科学与艺术的结合——计算机美术设计

（陕西职业技术学院，陕西，710100）

科学与艺术的结合
——计算机美术设计

刘晓妮

（陕西职业技术学院，陕西，710100）

由于计算机技术的突飞猛进，计算机图形的人机交互应用也不断发展，加之计算机技术也融入了美术设计中，使得科学和艺术在许多领域上都得到了融合。美术是计算机最新探索的领域，并成为美术设计行业最为炙手可热的研究热点，对于传统美术设计来说是一种突破和创新发展。文章主要分析了计算机技术在美术设计中的应用。

科学；艺术；计算机；美术设计

1 计算机技术在美术设计中的应用

社会和科技的发展毫无疑问会对艺术的发展造成影响。尤其是计算机技术的发展，使其成为人们生活或不可缺的重要部分，对人们生活和工作都产生了巨大影响，美术是计算机最新探索的领域，并成为美术设计行业最为炙手可热的研究热点，对于传统美术设计来说是一种突破和创新发展。当前，计算机技术在美术设计领域中的应用主要表现在以下几方面:

1.1在基础图案创作中的运用

基础图案的创作设计的步骤是，将若干个相同或是不同的图形，在二维平面空间中排列组合，以达到不一样的视觉效果。这种设计方式有较强的灵活度，即便是相同的图形也能够通过组合的变化构建出千变万化的排列组合，达到没有重复的造型效果，这就是设计设艺术思维的实现。这种设计方式的实现可以借助于计算机中的AutoCAD绘图软件，他不仅可以在二维空间内进行绘图，还可以进行三维实体造型。利用AutoCAD能够方便快捷的设计平面图形，还可以通过复制、镜像、旋转等操作使图形变化出多种组合方式，这对于手绘工作来说，大大减轻了设计者的负担。

1.2在色彩调配中的运用

色彩是美术谁作品中重要的组成因素，相同的作品不同的配色方案，也能给人们的视觉带来非同一般的体验。在计算机技术还没有普及的时候，作品色彩的运用是依靠设计者的想象进行的，这样使得色彩的选择精确度不高，现实和想象还存在一定差距，就会造成左中作品的不理想。运用计算机中的Adobe Photoshop软件，就能很好地解决色彩的使用及调控的问题，灵活的色彩选取和调配使得色彩表达更为精准明确，色彩搭配更为便捷轻松，降低了想象与现实之间的误差。

1.3在立体设计中的运用

立体造型的设计过程中，要求设计者有较强的空间想象能力，但是单纯的想象往往会导致现实和想象还存在一定差距，进行立体设计难度较大。但是计算机三维建模及渲染技术能够很好地解决这个问题，它能精准的展示一个立体实物的各个角度细节，使设计者能够全方位的观察物体，在视点的流动过程中对实体进行修改和塑造。目前，立体设计中应用最为广泛的就是计算机3DSMAX软件，该软件拥有标准集合体的建立命令面板，为设计者提供了方便快捷的使用体验。此外，3DSMAX中的材料库也便于设计者的素材寻找和积累，给美术设计者带来了丰富的素材模拟，大大降低了手工绘制和塑造的工作量。

2 交互式遗传算法在分形美术设计中的应用的实例探究

2.1分形图案构成的艺术形式及理论

构图也就是对图案的构思，主要分为两部分纹样结构与画面构图。分形美术图案设计的主要方法就是随对形图案画面的布局和组织形式进行艺术设计。分行位数设计的基本组成部分为分形纹样的规则骨架构图、整体构造分形纹样构图和具有不规则构型的纹样分形分布构图。在美术创作上，分形图案是对于平面设计的一种沿袭，同时结合了计算机算法在纹样造型、色彩构成和构图方面的设计技术中的应用，有利于实现艺术形式的创造带来模拟思维。

在基本构图原理部分，分形美术图案除了与普通美术图案有着异曲同工的原则之外，还有着独有的特点，那就是分形的自相似性以及自仿射性的体现，将递归或是迭代的算法融入造型或构图过程中，并对局部过程造成了一定的扰动作用。其设计过程中主要包括以下法则:

（1）纹样的构成使用的是以函数迭代算法为基础的几何重复应用过程。

（2）着色设计主要使用了算法与人机交互技术的有机结合。

（3）画面布局主要沿袭了传统的构图技术，添加了与分形相结合的算法。

分形美术图案的设计与传统美术图案的基础上，又添加了不少现代感的创新。运用计算机技术，利用无穷多个函数，能够得到无穷多种着色方案，再加上若干种生成方法，最终能得到无穷无尽的图案，为美术双早提供了宽广的设计源泉。

2.2交互式遗传算法

遗传算法(Genetic Algorithms GA)的理论基础是达尔文的遗传选择、自然淘汰原理，以及孟德尔遗传学说，它将生物进化过程用一种全局随机搜索算法来表达。将进化概念和逻辑思维有机结合而得到的一种交互式遗传算法（Interactive Genetic Algorithm , IGA)[6]。它相较于基本的遗传算法，又增添了交互式的手段，来实现用户对于这个设计的评价，能够自动计算适应度函数值，从而替代传统的遗传算法(Genetic Algorithms，GA)。交互式遗传算法能够将人机交互与遗传算法有机结合，从某一种意义上来说是实现了人的智慧与计算机技术的有机结合，很好的弥补了遗传操作中的缺陷。

当前，交互式遗传算法的应用领域正在不断扩展，如在图形图像处理、语音信息处理、数据库的检索等方面的应用正在得到认可。但是即便如此，设计创作归根结底还是依靠人的创作思维，要将人的智能与计算机技术实现有机结合，还是值得相关专业人士的探讨和研究。

2.3算法设计

2.3.1 染色体编码

在分形美术图案中的创造过程中，迭代函数也就是遗传算法种群中的个体，并能对迭代函数进行编码。考虑到二叉树结构在数学的表达过程中有较高的使用度。因此，在问题解决过程中采用结构式编码方法，可以用二叉树的形式来表达，每一个染色体就用一棵树来表示。在数学表示中的一棵二叉树代表的是一个有限节点集，其中包括了数学操作数及数学操作符。在结构式编码方式中，二叉树的终节点就是表达式的操作数位，中间节点就是操作符，操作数既可以改变。二叉树海飞我们提供了一个合法的数学表达式就是中序遍历序列。

2.3.2 适应度函数建立

遗传操作中的适应度函数的作用就是用来评价遗传进化染色体的优劣指数。通过用户对于美术设作品的的“满意度”和“共识度”的评价，来实现对于遗传染色体优劣程度的评判。适应度函数采用Ohsa k为我们提供了一种群体共同评分模型。在群体共同评分中有三个等级来衡量用户对作品的喜爱程度，分别是“满意”、“一般”和“不满意”。其中，用户给出“满意”评价即给出3分，“一般”评价即给出2分，而“不满意”评价即给出1分。将所有用户评价得分相加，就得到美术作品的做种得分。若有n名用户参与评分，那么最终满意度分值就落在n与3n之间。若两个作品的满意度评分相同，就要通过共识度标准的计算来获得适应度函数。比如说，设计作品A与设计作品B都得到了14分，但是没有用户对作品B给出了“不满意”的得分，评价具有较高的一致性，因此，作品B更能得到用户的实际喜欢，如图1 所示。

表格 1用户对作品的评分情况

设用户评分值数列{Vi}(i=1,2,…，n)，

则Vi在经过[0,1]标准化之后变为：

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

用T表示共识度，经过标准差方式计算之后，共识度为：

满意度为：

在传统遗传算法中，通过适应度函数来确定适应值。但是考了才到每个用户都有着自己不同的满意度评价由于每个用户的主观评价各不相同，因此，不可能存在确定的适应度函数。所以要使用体现用户主观评价的适应度，交互式评价方式。收集各个用户的评价，兵从家提炼出“满意度”与“共识度”，最后归纳出适应值的方式。

2.3.3 算法流程

步骤一：种群的初始化。仍以从操作符集和操作数集中产生有效的数学，产生种群的函数表达式成为分形图案的迭代函数。通过结构式的编码方式，使其成为二叉树的表达方式。

例如，在集合A,B中所生成的初始化种群，通过结构是编码生3棵生：树A、树B和树C，如图1(a)(b)(c)所示。

图1 二叉树树A,B,C示意图

步骤二：借助交互式的用户评价方式产生初始群的染色体的适应度值。改变评分就能改变种群中染色体的适应度值，将其应用于下一代的遗传选择。

步骤三：借助染色体的适应度诞生新的种群。

步骤四：种群的交叉、变异遗传性为。

步骤五：经过多代的选择、淘汰和评价，直至用户满意则结束，若不满意则即系进行步骤二。

在分型美术设计中融入计算机科学中的交互式遗传算法，通过满意度和共识度来确定适应值，对种群进行优胜劣汰，最终生成用户满意的种群和个性化分形设计作品。但是，在基于IGA的交互式评价过程中，用户需要对每一个个体进行评估，若个体的食量较为庞大，则每一代的进化都需要较长的时间，用户的耐心需要考验，尤其是种群中存在相似性较高的个体时，对它们优胜劣汰的评估的难度就更大，心理压力也会剧增，更会使用户造成不耐烦地心情。因此，对于交互式遗传算法中的评估质量的提高，以及收敛性问题是遗传进化过程中需要改进的方面，来获得更为搞笑的进化过程。

计算机在美术设计中的运用主要体现在基础图案创作中，色彩调配中和立体设计中。在交互式遗传算法在分形美术设计中的应用中，通过满意度和共识度来确定适应值，对种群进行优胜劣汰，最终生成用户满意的种群和个性化分形设计作品。我们发现，计算机服务于美术设计的方式千变万化，科学和艺术的融合有着更为广阔的发展空间。

[1] 涂兰英.美术设计与电脑艺术刍议[J].江西社会科学,2012: 342 -343.

[2] 杨华.电脑美术设计的利与弊[J].光盘技术, 2012,(2): 51 -52.

[3] 李慧.浅谈美术设计与计算机技术的应用[J].湖北广播电视大学学报, 2009, (8): 98 -99.

[4] 许培光.计算机与美术设计新体系[J].河南师范大学学报(哲学社会科学版), 2003, 30(1): 152.

[5] 赖平等.如何克服电脑对美术设计的负面影响[J].江西教育, 2014, (13、14): 87.

[6] 王天琪.科学与艺术的结合)))计算机美术设计[J].上海包装, 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