Генерация дизайнерских идей при помощи генетического алгоритма

в 6:55, , рубрики: EvoJ, Алгоритмы, Блог компании Luxoft, генетические алгоритмы, генетический алгоритм, дизайн, Программирование, метки: , , ,

Я, как и многие люди технического склада ума, испытываю трудности с рисованием и графическими решениями вообще. Я, конечно, могу отличить красивое решение от плохого, но оказываюсь в тупике, когда нужно нарисовать что-то с нуля, будь то пользовательский интерфейс приложения, презентация или открытка.
В своей прошлой статье я продемонстрировал, как можно использовать генетический алгоритм чтобы аппроксимировать изображение по заданному образцу. В этой статье, я покажу, как применить генетический алгоритм для генерации изображений «из головы».

Генерация дизайнерских идей при помощи генетического алгоритма

Основная идея

В прошлой статье, посвященной аппроксимации изображения набором полигонов, в качестве фитнес-функции мы использовали похожесть подбираемого изображения на оригинал. Какую же фитнес-функцию использовать если оригинал отсутствует, а нам нужно породить что-то совершенно новое? Ответ напрашивается сам собой — уровень положительных эмоций, вызываемый изображением-кандидатом.
Однако, это ставит новый вопрос — как его надежно измерить. Наиболее простым подходом было бы попросить пользователя поставить оценку изображению, однако на мой взгляд это слишком напрягло бы логическую часть мозга, так как приходилось бы много думать, сомневаться 4 поставить или 5, помнить какую оценку поставил «вон той красивой картинке», чтобы соблюсти иерархию.
Так как фитнес-функция используется для ранжирования решений, сортировки их в порядке возрастания достоинства, предлагается опустить фазу подсчета фитнес-функции и перейти сразу к сортировке, используя человеческий мозг в качестве компаратора.
Исходный код Java приложения, реализующего данную идею может быть найден здесь, исполняемый код можно скачать здесь, для запуска требуется JRE или JDK.
Приложение функционирует следующим образом:

  1. порождается популяция случайных изображений
  2. изображения сортируются алгоритмом QuickSort, при этом, сравнение изображений осуществляет человек — ему демонстрируется пара картинок и предлагается выбрать лучшую из двух
  3. после завершения сортировки, в соответствии с генетическим алгоритмом, путем скрещивания наилучших представителей популяции порождается следующее поколение картинок
  4. шаги 2 и 3 повторяются бесконечно, в любой момент можно сохранить понравившееся изображение посредством контекстного меню

Алгоритм QuickSort был немного модифицирован, чтобы сократить количество кликов мыши, необходимых для одного цикла сортировки:
сортировка прекращается, как только однозначно определяется 6 лучших решений, которые будут использованы для порождения нового поколения
результаты сравнения с предыдущих циклов кэшируются, и если однажды пользователь уже сравнивал какую-то пару картинок, на следующей итерации результаты будут взяты из кэша

От теории к практике

Абстрактное изображение

Для начала попытаемся нарисовать абстрактное изображение которое будет радовать наш глаз. Будем строить изображение, как наложение пяти случайных радиальных градиентов с прозрачностью 50%. Каждый градиент характеризуется центральной точкой, точкой фокуса, радиусом и набором из десяти цветов, плавно переходящих друг в друга.
Все эти параметры инициируются случайными значениями и подвергаются эволюции под действием вкусовых предпочтений пользователя.
Изображения из первых поколений обычно выглядят примерно так:

Генерация дизайнерских идей при помощи генетического алгоритма

Генерация дизайнерских идей при помощи генетического алгоритма

Однако уже через несколько поколений привлекательность изображения многократно улучшается:

Генерация дизайнерских идей при помощи генетического алгоритма

Генерация дизайнерских идей при помощи генетического алгоритма

Дизайн часов-виджета

Рассмотрим более практический пример, создадим дизайн виртуальных часов, которые можно использовать как виджет.
Разделим часы на следующие составляющие и определим параметры, которые подвергнем отбору.

Элемент виджета Параметры
Корпус
  • точки описывающие полигон, при этом каждая вторая является контрольной
  • толщина и цвет линии
  • параметры градиентной заливки

Циферблат
  • радиус
  • толщина и цвет линии
  • параметры градиентной заливки
  • толщина и цвет стрелок
  • пропорции стрелок относительно циферблата и друг друга

Большие отметки (12, 3, 6, 9 часов)
  • расстояние от центра
  • вид (точки, черточки, римские цифры, арабские цифры)
  • размер
  • цвет
  • шрифт (если применимо)

Малые отметки (все остальные) Тот же набор что и у больших отметок

Как и в случае с радиальными градиентами, первые поколения часов выглядят как произведения авангардного искусства:

Генерация дизайнерских идей при помощи генетического алгоритма

Генерация дизайнерских идей при помощи генетического алгоритма

Со временем же, под действием искусственного во всех смыслах отбора начинают появляться вполне достойные варианты:

Генерация дизайнерских идей при помощи генетического алгоритма

Генерация дизайнерских идей при помощи генетического алгоритма

Генерация дизайнерских идей при помощи генетического алгоритма

Заключение

Таким образом продемонстрирована практическая применимость генетического алгоритма в дизайне. Случайный характер алгоритма позволяет сгенерировать идеи, которые не пришли бы в голову сами, а скрещивание нескольких хороших решений со временем собирает воедино их наилучшие элементы.
Описанный подход можно использовать для широкого набора дизайнерских задач, например для:

  • создания аватаров в играх или фотороботов в криминалистике
  • создания сайтов
  • конструирования формы предметов домашнего обихода
  • дизайна автомобилей

Единственное неудобство с моей точки зрения — это необходимость сортировать картинки попарным сравнением, что при размере популяций в 14 штук приводит к необходимости совершить 15-40 кликов за цикл.
Естественной оптимизацией было бы использование нейрокомпьютерного интерфейса наподобие Emotive EPOC. Это позволило бы демонстрировать каждую картинку один раз с измерением уровня положительных эмоций вызываемых изображением, что в свою очередь повысило бы скорость эволюции, позволило бы увеличить размер популяции для более широкого охвата пространства решений.

Автор: tsvetkovpa

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля