砌出新境界

傅志榮發掘樂高積木實際應用

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。」

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。

「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。」

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。

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

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