The Nature of Code（譯） — 前言（內含教學大綱）

來自專欄設計譯店

關於我（譯者）：

一名熱愛英語的准設計師，希望能夠大量閱讀外文設計書籍與文獻，並分享給熱愛設計的大家。若哪裡翻譯的不好也希望大夥們能提出意見，我一定會改進的！

《The Nature of Code》的作者是從NYU的ITP（Interactive Telecommunications Program)畢業，和RCA的IDE（Innovation Design Engineering)相似，未能往這個方向走我倍感遺憾，因此作為興趣希望多閱讀相關書籍補充知識。

「世界以一種複雜而又絢麗的方式圍繞著我們運轉。幼年的我們通過感知與互動了解周圍的環境，期待周圍的物質世界與自己的感知記憶一致。比如說我們扔一塊石頭，它會因重力墜落，如果一陣風吹來，較輕的物體將被風吹得更遠。本課程注重的是理解、模擬、把基於運動的物質世界融入到我們所創建的數字世界中。我們的願望是利用用戶的感知記憶創造直觀的、豐富的、更令人滿意的體驗。」

—— 2003年春天，James Tu對多體動態（Dynamic Bodies）課程的描述

前言

P.1 這本書寫得是什麼？

在ITP（http://itp.nyu.edu)，我教授一門名為「計算媒體入門」的課程。在該課程中，學生學習編程的基礎知識（變數、條件、循環、對象、數組）以及製作與交互項目相關的應用程序（圖像、像素、計算機視覺、網路、數據、3D）。這個課程大體上遵循的資料是我的入門書籍——Learning Processing。The Nature of Code這本書從許多方面來講是一種跟進。一旦你學過了基礎知識以及了解了一系列應用程序，接下來你會做的可能是深入研究一個特定的領域。比如說，你可能專註於計算機視覺（讀一本類似於Greg Borenstein的Making Things see)。從最基本意義上來說，這本書可能是大多數人下一本要讀的。這本書準確地選擇了Learning Processing遺留下的問題，展示了更高級的編程技術，並且將重點放在演算法和模擬上。

這本書的目標很簡單，我們想要了解自然發生在物理世界裡的事物，接著判斷出如何寫代碼模擬出這些發生的事物。

所以這本書究竟講的是什麼呢？這是本關於科學的書籍嗎？答案肯定是否。我們確實可能會研究物理或生物相關的主題，但是並不需要以相當高的學術嚴謹性去調查。相反，我們將掃掠科學概念，抓住構建特定軟體示例的服務中所需要的部分。

這是一本藝術或設計的書籍么？我也會給否定答案，畢竟我們將重點放在演算法和它們附加的編程技術上。確實結果將都會以視覺效果（動畫草圖處理）呈現。但是它們更多的以演算法和編程技術本身的演示而存在，畫出的只是簡單的形狀和灰度。然而我所希望的是，設計師和藝術家們能夠將這裡所有的材料轉換到自己的練習中，創造出新的、吸引人的作品。

最後，如果這本書有什麼意義的話，就是一本很好的老式編程書。儘管科學主題可以作為一個章節來講（牛頓物理學、細胞生長、進化）或其結果能夠激發藝術家某個項目的靈感，內容本身總會歸結於代碼的實現，並且特別注重於面向對象的程序設計。

P.2 關於Processing的話

在這本書中，我運用Processing語言是有一定原因的。第一，它的語言和環境最讓我舒適，我也喜歡在個人工作中使用它。第二，它是免費、開源、非常適合初學者的。這裡是Processing編程人員的社區，活躍又充滿著活力。對許多人來說，這是他們學到的第一種編程語言，因此我希望能廣泛接觸到讀者，並通過使用Processing，以友好的方式展現這些概念。

總之，沒有什麼東西把我們在書中所做的內容嚴格地與Processing相關聯。本書可以使用ActionScript，JavaScript，Java（無Processing）或任何其他開源「創意編碼」環境，如openFrameworks，Cinder或新發布的pocode編寫。我希望完成這本書後，我將發布能在其他環境運行的示例版本。如果有人對協助移植示例感興趣，請隨時與我聯繫（daniel@shiffman.net)。

這本書中所有的例子都已經使用Processing2.0b6測試，但大多數情況應該可以用老版本Processing運行。我會隨時更新最新版本，最近的代碼在GitHub上一定能找到(shiffman/The-Nature-of-Code-Examples)

P.3 你需要知道些什麼？

理解本書內容的前提可以表述為：「一個學期的Processing編程教學(包括熟悉面向對象的編程）」。也就是說，你沒有理由不能讀這本使用不同語言或開發環境去學習編程的書。 關鍵是你要有編程經驗。

如果你從來沒寫過代碼，將會很困難，因為這本書假設了讀者已具備所有的基礎知識。我建議你撿起一本Processing入門書籍，其中有一些在Processing網站上列出來了（Processing.org learning/books/)。

如果你是一名經驗豐富的程序員，但是從來沒有使用Processing工作過，可以下載Processing（Download Processing.org）來獲取它，通過示例移植代碼，並閱讀入門界面（Tutorials Processing.org gettingstarted/）。

我還應指出，面向對象編程的經驗至關重要，我們在書中將回顧一些基礎知識，但我建議去閱讀些關於對象的Processing教程。

P.4 你用什麼來閱讀這本書呢？

你用Kindle?紙質版？在電腦上看PDF格式的？平板上展現的HTML5動態版本？你是否躺在椅子上，通過一系列電極，管子和墨盒將內容直接吸收到自己大腦中？

現在你在看的這本書，是從MagicBook項目(http://www.magicbookproject.com)結晶而成的。MagicBook是ITP開發的自發布開源框架。這裡的想法是，你只需要把一本書寫成一個簡單的文本文件即可。 一旦你寫完了你的內容，你就可以按下一個魔法按鈕，然後以各種格式（PDF，HTML5，印刷版，Kindle等）發布你的書。一切都是用CSS設計的。從第一版開始，唯一的版本將只有數字PDF、列印出來的硬拷貝、HTML5(其中包括使用Processing.js的動態示例版本）等。希望在這個過程結束後的下一年，這本書能提供添加其他格式。如果有人願意協助我們做此事，請與我聯繫（daniel@shiffman.net)。

P.5 這本書的「故事」

如果你瀏覽了本書的目錄，你會發現一共有十個章節，每一章節都包含不同的話題。從某種意義上說，這本書就是對十個概念和相關示例的調查。儘管如此，在整理材料的時候，我總是想像一些線形敘述。在你閱讀章節之前，我想引導你閱讀這個故事，覺得重要的是讓你先了解整個過程。

第一部分 靜物

躺在草坪上的足球，一腳踢向空中，重力使它墜落，一陣疾風吹過讓它在空中停留了一會兒，直到它落下並從彈跳的球員頭上彈開。足球是無生命的，它無權選擇如何在這個世界移動。相反，它是一個無生命的物體，等待著受環境力量的推動和拉動。

我們如何運用Processing模擬出一個足球的運動？如果你曾做過球飛躍過窗口的編程，你可能會寫出以下這行代碼。

x=x+1

你在x的位置畫了一些形狀。隨著每一幀動畫，你增加x的值，重新繪製形狀，瞧！——運動的幻覺!可能你還需要一兩步，包括y的位置以及沿x,y軸的速度變數。

x = x + xspeed;

這個故事的第一部分將帶領我們更進一步。我們將採用這些變數xspeed和yspeed，學習如何組合它們形成一個向量（第一章），運動的基石。我們不會從中獲得任何新功能，但是它將會為書中餘下的內容打下堅實的基礎。

一旦我們知道一些關於向量的知識，我們很快就會意識到力就是向量（第二章）。踢足球時，你就在運用一股力。力能使物體發生什麼變化？根據Isaac Newton，力等於質量乘以加速度。力能使物體加速度。模擬力量將允許我們創造出具有動態運動的系統，其中對象根據各項規則移動。

現在你施加的力也可能讓這個足球旋轉。如果一個物體因其加速度移動，它也可以因其角加速度旋轉（第三章）。了解角度和三角學的基礎知識將協助我們模擬旋轉的物體，並掌握擺動運動的原理，如擺鐘的擺動或彈簧的彈跳。

一旦我們為個體靜物解決了運動和力的基本問題，我們將學習如何製作成千上萬個這樣的物體，並在稱為粒子系統的單個系統中管理它們。粒子系統將使我們能夠看到面向對象編程的一些高級功能，即繼承和多態性。

從第一章到第四章，所有示例都將從「scratch」開始編寫，意味著驅動物體運動的算術代碼將直接寫入Processing。我們當然不是第一個考慮在動畫中模擬物理的想法的程序員，所以接下來，我們將研究如何使用物理庫（第5章）來模擬更高級和複雜的行為。 我們將會看看Box2D（http://www.box2d.org）和toxiclibs的Verlet物理包（http://toxiclibs.org/）。

第二節：它是活的！

模擬生命是什麼意思？這不容易回答，但我們可以開始建造一個可感知周圍環境的物體。我們來思考一下，一塊木塊從桌子上掉下來會隨著力運動，就像海豚在水中游泳一樣。但是有關鍵的不同。木塊不能自己決定跳過桌子。海豚可以決定跳出水面，它能有夢想和渴望，感受到飢餓與恐懼，這些感覺引導它們的運動。通過研究自治代理建模背後的技術（第6章），我們將為我們創建的無生命物體注入生命，讓它們根據對環境的理解來決定自身行動。

通過結合自治代理的概念與我們在第四章節學習的模擬系統，我們將看見模型表現出複雜屬性的團隊行為。一個複雜的系統會典型的被定義為一個「不僅僅是各部分之和」的系統。儘管系統的各個元素可能非常簡單易懂，但系統的整體行為可能會非常複雜、智能並且難以預測。這將導致我們得遠離純粹思考建模運動，進入一個基於規則為系統的領域。我們可以用元胞自動機來建模嗎？我們可以用分形生成什麼類型的模式？是自然幾何嗎？

第三節 人工智慧

我們讓事物運動，接著給予它們希望、夢想還有恐懼，遵從規則地生存下去。本書的最後一步是讓我們的創造更加智能化。 我們是否可以將生物的進化過程應用於計算系統（第9章）得以進化我們的物體？ 我們若從人類的大腦中獲取靈感，是否可以編製一個人工神經網路（第10章），使它們從錯誤中學習，並適應自身的環境？

P.6 這本書就像一個教學大綱

儘管這本書的內容確實像被高度壓縮又緊張的一學期，我還是將它設計成了一個適合14周的課程。儘管如此，值得一提的是我發現本書的很多章節更適合擴展到多個星期完成。比如說，我課程的教學大綱的大致如下：

第一周 入門和向量（第一章）

第二周 力（第二章）

第三周 振幅（第三章）

第四周 粒子系統（第四章）

第五周 物理庫 第一部分（第五章）

第六周 物理庫 第二部分&轉向（第五章-第六章）

第七周 目前關於運動的中期項目

第八周 複雜系統：集群和一維元胞自動機（第六章-第七章）

第九周 複雜系統：二維元胞自動機和分形（第七章-第八章）

第十周 遺傳演算法 （第九章）

第十一周 神經網路（第十章）

第十二周-第十三周 終期項目工作坊

第十四周 最終項目展示

P.7 生態系統項目

儘管我想讓你捲曲在一張舒適的椅子上讀著編程的書，學習編程，但你不得不做些編程。你可能發現當書一章章過的時候，記住項目的一兩個想法對開發一系列練習有幫助。事實上，當在ITP教授自然語言課程的時候，我常發現學生享受建立單一的項目，就這樣一周又過了一周，跨越了一個學期的課程。

在每個章節的最後，你將看到一些針對各個項目的練習，這些練習建立在項目彼此之間，一次一個話題。考慮一下如下的情況。你被一個科技博物館叫去開發一個新展覽的軟體——數字生態系統，一個有著動態的程序化生物們的世界，它們活在投影屏幕上，當觀眾走進博物館時供他們欣賞。我的意思不是說這是一個特別有新意、創造力的概念。相反，我們將運用這個例舉項目的理念作為這本書內容的字面表達，演示如何將這些元素組合在一個軟體項目中。我鼓勵你去找到自己的思路，它有著更吸引人、更有創造力的想法。

P.8 網上我在哪裡能找到代碼，提交反饋？

所有與本書相關的的都可以在自然的語言官網（http://www.natureofcode.com) 找到。本書的原始版本和所有的插圖都在GitHub(http://github.com/shiffman/The-Nature-of-Code)上。請留下反饋意見，用「GitHub問題」提交更正。所有示例（和練習）的源代碼也可在GitHub上獲取（http://github.com/shiffman/The-Nature-of-Code-Examples）。章節本身包含與文本一致的代碼片段。不過我要提一下，在很多情況下，我縮短或者簡化了代碼片段是為了具體說明一點。在所有情況下，帶有註解的完整代碼可以通過GitHub查找到。

如果你對代碼本身有問題，我建議你將它們發布到Processing論壇(http://forum.processing.org)上。

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