乐高积木是家喻户晓的玩具,它历久不衰、寓教于乐,令人爱不释手,陪伴我们度过童年时光。

但乐高积木的魅力又岂止于此?这些五颜六色的砖块广受全球各地不同年龄的玩家喜爱,连成年人也不乏「乐高迷」。而对傅志荣教授来说,乐高积木更是非同儿戏。

「乐高积木可是一门高深的学问呢。」计算机科学与工程学系的傅教授说。

傅教授本身也是乐高爱好者,他化兴趣为事业,致力开发这些小积木的潜能,扩大其应用范围。「乐高Technic系列于1977年推出,可让用家拼砌复杂的三维建筑模型。一些乐高迷更用这系列建造智能机械人。我也想利用乐高Technic来做点什么。」

乐高Technic系列的用途非常广泛,可用以建造机械织机(左上,来源∶N. Lespour)和起重机(右上,来源∶D. Szmandra),也可用以弹奏结他(下,来源∶TECHNICally Possible)

然而,建造巧夺天工的机械并非易事。「高阶结构的组装机制往往十分复杂。以单车和摩天轮的模型为例,要让机架旋转就必须预留足够空间。从零开始砌出结构完整的模型,着实需要大量的时间和精力。」

幸而经过多年悉心研究,傅教授领导的团队找出解决办法。他们与西门菲莎大学合作,编写出一套破天荒的自动生成演算法。这套演算法能够点石成金,把手绘草图转化为精巧的模型。

傅教授自豪地说:「这套演算法可在数秒钟内产生简单而结构稳妥的模型,并透过图画和影片,教导用家以乐高积木把模型拼砌出来。」

演算法的原理如下:用家首先利用一套名为图形用户介面的电脑计算工具草拟设计,演算法接着便会运用人工智能制作雏型,继而微调成果。最后,演算法会编撰出组装说明,为用家提供可行的构造方案。

「在我们的演算法中,人工智能无疑是居功至伟。」傅教授说。他解释,研究项目的重心之一是令演算法能够理解用家的草图。「众所周知,电脑要将人类语言转译为『零』和『一』,才能明白我们的说话。同理,要让人工智能诠释以至处理草图,我们就必先转换其格式。」

为了克服转译问题,傅教授及其团队设计了一个计算模型,方便演算法取用草图。「我们根据现有的乐高模型仔细研究积木特性、考虑各种连接机制后,利用所得数据编写程式码,进而输入至计算模型。这样一来,演算法便能按照用户所绘画的草稿,制作蓝图。」

回想研究时遇到的种种挑战,傅教授指最大难题是如何令演算法懂得微调草图。「一个结构可以有成千上万种拼砌方式,而要令一个乐高模型中的关节得以旋转,我们又必须用上接头、连接块等特殊配件。要演算法在忠于草图的同时确保模型结构稳固,可说是难乎其难。」

此时数学便派上用场。「经反覆试验,演算法中的人工智能可判断模型在结构完整性、简洁度、与草图的吻合程度等方面的成功机率。电脑接着便会依照成功机率最高的情形,调整设计及组装说明。」

演算法先利用人工智能计算模型在保持平衡、分布压力等方面的成功率,进而微调设计及组装说明

傅教授举了一个例子说明人工智能如何运作。假设你在商场购物,自然希望以最低的价钱买到某种产品。走遍数十家商店后,你或多或少会得知该产品的价值,也大概知道哪些商店物美价廉。同理,藉着多番模拟,演算法可运用人工智能推断模型在某种形态下该用上哪种积木,从而准确地调整设计和组装说明。

有了这套演算法,各式各样的乐高模型现可在一瞬间制作出来。「你想得出的东西,基本上都可利用我们的演算法做出来。精巧细致如捡拾器和风筝、巨大坚固如桥梁和城堡,一一做到。」傅教授称,大至由数千块积木构成的模型,从草图绘制到组装也不过需要几分钟的时间。

利用演算法制作的乐高模型

此研究由香港研究资助局资助,成果已于《电脑图像及互动技术专业组亚洲技术论文》发表。这套由人工智能驱动的演算法不但可以应用于各种积木组件,还可用于建筑及工业设计。

展望将来,傅教授希望朝着多个方向扩展成果。「机器学习是方向之一。我们希望联同一众机械和自动化工程专家,培养演算法从现有结构中学习、自行组装新设计的能力。」