學術探奇

砌出新境界

傅志榮發掘樂高積木實際應用

(amytam@cuhkimages繪)

樂高積木是家喻戶曉的玩具,它歷久不衰、寓教於樂,令人愛不釋手,陪伴我們度過童年時光。

但樂高積木的魅力又豈止於此?這些五顏六色的磚塊廣受全球各地不同年齡的玩家喜愛,連成年人也不乏「樂高迷」。而對傅志榮教授來說,樂高積木更是非同兒戲。

「樂高積木可是一門高深的學問呢。」計算機科學與工程學系的傅教授說。

傅教授本身也是樂高愛好者,他化興趣為事業,致力開發這些小積木的潛能,擴大其應用範圍。「樂高Technic系列於1977年推出,可讓用家拼砌複雜的三維建築模型。一些樂高迷更用這系列建造智能機械人。我也想利用樂高Technic來做點甚麼。」

樂高Technic系列的用途非常廣泛,可用以建造機械織機(左上,來源︰N. Lespour)和起重機(右上,來源︰D. Szmandra),也可用以彈奏結他(下,來源︰TECHNICally Possible)

然而,建造巧奪天工的機械並非易事。「高階結構的組裝機制往往十分複雜。以單車和摩天輪的模型為例,要讓機架旋轉就必須預留足夠空間。從零開始砌出結構完整的模型,着實需要大量的時間和精力。」

幸而經過多年悉心研究,傅教授領導的團隊找出解決辦法。他們與西門菲莎大學合作,編寫出一套破天荒的自動生成演算法。這套演算法能夠點石成金,把手繪草圖轉化為精巧的模型。

傅教授自豪地說:「這套演算法可在數秒鐘內產生簡單而結構穩妥的模型,並透過圖畫和影片,教導用家以樂高積木把模型拼砌出來。」

演算法的原理如下:用家首先利用一套名為圖形用戶介面的電腦計算工具草擬設計,演算法接着便會運用人工智能製作雛型,繼而微調成果。最後,演算法會編撰出組裝說明,為用家提供可行的構造方案。

演算法透過影片教導用家以樂高積木組裝模型

「在我們的演算法中,人工智能無疑是居功至偉。」傅教授說。他解釋,研究項目的重心之一是令演算法能夠理解用家的草圖。「眾所周知,電腦要將人類語言轉譯為『零』和『一』,才能明白我們的說話。同理,要讓人工智能詮釋以至處理草圖,我們就必先轉換其格式。」

為了克服轉譯問題,傅教授及其團隊設計了一個計算模型,方便演算法取用草圖。「我們根據現有的樂高模型仔細研究積木特性、考慮各種連接機制後,利用所得數據編寫程式碼,進而輸入至計算模型。這樣一來,演算法便能按照用戶所繪畫的草稿,製作藍圖。」

回想研究時遇到的種種挑戰,傅教授指最大難題是如何令演算法懂得微調草圖。「一個結構可以有成千上萬種拼砌方式,而要令一個樂高模型中的關節得以旋轉,我們又必須用上接頭、連接塊等特殊配件。要演算法在忠於草圖的同時確保模型結構穩固,可說是難乎其難。」

此時數學便派上用場。「經反覆試驗,演算法中的人工智能可判斷模型在結構完整性、簡潔度、與草圖的吻合程度等方面的成功機率。電腦接着便會依照成功機率最高的情形,調整設計及組裝說明。」

演算法先利用人工智能計算模型在保持平衡、分布壓力等方面的成功率,進而微調設計及組裝說明

傅教授舉了一個例子說明人工智能如何運作。假設你在商場購物,自然希望以最低的價錢買到某種產品。走遍數十家商店後,你或多或少會得知該產品的價值,也大概知道哪些商店物美價廉。同理,藉着多番模擬,演算法可運用人工智能推斷模型在某種形態下該用上哪種積木,從而準確地調整設計和組裝說明。

有了這套演算法,各式各樣的樂高模型現可在一瞬間製作出來。「你想得出的東西,基本上都可利用我們的演算法做出來。精巧細緻如撿拾器和風箏、巨大堅固如橋樑和城堡,一一做到。」傅教授稱,大至由數千塊積木構成的模型,從草圖繪製到組裝也不過需要幾分鐘的時間。

利用演算法製作的樂高模型

此研究由香港研究資助局資助,成果已於《電腦圖像及互動技術專業組亞洲技術論文》發表。這套由人工智能驅動的演算法不但可以應用於各種積木組件,還可用於建築及工業設計。

展望將來,傅教授希望朝着多個方向擴展成果。「機器學習是方向之一。我們希望聯同一眾機械和自動化工程專家,培養演算法從現有結構中學習、自行組裝新設計的能力。」

文/ronaldluk@cuhkcontents

樂高積木是樂高集團的商標,該集團並沒有贊助或支持本網站。

本文出自中大網頁(2020年8月)

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傅志榮 樂高積木 人工智能 機械人 計算機科學與工程學系