科學與藝術的結合
——計算機美術設計

（陜西職業技術學院，陜西，710100）

科學與藝術的結合
——計算機美術設計

劉曉妮

（陜西職業技術學院，陜西，710100）

由于計算機技術的突飛猛進，計算機圖形的人機交互應用也不斷發展，加之計算機技術也融入了美術設計中，使得科學和藝術在許多領域上都得到了融合。美術是計算機最新探索的領域，并成為美術設計行業最為炙手可熱的研究熱點，對于傳統美術設計來說是一種突破和創新發展。文章主要分析了計算機技術在美術設計中的應用。

科學；藝術；計算機；美術設計

1 計算機技術在美術設計中的應用

社會和科技的發展毫無疑問會對藝術的發展造成影響。尤其是計算機技術的發展，使其成為人們生活或不可缺的重要部分，對人們生活和工作都產生了巨大影響，美術是計算機最新探索的領域，并成為美術設計行業最為炙手可熱的研究熱點，對于傳統美術設計來說是一種突破和創新發展。當前，計算機技術在美術設計領域中的應用主要表現在以下幾方面:

1.1在基礎圖案創作中的運用

基礎圖案的創作設計的步驟是，將若干個相同或是不同的圖形，在二維平面空間中排列組合，以達到不一樣的視覺效果。這種設計方式有較強的靈活度，即便是相同的圖形也能夠通過組合的變化構建出千變萬化的排列組合，達到沒有重復的造型效果，這就是設計設藝術思維的實現。這種設計方式的實現可以借助于計算機中的AutoCAD繪圖軟件，他不僅可以在二維空間內進行繪圖，還可以進行三維實體造型。利用AutoCAD能夠方便快捷的設計平面圖形，還可以通過復制、鏡像、旋轉等操作使圖形變化出多種組合方式，這對于手繪工作來說，大大減輕了設計者的負擔。

1.2在色彩調配中的運用

色彩是美術誰作品中重要的組成因素，相同的作品不同的配色方案，也能給人們的視覺帶來非同一般的體驗。在計算機技術還沒有普及的時候，作品色彩的運用是依靠設計者的想象進行的，這樣使得色彩的選擇精確度不高，現實和想象還存在一定差距，就會造成左中作品的不理想。運用計算機中的Adobe Photoshop軟件，就能很好地解決色彩的使用及調控的問題，靈活的色彩選取和調配使得色彩表達更為精準明確，色彩搭配更為便捷輕松，降低了想象與現實之間的誤差。

1.3在立體設計中的運用

立體造型的設計過程中，要求設計者有較強的空間想象能力，但是單純的想象往往會導致現實和想象還存在一定差距，進行立體設計難度較大。但是計算機三維建模及渲染技術能夠很好地解決這個問題，它能精準的展示一個立體實物的各個角度細節，使設計者能夠全方位的觀察物體，在視點的流動過程中對實體進行修改和塑造。目前，立體設計中應用最為廣泛的就是計算機3DSMAX軟件，該軟件擁有標準集合體的建立命令面板，為設計者提供了方便快捷的使用體驗。此外，3DSMAX中的材料庫也便于設計者的素材尋找和積累，給美術設計者帶來了豐富的素材模擬，大大降低了手工繪制和塑造的工作量。

2 交互式遺傳算法在分形美術設計中的應用的實例探究

2.1分形圖案構成的藝術形式及理論

構圖也就是對圖案的構思，主要分為兩部分紋樣結構與畫面構圖。分形美術圖案設計的主要方法就是隨對形圖案畫面的布局和組織形式進行藝術設計。分行位數設計的基本組成部分為分形紋樣的規則骨架構圖、整體構造分形紋樣構圖和具有不規則構型的紋樣分形分布構圖。在美術創作上，分形圖案是對于平面設計的一種沿襲，同時結合了計算機算法在紋樣造型、色彩構成和構圖方面的設計技術中的應用，有利于實現藝術形式的創造帶來模擬思維。

在基本構圖原理部分，分形美術圖案除了與普通美術圖案有著異曲同工的原則之外，還有著獨有的特點，那就是分形的自相似性以及自仿射性的體現，將遞歸或是迭代的算法融入造型或構圖過程中，并對局部過程造成了一定的擾動作用。其設計過程中主要包括以下法則:

（1）紋樣的構成使用的是以函數迭代算法為基礎的幾何重復應用過程。

（2）著色設計主要使用了算法與人機交互技術的有機結合。

（3）畫面布局主要沿襲了傳統的構圖技術，添加了與分形相結合的算法。

分形美術圖案的設計與傳統美術圖案的基礎上，又添加了不少現代感的創新。運用計算機技術，利用無窮多個函數，能夠得到無窮多種著色方案，再加上若干種生成方法，最終能得到無窮無盡的圖案，為美術雙早提供了寬廣的設計源泉。

2.2交互式遺傳算法

遺傳算法(Genetic Algorithms GA)的理論基礎是達爾文的遺傳選擇、自然淘汰原理，以及孟德爾遺傳學說，它將生物進化過程用一種全局隨機搜索算法來表達。將進化概念和邏輯思維有機結合而得到的一種交互式遺傳算法（Interactive Genetic Algorithm , IGA)[6]。它相較于基本的遺傳算法，又增添了交互式的手段，來實現用戶對于這個設計的評價，能夠自動計算適應度函數值，從而替代傳統的遺傳算法(Genetic Algorithms，GA)。交互式遺傳算法能夠將人機交互與遺傳算法有機結合，從某一種意義上來說是實現了人的智慧與計算機技術的有機結合，很好的彌補了遺傳操作中的缺陷。

當前，交互式遺傳算法的應用領域正在不斷擴展，如在圖形圖像處理、語音信息處理、數據庫的檢索等方面的應用正在得到認可。但是即便如此，設計創作歸根結底還是依靠人的創作思維，要將人的智能與計算機技術實現有機結合，還是值得相關專業人士的探討和研究。

2.3算法設計

2.3.1 染色體編碼

在分形美術圖案中的創造過程中，迭代函數也就是遺傳算法種群中的個體，并能對迭代函數進行編碼。考慮到二叉樹結構在數學的表達過程中有較高的使用度。因此，在問題解決過程中采用結構式編碼方法，可以用二叉樹的形式來表達，每一個染色體就用一棵樹來表示。在數學表示中的一棵二叉樹代表的是一個有限節點集，其中包括了數學操作數及數學操作符。在結構式編碼方式中，二叉樹的終節點就是表達式的操作數位，中間節點就是操作符，操作數既可以改變。二叉樹海飛我們提供了一個合法的數學表達式就是中序遍歷序列。

2.3.2 適應度函數建立

遺傳操作中的適應度函數的作用就是用來評價遺傳進化染色體的優劣指數。通過用戶對于美術設作品的的“滿意度”和“共識度”的評價，來實現對于遺傳染色體優劣程度的評判。適應度函數采用Ohsa k為我們提供了一種群體共同評分模型。在群體共同評分中有三個等級來衡量用戶對作品的喜愛程度，分別是“滿意”、“一般”和“不滿意”。其中，用戶給出“滿意”評價即給出3分，“一般”評價即給出2分，而“不滿意”評價即給出1分。將所有用戶評價得分相加，就得到美術作品的做種得分。若有n名用戶參與評分，那么最終滿意度分值就落在n與3n之間。若兩個作品的滿意度評分相同，就要通過共識度標準的計算來獲得適應度函數。比如說，設計作品A與設計作品B都得到了14分，但是沒有用戶對作品B給出了“不滿意”的得分，評價具有較高的一致性，因此，作品B更能得到用戶的實際喜歡，如圖1 所示。

表格 1用戶對作品的評分情況

設用戶評分值數列{Vi}(i=1,2,…，n)，

則Vi在經過[0,1]標準化之后變為：

S(Vi)=(Vi-Vmax)/(Vmax-Vmin)

用T表示共識度，經過標準差方式計算之后，共識度為：

滿意度為：

在傳統遺傳算法中，通過適應度函數來確定適應值。但是考了才到每個用戶都有著自己不同的滿意度評價由于每個用戶的主觀評價各不相同，因此，不可能存在確定的適應度函數。所以要使用體現用戶主觀評價的適應度，交互式評價方式。收集各個用戶的評價，兵從家提煉出“滿意度”與“共識度”，最后歸納出適應值的方式。

2.3.3 算法流程

步驟一：種群的初始化。仍以從操作符集和操作數集中產生有效的數學，產生種群的函數表達式成為分形圖案的迭代函數。通過結構式的編碼方式，使其成為二叉樹的表達方式。

例如，在集合A,B中所生成的初始化種群，通過結構是編碼生3棵生：樹A、樹B和樹C，如圖1(a)(b)(c)所示。

圖1 二叉樹樹A,B,C示意圖

步驟二：借助交互式的用戶評價方式產生初始群的染色體的適應度值。改變評分就能改變種群中染色體的適應度值，將其應用于下一代的遺傳選擇。

步驟三：借助染色體的適應度誕生新的種群。

步驟四：種群的交叉、變異遺傳性為。

步驟五：經過多代的選擇、淘汰和評價，直至用戶滿意則結束，若不滿意則即系進行步驟二。

在分型美術設計中融入計算機科學中的交互式遺傳算法，通過滿意度和共識度來確定適應值，對種群進行優勝劣汰，最終生成用戶滿意的種群和個性化分形設計作品。但是，在基于IGA的交互式評價過程中，用戶需要對每一個個體進行評估，若個體的食量較為龐大，則每一代的進化都需要較長的時間，用戶的耐心需要考驗，尤其是種群中存在相似性較高的個體時，對它們優勝劣汰的評估的難度就更大，心理壓力也會劇增，更會使用戶造成不耐煩地心情。因此，對于交互式遺傳算法中的評估質量的提高，以及收斂性問題是遺傳進化過程中需要改進的方面，來獲得更為搞笑的進化過程。

計算機在美術設計中的運用主要體現在基礎圖案創作中，色彩調配中和立體設計中。在交互式遺傳算法在分形美術設計中的應用中，通過滿意度和共識度來確定適應值，對種群進行優勝劣汰，最終生成用戶滿意的種群和個性化分形設計作品。我們發現，計算機服務于美術設計的方式千變萬化，科學和藝術的融合有著更為廣闊的發展空間。

[1] 涂蘭英.美術設計與電腦藝術芻議[J].江西社會科學,2012: 342 -343.

[2] 楊華.電腦美術設計的利與弊[J].光盤技術, 2012,(2): 51 -52.

[3] 李慧.淺談美術設計與計算機技術的應用[J].湖北廣播電視大學學報, 2009, (8): 98 -99.

[4] 許培光.計算機與美術設計新體系[J].河南師范大學學報(哲學社會科學版), 2003, 30(1): 152.

[5] 賴平等.如何克服電腦對美術設計的負面影響[J].江西教育, 2014, (13、14): 87.

[6] 王天琪.科學與藝術的結合)))計算機美術設計[J].上海包裝, 2007, (5): 21 -23.

The combination of science and art -- art computer design

Liu Xiaoni
(Shaanxi Vocational and Technical College,Shaanxi，710100)

Because of make a spurt of progress of computer technology,interactive applications in computer graphics is the continuous development of computer technology,but also the integration of art and design, the art and Science in many fields have been fusion.Computer art is new exploration of the field,and become the most popular hotspot for art and design industry,the traditional art design is a kind of breakthrough and innovation development.This paper analyzes the application of computer technology in art and design.

science and art of computer art design