科學(xué)與藝術(shù)的結(jié)合
——計算機(jī)美術(shù)設(shè)計

（陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西，710100）

科學(xué)與藝術(shù)的結(jié)合
——計算機(jī)美術(shù)設(shè)計

劉曉妮

（陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西，710100）

由于計算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，計算機(jī)圖形的人機(jī)交互應(yīng)用也不斷發(fā)展，加之計算機(jī)技術(shù)也融入了美術(shù)設(shè)計中，使得科學(xué)和藝術(shù)在許多領(lǐng)域上都得到了融合。美術(shù)是計算機(jī)最新探索的領(lǐng)域，并成為美術(shù)設(shè)計行業(yè)最為炙手可熱的研究熱點(diǎn)，對于傳統(tǒng)美術(shù)設(shè)計來說是一種突破和創(chuàng)新發(fā)展。文章主要分析了計算機(jī)技術(shù)在美術(shù)設(shè)計中的應(yīng)用。

科學(xué)；藝術(shù)；計算機(jī)；美術(shù)設(shè)計

1 計算機(jī)技術(shù)在美術(shù)設(shè)計中的應(yīng)用

社會和科技的發(fā)展毫無疑問會對藝術(shù)的發(fā)展造成影響。尤其是計算機(jī)技術(shù)的發(fā)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(chǎn)生了巨大影響，美術(shù)是計算機(jī)最新探索的領(lǐng)域，并成為美術(shù)設(shè)計行業(yè)最為炙手可熱的研究熱點(diǎn)，對于傳統(tǒng)美術(shù)設(shè)計來說是一種突破和創(chuàng)新發(fā)展。當(dāng)前，計算機(jī)技術(shù)在美術(shù)設(shè)計領(lǐng)域中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾方面:

1.1在基礎(chǔ)圖案創(chuàng)作中的運(yùn)用

基礎(chǔ)圖案的創(chuàng)作設(shè)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(dá)到不一樣的視覺效果。這種設(shè)計方式有較強(qiáng)的靈活度，即便是相同的圖形也能夠通過組合的變化構(gòu)建出千變?nèi)f化的排列組合，達(dá)到?jīng)]有重復(fù)的造型效果，這就是設(shè)計設(shè)藝術(shù)思維的實現(xiàn)。這種設(shè)計方式的實現(xiàn)可以借助于計算機(jī)中的AutoCAD繪圖軟件，他不僅可以在二維空間內(nèi)進(jìn)行繪圖，還可以進(jìn)行三維實體造型。利用AutoCAD能夠方便快捷的設(shè)計平面圖形，還可以通過復(fù)制、鏡像、旋轉(zhuǎn)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(shè)計者的負(fù)擔(dān)。

1.2在色彩調(diào)配中的運(yùn)用

色彩是美術(shù)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(jī)技術(shù)還沒有普及的時候，作品色彩的運(yùn)用是依靠設(shè)計者的想象進(jìn)行的，這樣使得色彩的選擇精確度不高，現(xiàn)實和想象還存在一定差距，就會造成左中作品的不理想。運(yùn)用計算機(jī)中的Adobe Photoshop軟件，就能很好地解決色彩的使用及調(diào)控的問題，靈活的色彩選取和調(diào)配使得色彩表達(dá)更為精準(zhǔn)明確，色彩搭配更為便捷輕松，降低了想象與現(xiàn)實之間的誤差。

1.3在立體設(shè)計中的運(yùn)用

立體造型的設(shè)計過程中，要求設(shè)計者有較強(qiáng)的空間想象能力，但是單純的想象往往會導(dǎo)致現(xiàn)實和想象還存在一定差距，進(jìn)行立體設(shè)計難度較大。但是計算機(jī)三維建模及渲染技術(shù)能夠很好地解決這個問題，它能精準(zhǔn)的展示一個立體實物的各個角度細(xì)節(jié)，使設(shè)計者能夠全方位的觀察物體，在視點(diǎn)的流動過程中對實體進(jìn)行修改和塑造。目前，立體設(shè)計中應(yīng)用最為廣泛的就是計算機(jī)3DSMAX軟件，該軟件擁有標(biāo)準(zhǔn)集合體的建立命令面板，為設(shè)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(shè)計者的素材尋找和積累，給美術(shù)設(shè)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(shù)設(shè)計中的應(yīng)用的實例探究

2.1分形圖案構(gòu)成的藝術(shù)形式及理論

構(gòu)圖也就是對圖案的構(gòu)思，主要分為兩部分紋樣結(jié)構(gòu)與畫面構(gòu)圖。分形美術(shù)圖案設(shè)計的主要方法就是隨對形圖案畫面的布局和組織形式進(jìn)行藝術(shù)設(shè)計。分行位數(shù)設(shè)計的基本組成部分為分形紋樣的規(guī)則骨架構(gòu)圖、整體構(gòu)造分形紋樣構(gòu)圖和具有不規(guī)則構(gòu)型的紋樣分形分布構(gòu)圖。在美術(shù)創(chuàng)作上，分形圖案是對于平面設(shè)計的一種沿襲，同時結(jié)合了計算機(jī)算法在紋樣造型、色彩構(gòu)成和構(gòu)圖方面的設(shè)計技術(shù)中的應(yīng)用，有利于實現(xiàn)藝術(shù)形式的創(chuàng)造帶來模擬思維。

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

（1）紋樣的構(gòu)成使用的是以函數(shù)迭代算法為基礎(chǔ)的幾何重復(fù)應(yīng)用過程。

（2）著色設(shè)計主要使用了算法與人機(jī)交互技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。

（3）畫面布局主要沿襲了傳統(tǒng)的構(gòu)圖技術(shù)，添加了與分形相結(jié)合的算法。

分形美術(shù)圖案的設(shè)計與傳統(tǒng)美術(shù)圖案的基礎(chǔ)上，又添加了不少現(xiàn)代感的創(chuàng)新。運(yùn)用計算機(jī)技術(shù)，利用無窮多個函數(shù)，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(shù)雙早提供了寬廣的設(shè)計源泉。

2.2交互式遺傳算法

遺傳算法(Genetic Algorithms GA)的理論基礎(chǔ)是達(dá)爾文的遺傳選擇、自然淘汰原理，以及孟德爾遺傳學(xué)說，它將生物進(jìn)化過程用一種全局隨機(jī)搜索算法來表達(dá)。將進(jìn)化概念和邏輯思維有機(jī)結(jié)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(xiàn)用戶對于這個設(shè)計的評價，能夠自動計算適應(yīng)度函數(shù)值，從而替代傳統(tǒng)的遺傳算法(Genetic Algorithms，GA)。交互式遺傳算法能夠?qū)⑷藱C(jī)交互與遺傳算法有機(jī)結(jié)合，從某一種意義上來說是實現(xiàn)了人的智慧與計算機(jī)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，很好的彌補(bǔ)了遺傳操作中的缺陷。

當(dāng)前，交互式遺傳算法的應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)展，如在圖形圖像處理、語音信息處理、數(shù)據(jù)庫的檢索等方面的應(yīng)用正在得到認(rèn)可。但是即便如此，設(shè)計創(chuàng)作歸根結(jié)底還是依靠人的創(chuàng)作思維，要將人的智能與計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)有機(jī)結(jié)合，還是值得相關(guān)專業(yè)人士的探討和研究。

2.3算法設(shè)計

2.3.1 染色體編碼

在分形美術(shù)圖案中的創(chuàng)造過程中，迭代函數(shù)也就是遺傳算法種群中的個體，并能對迭代函數(shù)進(jìn)行編碼。考慮到二叉樹結(jié)構(gòu)在數(shù)學(xué)的表達(dá)過程中有較高的使用度。因此，在問題解決過程中采用結(jié)構(gòu)式編碼方法，可以用二叉樹的形式來表達(dá)，每一個染色體就用一棵樹來表示。在數(shù)學(xué)表示中的一棵二叉樹代表的是一個有限節(jié)點(diǎn)集，其中包括了數(shù)學(xué)操作數(shù)及數(shù)學(xué)操作符。在結(jié)構(gòu)式編碼方式中，二叉樹的終節(jié)點(diǎn)就是表達(dá)式的操作數(shù)位，中間節(jié)點(diǎn)就是操作符，操作數(shù)既可以改變。二叉樹海飛我們提供了一個合法的數(shù)學(xué)表達(dá)式就是中序遍歷序列。

2.3.2 適應(yīng)度函數(shù)建立

遺傳操作中的適應(yīng)度函數(shù)的作用就是用來評價遺傳進(jìn)化染色體的優(yōu)劣指數(shù)。通過用戶對于美術(shù)設(shè)作品的的“滿意度”和“共識度”的評價，來實現(xiàn)對于遺傳染色體優(yōu)劣程度的評判。適應(yīng)度函數(shù)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)的計算來獲得適應(yīng)度函數(shù)。比如說，設(shè)計作品A與設(shè)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(shè)用戶評分值數(shù)列{Vi}(i=1,2,…，n)，

則Vi在經(jīng)過[0,1]標(biāo)準(zhǔn)化之后變?yōu)椋?/p>

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

用T表示共識度，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)差方式計算之后，共識度為：

滿意度為：

在傳統(tǒng)遺傳算法中，通過適應(yīng)度函數(shù)來確定適應(yīng)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(yīng)度函數(shù)。所以要使用體現(xiàn)用戶主觀評價的適應(yīng)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(yīng)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(shù)集中產(chǎn)生有效的數(shù)學(xué)，產(chǎn)生種群的函數(shù)表達(dá)式成為分形圖案的迭代函數(shù)。通過結(jié)構(gòu)式的編碼方式，使其成為二叉樹的表達(dá)方式。

例如，在集合A,B中所生成的初始化種群，通過結(jié)構(gòu)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(chǎn)生初始群的染色體的適應(yīng)度值。改變評分就能改變種群中染色體的適應(yīng)度值，將其應(yīng)用于下一代的遺傳選擇。

步驟三：借助染色體的適應(yīng)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(jīng)過多代的選擇、淘汰和評價，直至用戶滿意則結(jié)束，若不滿意則即系進(jìn)行步驟二。

在分型美術(shù)設(shè)計中融入計算機(jī)科學(xué)中的交互式遺傳算法，通過滿意度和共識度來確定適應(yīng)值，對種群進(jìn)行優(yōu)勝劣汰，最終生成用戶滿意的種群和個性化分形設(shè)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(jìn)行評估，若個體的食量較為龐大，則每一代的進(jìn)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(yōu)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(zhì)量的提高，以及收斂性問題是遺傳進(jìn)化過程中需要改進(jìn)的方面，來獲得更為搞笑的進(jìn)化過程。

計算機(jī)在美術(shù)設(shè)計中的運(yùn)用主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)圖案創(chuàng)作中，色彩調(diào)配中和立體設(shè)計中。在交互式遺傳算法在分形美術(shù)設(shè)計中的應(yīng)用中，通過滿意度和共識度來確定適應(yīng)值，對種群進(jìn)行優(yōu)勝劣汰，最終生成用戶滿意的種群和個性化分形設(shè)計作品。我們發(fā)現(xiàn)，計算機(jī)服務(wù)于美術(shù)設(shè)計的方式千變?nèi)f化，科學(xué)和藝術(shù)的融合有著更為廣闊的發(fā)展空間。

[1] 涂蘭英.美術(shù)設(shè)計與電腦藝術(shù)芻議[J].江西社會科學(xué),2012: 342 -343.

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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