用傳統(tǒng)伊斯蘭十角星圖案玩轉(zhuǎn)彭羅斯密鋪

女士們，先生們，老少爺們兒們！在下張大少。

在伊斯蘭藝術(shù)和建筑瓷磚設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)的十角星圖案經(jīng)過(guò)改進(jìn)，可以根據(jù)彭羅斯密鋪的基本準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列。一個(gè)簡(jiǎn)單的密鋪應(yīng)用于六個(gè)傳統(tǒng)的主題，可以創(chuàng)造類似五邊形彭羅斯密鋪。然后應(yīng)用指導(dǎo)這些彭羅斯密鋪的分級(jí)鋪砌的替換規(guī)則，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。最后探索藝術(shù)家如何向觀眾暗示這些設(shè)計(jì)所代表的彭羅斯密鋪的數(shù)學(xué)特征，包括它們的正確排列、替代規(guī)則、準(zhǔn)周期性和其他特征。

介紹

彭羅斯密鋪的基本結(jié)構(gòu)可以用傳統(tǒng)的伊斯蘭幾何密鋪圖案來(lái)裝飾[1][3]。本文提出了一種通用方法，將傳統(tǒng)的十角星圖案重新排列到彭羅斯密鋪框架中(圖1)，采用多邊形方法來(lái)創(chuàng)建與五邊形彭羅斯密鋪等效的元素，這些元素可以通過(guò)分層鋪砌遵循替換規(guī)則。我從現(xiàn)有的傳統(tǒng)幾何設(shè)計(jì)的多邊形和密鋪分析開(kāi)始[1][10]，借鑒Majewski [10]的特定密鋪方法，將直觀發(fā)現(xiàn)的特定案例應(yīng)用于其他主題。

圖 1：將傳統(tǒng)的伊斯蘭幾何圖案排列成彭羅斯密鋪。一些圖案的名稱與文獻(xiàn) [10] 同，但大多數(shù)圖案在歷史上都有許多不同的位置和表現(xiàn)形式。從左至右：玫瑰圖案（在 [10] 中被命名為 Kukeldash，由 "Tond "拼塊組 [2] 組成）、Nodir Devon 圖案（"Kond "拼塊組的一個(gè)子集）和十角星 Pandjara 圖案。

五角形彭羅斯密鋪的替換規(guī)則和分層鋪砌

讓我們首先考慮五角形彭羅斯密鋪及其替換規(guī)則，如圖2[7][8][12]所示。在三種標(biāo)準(zhǔn)的Penrose密鋪(五邊形P1，風(fēng)箏和飛鏢P2，菱形P3)中，我選擇使用五邊形版本(P1)，以便將其替換規(guī)則作為分層鋪砌過(guò)程的步驟。彭羅斯密鋪通常由其邊緣匹配規(guī)則定義，可由其替換規(guī)則生成。彭羅斯鋪層是準(zhǔn)周期的，具有局部同構(gòu)[13]。

在五邊形彭羅斯密鋪中有六種不同的拼塊。我將把這三個(gè)五邊形稱為P-5、P-3和P-2，這取決于它們是否在邊緣處與五個(gè)、三個(gè)或兩個(gè)其他五邊形相連。對(duì)于剩余的三種拼塊，我使用羅杰·彭羅斯[12]給出的原始名稱：星星、船和鉆石。圖2e展示了五邊形彭羅斯密鋪的有限選擇。圖2b-d，f-h展示了三個(gè)層次的鋪砌，第0層是初始拼塊。在下一節(jié)中，當(dāng)我們尋找可以與傳統(tǒng)十角星主題一起適配的拼塊和規(guī)則時(shí)，需要層次1和2來(lái)給我們提供線索。

圖2: (a)一套六種不同的五邊形彭羅斯密鋪類型。邊緣匹配規(guī)則由顏色指示，其中顏色的亮版本和暗版本是匹配的。這些邊緣顏色對(duì)應(yīng)于[8]中的邊緣標(biāo)簽。五角形密鋪內(nèi)的顏色有助于我們跟蹤它們的0級(jí)身份。(b-d)五邊形的替換規(guī)則[8]。(e)五邊形彭羅斯密鋪。(f-h)菱形、船形和星形拼塊的替換規(guī)則[8]。

在這里，我們將替換規(guī)則視為指導(dǎo)分級(jí)鋪砌過(guò)程，其中所有拼片保持固定大小，并且所得到的拼片排列可以被視為“超級(jí)拼塊”，遵循與層級(jí)中下一級(jí)的原始拼片相同的替換規(guī)則。具有邊緣匹配規(guī)則的六個(gè)拼塊的集合構(gòu)成層級(jí)的0級(jí)。級(jí)別1是應(yīng)用替換規(guī)則的結(jié)果。當(dāng)?shù)诙螌?duì)這些超級(jí)拼塊應(yīng)用替換規(guī)則以產(chǎn)生第二級(jí)超級(jí)拼塊時(shí)，第一級(jí)超級(jí)拼塊在功能上等同于第0級(jí)拼塊。每個(gè)超拼塊都通過(guò)構(gòu)造遵守匹配規(guī)則。

由于彭羅斯密鋪的局部同構(gòu)特性，密鋪的任何有限部分都可以通過(guò)將超級(jí)拼塊鋪砌到層級(jí)中足夠高的級(jí)別來(lái)產(chǎn)生，使得感興趣的有限部分包含在該級(jí)別的一個(gè)或多個(gè)超級(jí)拼塊中。因此，彭羅斯密鋪的任何有限區(qū)域都可以通過(guò)這種方法產(chǎn)生，并且增長(zhǎng)是指數(shù)級(jí)別的。

密鋪玫瑰圖案

我從十瓣玫瑰圖案開(kāi)始(圖3)，在傳統(tǒng)的伊斯蘭設(shè)計(jì)中無(wú)處不在，由“Tond”拼塊組合b[2][3]組成。根據(jù)Majewski[10]的分析，這種密鋪只需要三種拼塊。玫瑰圖案將直觀地適應(yīng)這里的五邊形彭羅斯密鋪，給我們一個(gè)從頭開(kāi)始的密鋪點(diǎn)。這個(gè)圖案以前被用來(lái)裝飾[3]中的彭羅斯菱形，在沒(méi)有明確的彭羅斯匹配規(guī)則的情況下，人們可以根據(jù)薄菱形的兩種可能的方向推斷出玫瑰圖案的兩種不同的P3彭羅斯密鋪。這兩種選擇中的一種產(chǎn)生了我們接下來(lái)開(kāi)發(fā)的玫瑰彭羅斯密鋪(圖1a，圖5)。我們可以很容易地在三種標(biāo)準(zhǔn)彭羅斯密鋪(P1, P2和P3)之間轉(zhuǎn)換密鋪裝飾。然而，這里的目的是將五邊形彭羅斯密鋪等同于整個(gè)伊斯蘭密鋪形狀的集合體，這些集合體可以通過(guò)相同的替代規(guī)則進(jìn)行操作，以規(guī)定分層鋪砌過(guò)程，在集合體的匹配邊緣沒(méi)有重疊和空隙。

圖3: (a)三種拼塊，用于我們的彭羅斯密鋪。Majewski [10]的密鋪使用(從上到下)Girih集合中的Penta拼塊，以及[5]的類別適配拼塊中的Cone和Pyra拼塊。(b)重復(fù)十角星玫瑰花結(jié)圖案，取自Kukeldash Madrasah，覆蓋了Majewski的密鋪[10]。(c)來(lái)自阿格拉I'timd-ud-Daulah陵墓的圖案為我們提供了兩個(gè)部分玫瑰圖案，這將有助于完成彭羅斯密鋪。請(qǐng)注意，該密鋪也完全由與(b)中相同的三個(gè)裝飾密鋪。(d)在這些和我們的彭羅斯密鋪中出現(xiàn)的拼塊形狀的集合，稱為Tond拼塊集合[2]。灰色的單幅圖塊形狀出現(xiàn)在黑色單幅圖塊形狀之間的負(fù)空間中。

Bonner[1]和Majewski的作品[10]中深入解釋的多邊形方法是我們將等級(jí)替換規(guī)則適用于許多主題的關(guān)鍵。我在這里將多邊形稱為密鋪，注意這三個(gè)密鋪拼塊，如圖3A所示，在Erikson的分析中稱為Penta、Pyra和Cone[5]。我們還需要Erikson的短拼塊類別[6]中的日出和盾牌拼塊中包含的形狀，但我們不需要切換到該論文的短拼塊方法。

發(fā)現(xiàn)玫瑰花圖案與五邊形彭羅斯拼塊匹配的替換規(guī)則

此處采取一種直觀的，嘗試性的方法來(lái)適應(yīng)玫瑰圖案的五邊形彭羅斯拼塊和它的替代規(guī)則。讓我們開(kāi)始在花瓣，太陽(yáng)和玫瑰圖案的其他形狀元素的視覺(jué)完形中工作。后來(lái)，我們切換回密鋪的適應(yīng)性，將結(jié)果應(yīng)用到其他十角形圖案。在玫瑰圖案中，我們將遇到的形狀都是“Tond”拼塊集[2]的一部分。我將把傳統(tǒng)的伊斯蘭拼塊形狀稱為“拼塊形狀”，把彭羅斯和密鋪拼塊稱為“拼塊”，把彭羅斯拼塊形狀的有限排列稱為“集合體”。

給定一個(gè)完整玫瑰花形的十角星對(duì)稱，將其對(duì)稱中心放在五邊形拼塊P-5、P-3和P-2的5重對(duì)稱中心上是有意義的。我們可以使用顏色來(lái)跟蹤哪些拼塊相互對(duì)應(yīng)。我們將認(rèn)為小塊拼塊形狀的集合相當(dāng)于0級(jí)彭羅斯拼塊，這意味著沒(méi)有進(jìn)一步細(xì)分的可能。我們從0級(jí)P-5五角形開(kāi)始。為了在第1層復(fù)制其與其他五個(gè)五邊形的連接，在中心玫瑰花結(jié)周圍對(duì)稱放置另外五個(gè)玫瑰花結(jié)，以猜測(cè)P-5第1層結(jié)構(gòu)(圖4)。我們現(xiàn)在考慮產(chǎn)生的差距。很明顯，玫瑰花結(jié)圖案的星星形狀可用于填充玫瑰花結(jié)之間的小間隙，因此我們首先用這些星星包圍等同于P-5的玫瑰花結(jié)(圖4A)。它們就像一種邊緣形狀，是解釋邊緣匹配規(guī)則的一種方式。P-5五邊形是對(duì)稱的，所以我們給它一個(gè)這些星星圖案的對(duì)稱冕。

圖4：確定等同于五邊形彭羅斯拼塊集合的玫瑰拼塊集合的過(guò)程。

接下來(lái)，我們注意到P-3五邊形有兩條邊與P-5五邊形相同，所以我們也給這些邊賦予了星形。P-3和P-2五邊形的其他邊沒(méi)有星形，推測(cè)這將允許沒(méi)有重疊或間隙的匹配。當(dāng)我們繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，如果我們?cè)诜謱愉伷鲋袘?yīng)用替換規(guī)則后發(fā)現(xiàn)重疊或空白，我們必須進(jìn)行猜測(cè)和修正。

圖5:在第1級(jí)和第2級(jí)應(yīng)用的替換規(guī)則驗(yàn)證我們的拼塊集合體選擇與五邊形彭羅斯替換規(guī)則一起工作。這4個(gè)2級(jí)的超級(jí)拼塊是足夠的驗(yàn)證，因?yàn)樾切侵貜?fù)了與鉆石和船相同的相互作用。

P-5五邊形具有簡(jiǎn)單和對(duì)稱的相互作用，因此我們繼續(xù)猜測(cè)2級(jí)P-5五邊形的構(gòu)造以獲得更多線索(圖4b)。我們只需要將1級(jí)P-3五邊形連接到1級(jí)P-5五邊形，創(chuàng)建另一個(gè)要填充的間隙，其中菱形拼塊協(xié)調(diào)交互(圖4C)。我們從其他傳統(tǒng)圖案中尋找主題，發(fā)現(xiàn)中心為盾形的三瓣玫瑰花結(jié)非常適合這個(gè)空間(如圖3C)。通過(guò)再次從現(xiàn)有的邊緣膠中獲取線索，我們決定了花瓣的方向。現(xiàn)在我們有一個(gè)相當(dāng)于五邊形彭羅斯鉆石拼塊。然而，我們稍后會(huì)發(fā)現(xiàn)，我們也可以選擇另一個(gè)方向，并且仍然可以成功地使用替換規(guī)則。事實(shí)上，任何0級(jí)集合體的內(nèi)部設(shè)計(jì)都是可以修改的，我們將用這種性質(zhì)來(lái)解決出現(xiàn)的尷尬設(shè)計(jì)問(wèn)題。

接下來(lái)，我們重疊三個(gè)五邊形彭羅斯鉆石，以獲得與船和星星相同的邊緣，并查看應(yīng)該如何修改它(圖4E)。重疊強(qiáng)烈地暗示了我們?cè)谶@里為這些拼塊選擇的結(jié)構(gòu)，我們將日出拼塊形狀放置在重疊區(qū)域的中心，并在底部使用錐形密鋪拼塊。考慮到鉆石等量集合體的構(gòu)成，我們還用小星形圖案最大限度地包圍了船和星集合體。在這個(gè)階段，這些都是猜測(cè)。我們將通過(guò)鋪砌圖5中的所有1級(jí)和2級(jí)超級(jí)拼塊來(lái)驗(yàn)證它們的功能是否符合預(yù)期。

圖6：五邊形彭羅斯拼塊密鋪的替換規(guī)則。我們將0級(jí)密鋪集合體著色，以幫助讀者保持跟蹤。密鋪集合體顏色與之前顯示的五邊形彭羅斯拼塊顏色無(wú)關(guān)。替換遵循與圖2相同的規(guī)則。

結(jié)果：拼塊集合體似于五邊形彭羅斯拼塊

現(xiàn)在，在完成1級(jí)拼塊之后，遵循應(yīng)用替換規(guī)則來(lái)構(gòu)建所有2級(jí)超級(jí)拼塊的過(guò)程。我們?cè)趫D5中驗(yàn)證了我們提出的拼塊集合確實(shí)在兩個(gè)級(jí)別上符合替換規(guī)則。現(xiàn)在直觀上很清楚，我們有一個(gè)工作拼塊集來(lái)產(chǎn)生彭羅斯圖案 。我們發(fā)現(xiàn)三種拼塊形狀足以彭羅斯密鋪，并且替換規(guī)則完美地奏效，沒(méi)有間隙和重疊。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這三種拼塊的集合在替換規(guī)則下充當(dāng)六種五邊形彭羅斯拼塊的替代品。

圖7：部分十角星中設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的解決方案細(xì)節(jié)。(a)用附加的Pyra拼塊解決了缺少的Tan Sahid元素。(b)作為彭羅斯密鋪的Tan Sahid圖案，(c)用Pyra拼塊和鏡像錐形拼塊解決了Yazd圖案的不和諧元素。(d)作為彭羅斯密鋪的Yazd圖案。

十角形拼塊主題嵌入彭羅斯密鋪

將密鋪替換規(guī)則應(yīng)用于其他十角形圖案

我們的嘗試性玫瑰彭羅斯和Majewski密鋪之間的映射為我們提供了可以承載其他密鋪形狀的密鋪拼塊幾何體(圖6)。我們可以使用我們?yōu)镸ajewski密鋪拼塊找到的替換規(guī)則，將任何具有Majewski密鋪的十角星拼塊變成彭羅斯排列。這不是唯一可以這樣工作的集合體，也不是唯一可以應(yīng)用的密鋪或替換規(guī)則。但是，通過(guò)制作類似于五邊形彭羅斯拼塊的多邊形集合體，在十角星圖案和彭羅斯結(jié)構(gòu)之間存在直接的美學(xué)聯(lián)系，這可以使希望創(chuàng)作這些密鋪的藝術(shù)家受益。從這項(xiàng)工作中可以推斷出三拼塊Majewski密鋪的其他替換規(guī)則，但我在這里不會(huì)遵循這個(gè)方向。

圖8：主要結(jié)果：拼塊形狀集合等效于五邊形彭羅斯拼塊，改編自傳統(tǒng)圖案。從左到右的主題是:五邊形彭羅斯，密鋪圖案，十角星Pandjara，Nodir Devon，波斯圖案，玫瑰花結(jié)，Tan Sahid，Yazd。

解決設(shè)計(jì)困境

Majewski的分析b[10][11]包含了一些經(jīng)驗(yàn)法則來(lái)解決某些拼塊意外鄰接的情況下的設(shè)計(jì)困境。在這里，我們可以遵循這些指導(dǎo)方針和我們自己的審美來(lái)找到合適的解決方案，以解決圖7中的這些設(shè)計(jì)困境。解決了這些細(xì)節(jié)后，我們有了一整套密鋪拼塊集合體，類似于0級(jí)五邊形彭羅斯拼塊，將傳統(tǒng)的十角形圖案帶入彭羅斯密鋪(圖8)。

圖9:(a)玫瑰花圖案的大量密鋪和著色揭示了彭羅斯密鋪的遞歸水平和特征。我們還看到，玫瑰設(shè)計(jì)可以在鉆石等效幾何體中反轉(zhuǎn)，如上所述。(b)波斯彭羅斯密鋪用顏色突出顯示一個(gè)方向上的阿曼條帶，顯示粗線和細(xì)線的斐波那契序列。(c)波斯彭羅斯密鋪的多層密鋪表明圖案的遞歸結(jié)構(gòu)和密鋪分析。

藝術(shù)介入：藝術(shù)家如何在設(shè)計(jì)中展示彭羅斯密鋪

展示彭羅斯密鋪的特征和知識(shí)

傳統(tǒng)的伊斯蘭幾何拼塊揭示了設(shè)計(jì)師對(duì)幾何的復(fù)雜理解。一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)圖案的彭羅斯排列如何呈現(xiàn)出我們對(duì)彭羅斯密鋪的理解水平?傳統(tǒng)伊斯蘭圖案(如伊斯法罕的Darb-e Imam神殿)具有準(zhǔn)周期性，這一大膽的主張已被反復(fù)提出，也被反復(fù)駁斥。因此，值得一問(wèn)的是，設(shè)計(jì)師如何才能讓觀眾相信設(shè)計(jì)師對(duì)彭羅斯密鋪背后的數(shù)學(xué)知識(shí)?

圖10：(a)來(lái)自Darb-e伊瑪目神殿的Kond 形狀的彭羅斯排列。(b)Kond 形狀的彭羅斯排列。(c)引導(dǎo)(a)和等效(d)的Nodir Devon拼塊排列。(d)由(f)導(dǎo)出的五邊形cartwheel圖案的中心。(e)五邊形cartwheel圖案。(f)術(shù)語(yǔ)“cartwheel”是由約翰康威創(chuàng)造的，用來(lái)描述風(fēng)箏和飛鏢彭羅斯拼塊(青色)在這里顯示的紅色輪廓規(guī)則十角形內(nèi)的排列(從[7]旋轉(zhuǎn)180°)。轉(zhuǎn)換自五邊形彭羅斯密鋪[8]，我采用五邊形的內(nèi)輪及其內(nèi)部作為五邊形cartwheel(灰色)。(g)五邊形彭羅斯等效集合體的生成(b)。

向觀眾傳達(dá)彭羅斯密鋪精確知識(shí)的最有效方法之一是創(chuàng)建非常大的密鋪并添加顏色，以幫助眼睛看到分形性質(zhì)、比例、對(duì)稱性和非周期性(圖9a)。要做到這一點(diǎn)，人們必須很好地理解結(jié)構(gòu)，這對(duì)于觀眾來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。我在這里列出了許多方法來(lái)展示彭羅斯密鋪的數(shù)學(xué)知識(shí):1)顯示一個(gè)大區(qū)域，用顏色顯示結(jié)構(gòu)(圖9a)，2)顯示設(shè)計(jì)的多個(gè)遞歸層次(圖9c)，3)突出顯示諸如阿曼條帶(圖9b)，車輪(圖10)和五重對(duì)稱的中心等特征，4)突出顯示或突出顯示替換規(guī)則，5)顯示一個(gè)彭羅斯密鋪如何映射到另一個(gè)，6)在框架內(nèi)包括裝飾，其中包含單詞，定義，證明，幾何構(gòu)造，黃金比例，斐波那契數(shù)列或任何其他相關(guān)的內(nèi)容傳統(tǒng)的伊斯蘭幾何密鋪通常包括瓷磚形狀內(nèi)的設(shè)計(jì)元素和書法，或在瓷磚內(nèi)創(chuàng)建的空間。在這個(gè)框架中有足夠的空間將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)元素與現(xiàn)代數(shù)學(xué)知識(shí)相匹配。

應(yīng)用于Darb-e伊瑪目神殿的十角星圖案

Darb-e伊瑪目神殿拼塊的排列強(qiáng)烈暗示了準(zhǔn)周期彭羅斯結(jié)構(gòu)。本文中的Nodir Devon拼塊與Darb-e 伊瑪目神殿拼塊中更高級(jí)別的拼塊具有相同的形狀。我在這一層應(yīng)用了Nodir Devon彭羅斯密鋪排列(圖10a)。我選擇了彭羅斯密鋪中最小的最具特征的排列：車輪圖案(圖10c-f)[7]，在這種情況下，只是它的中心(圖10d)。在圖10a中，除了Nodir Devon拼塊形狀的裝飾之外，較小的拼塊形狀不起作用。對(duì)于另一種方法，圖10b，我展示了Kond tile形狀集到五邊形彭羅斯等價(jià)物的一種可能的映射，與本文前面使用的密鋪略有不同。這可以用很多方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，但我選擇了一種復(fù)制原作中十個(gè)十角星圓圈的方法。通過(guò)這種方法，彭羅斯結(jié)構(gòu)以不同于傳統(tǒng)Darb-e 伊瑪目神殿密鋪的新方式表現(xiàn)出來(lái)(圖10b)。

結(jié)論

總之，我們利用多邊形技術(shù)和三種Majewski密鋪拼塊(五角形、圓錐形和金字塔形)，通過(guò)創(chuàng)建五角形彭羅斯拼塊系列的類似物，將一組傳統(tǒng)的伊斯蘭十角星圖案改造成彭羅斯拼塊結(jié)構(gòu)。我們已經(jīng)將彭羅斯密鋪的替換規(guī)則解釋為由這些密鋪組成的拼塊形狀集合體的分級(jí)鋪砌過(guò)程。最后，我們突出彭羅斯密鋪的結(jié)構(gòu)特征，如遞歸和準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)，車輪圖案，阿曼條帶和多層次的密鋪，向觀眾傳達(dá)數(shù)學(xué)知識(shí)。

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青山不改，綠水長(zhǎng)流，在下告退。

轉(zhuǎn)發(fā)隨意，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系張大少本尊。