同的是,一直到 90 年代,Low-Poly 都是一种因为技术条件限制而被动产生的风格。

而在过去的三十余年,硬件遵循摩尔定律,不断提升性能。在消费市场的驱动之下,视觉效果逼真甚至绚丽的精美游戏,通过不断发售,风行全球。Sony 的 PlayStation 4 的最大多边形运算能力已经达到了 30 亿,形成光滑的图形早已不是技术难题,在技术不断进步时,Low-Poly 风格却因为鲜明的审美特征,而成为设计界新的风尚。

设计师们主动选择了这种风格,作为实现可能性的一种方式,他们仅仅凭借风格选择的考量,来推崇 Low-Poly,正如复古风潮、蒸汽朋克和像素风一样,成为了一种架空感强烈、包含向过往致敬意味的选择。

新世纪进入第二个十年时,Low-Poly 风格也渐渐进化为一种设计语言,越来越广泛地应用在从平面设计到 3D 场景、从工业设计到建筑的构成之中。从 QQ 6.0 的登录界面,三星手机的默认屏保,再到 2014 年上映的 Disney 影片《灰姑娘》中的水晶鞋,三宅一生设计师 Issey Miyake 设计的手袋,甚至艺术家 David Mesguich 的雕塑……无数出色的 Low-Poly 设计,宣告着它的复兴与重生,成为继扁平化、长阴影之后的流行趋势。

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Low Poly:从图形技术到设计语言:3D 建模,平面设计,以及《灰姑娘》的水晶鞋。

然而在风格兴起的背后,Low-Poly 依然保留着数字化的特征。

首先,它可以通过分形迭代算法获得,其次,它与数据衔接紧密。和数据、运算之间天然的纽带,也使得它成为大数据时代,为基于数据的产品设计提供了更多的方式和灵感。

PILO:Low-Poly 风格的场景实践者

成立仅仅一年,就获得「红点中国」CGD2015 金奖的动静科技,正是通过 Low-Poly 风格的作品 PILO,成功地打动了德国红点奖创始人、评委会主席 Peter Zec。他在央视《对话》栏目中举着 PILO,喜爱之情溢于言表。这是算法与设计融合的结果,同样也是分形与迭代的产物。

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PILO 通过人体工程学数据,用分形迭代的方式构造出低多面体的舒适外形。

通过人体大数据,对外形进行迭代运算产生了 PILO 的外形设计。当构成 PILO 的三角形数目不断增加时,每个表面都会和不同姿态的 3D 建模「人体」接触,同时保持使用拉布拉斯算子(Laplacian)不断对运算修正,端点不断递归、迭代、拟合,最后通过布尔运算得出 3D 图形。

随着表面数增加,枯燥的人体数据渐渐丰满,在图形化界面中,不断累积、堆叠,在端点达到 81 个时,表面数达到 52,形态所呈现的美感出现了质的变化,得到的外形方案令人惊喜。由工程师和设计师一道完成的设计过程,也充满了哲思与妙想。

优化过的枕形方案,不仅是工程与艺术的结晶,还节省了供应链管理的成本,用大规模的模拟过程,缩减了产品在市场上迭代的步数,最重要的是,PILO 的舒适程度也完全满足了用户的期待。

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PILO:数据导向、便于迭代的设计方案,从基于数据的模拟设计,到渲染图,再到产品。

回归到使用场景,一枚设计别致、和传统枕头的柔软意向大相径庭的 PILO,更在乎的是如何营造出睡眠时的舒适体验。创业团队动静科技,选择的方法依然是业务的核心——声音。「云梦」app 提供了不同的梦境引导,闭上双眼,静心聆听,就会随着声音,找到通往梦乡的小径。

「时止则止,时行则行。动静不失其时,其道光明。」当技术路线交汇设计风尚,在动态的潮流之中,选择做一款令人安静的产品,本身也暗合「动静」一词所隐喻的产品哲学。动静科技的英文名称「Soundario Inc.」,是声音(Sound)和场景词缀(-ario)的联合,凸显着这一家全栈型创业公司(Full-Stack Start-up)的使命。

然而脉络之中隐藏的线索并不止于此,此前发行的、与音频助眠枕 PILO 配套使用的「云梦」app,Icon 的设计也早已提示了产品的设计主线,甚至与之相对应开发的产品周边,也呼应着 Low-Poly 的设计风格。

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「云梦」app icon 和周边钥匙链。

《精益创业》曾一语道破了产品的真谛:快速迭代。在分形与迭代的数学逻辑背后,同样是如同算法般颠扑不破的产品方法论。真正的优秀产品,一定是站在科技与人文的十字路口,永怀初心,眺望未来的。而保持技术和风格相协调,依据数理逻辑来建立审美系统,则需要永远对知识报以敬畏,快速学习和成长。

也许唯心,但不妨大胆断言,产品、技术、设计、团队,乃至人自身的成长,都能从见微知著的分形理论和迭代方法中找到启示。一切科学背后的哲思,才是追寻智慧真理过程中最大的快乐。

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动静科技设计师与红点之父;团队近照;可以快速生成的方案纸模;中国好设计金奖奖杯。

创业一年余,动静科技收获了真诚的友情,也印证着「有趣的灵魂总会相遇」的箴言。在启迪中思考与前进的动静团队,希望继续通过科学的理念,求索设计、服务、制造的最优解。

希望我们的产品,能把优质的睡眠送到每个人的身边,愿美梦与你同在!


2015 年 9 月底,PILO 在北京大学发布,10 月开始正式售卖,并进行了一轮产品迭代,目前已经上架淘宝,并计划登陆各大电商平台。

2016 年,PILO 将探寻更广阔的海外市场,4 月亚洲 CES 展,5 月米兰设计展,都会出现它的身影,并将继续参与「红点奖」、「iF 设计奖」等角逐。

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PILO 系列产品在保持外形设计的基础上,会加入更多功能迭代,并延伸到更多使用场景,探知用户需求的真伪,同时不断丰富产品线。

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