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

（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(jì)算機(jī)美術(shù)設(shè)計(jì)

劉曉妮

（陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西，710100）

由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，計(jì)算機(jī)圖形的人機(jī)交互應(yīng)用也不斷發(fā)展，加之計(jì)算機(jī)技術(shù)也融入了美術(shù)設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)最新探索的領(lǐng)域，并成為美術(shù)設(shè)計(jì)行業(yè)最為炙手可熱的研究熱點(diǎn)，對(duì)于傳統(tǒng)美術(shù)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是一種突破和創(chuàng)新發(fā)展。文章主要分析了計(jì)算機(jī)技術(shù)在美術(shù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

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

1 計(jì)算機(jī)技術(shù)在美術(shù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

社會(huì)和科技的發(fā)展毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)對(duì)藝術(shù)的發(fā)展造成影響。尤其是計(jì)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(duì)人們生活和工作都產(chǎn)生了巨大影響，美術(shù)是計(jì)算機(jī)最新探索的領(lǐng)域，并成為美術(shù)設(shè)計(jì)行業(yè)最為炙手可熱的研究熱點(diǎn)，對(duì)于傳統(tǒng)美術(shù)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是一種突破和創(chuàng)新發(fā)展。當(dāng)前，計(jì)算機(jī)技術(shù)在美術(shù)設(shè)計(jì)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(jì)的步驟是，將若干個(gè)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(jué)效果。這種設(shè)計(jì)方式有較強(qiáng)的靈活度，即便是相同的圖形也能夠通過(guò)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(jì)設(shè)藝術(shù)思維的實(shí)現(xiàn)。這種設(shè)計(jì)方式的實(shí)現(xiàn)可以借助于計(jì)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(shí)體造型。利用AutoCAD能夠方便快捷的設(shè)計(jì)平面圖形，還可以通過(guò)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(duì)于手繪工作來(lái)說(shuō)，大大減輕了設(shè)計(jì)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(shuí)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(jué)帶來(lái)非同一般的體驗(yàn)。在計(jì)算機(jī)技術(shù)還沒(méi)有普及的時(shí)候，作品色彩的運(yùn)用是依靠設(shè)計(jì)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(shí)和想象還存在一定差距，就會(huì)造成左中作品的不理想。運(yùn)用計(jì)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(wèn)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(shí)之間的誤差。

1.3在立體設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

立體造型的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要求設(shè)計(jì)者有較強(qiáng)的空間想象能力，但是單純的想象往往會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)實(shí)和想象還存在一定差距，進(jìn)行立體設(shè)計(jì)難度較大。但是計(jì)算機(jī)三維建模及渲染技術(shù)能夠很好地解決這個(gè)問(wèn)題，它能精準(zhǔn)的展示一個(gè)立體實(shí)物的各個(gè)角度細(xì)節(jié)，使設(shè)計(jì)者能夠全方位的觀察物體，在視點(diǎn)的流動(dòng)過(guò)程中對(duì)實(shí)體進(jìn)行修改和塑造。目前，立體設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為廣泛的就是計(jì)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(jì)者提供了方便快捷的使用體驗(yàn)。此外，3DSMAX中的材料庫(kù)也便于設(shè)計(jì)者的素材尋找和積累，給美術(shù)設(shè)計(jì)者帶來(lái)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(jì)中的應(yīng)用的實(shí)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(duì)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(jì)的主要方法就是隨對(duì)形圖案畫面的布局和組織形式進(jìn)行藝術(shù)設(shè)計(jì)。分行位數(shù)設(shè)計(jì)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(duì)于平面設(shè)計(jì)的一種沿襲，同時(shí)結(jié)合了計(jì)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(jì)技術(shù)中的應(yīng)用，有利于實(shí)現(xiàn)藝術(shù)形式的創(chuàng)造帶來(lái)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(guò)程中，并對(duì)局部過(guò)程造成了一定的擾動(dòng)作用。其設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)程。

（2）著色設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)，利用無(wú)窮多個(gè)函數(shù)，能夠得到無(wú)窮多種著色方案，再加上若干種生成方法，最終能得到無(wú)窮無(wú)盡的圖案，為美術(shù)雙早提供了寬廣的設(shè)計(jì)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?tīng)栠z傳學(xué)說(shuō)，它將生物進(jìn)化過(guò)程用一種全局隨機(jī)搜索算法來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)于這個(gè)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)，能夠自動(dòng)計(jì)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(lái)說(shuō)是實(shí)現(xiàn)了人的智慧與計(jì)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(yǔ)音信息處理、數(shù)據(jù)庫(kù)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(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)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(jì)

2.3.1 染色體編碼

在分形美術(shù)圖案中的創(chuàng)造過(guò)程中，迭代函數(shù)也就是遺傳算法種群中的個(gè)體，并能對(duì)迭代函數(shù)進(jìn)行編碼?？紤]到二叉樹(shù)結(jié)構(gòu)在數(shù)學(xué)的表達(dá)過(guò)程中有較高的使用度。因此，在問(wèn)題解決過(guò)程中采用結(jié)構(gòu)式編碼方法，可以用二叉樹(shù)的形式來(lái)表達(dá)，每一個(gè)染色體就用一棵樹(shù)來(lái)表示。在數(shù)學(xué)表示中的一棵二叉樹(shù)代表的是一個(gè)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(shù)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(shù)海飛我們提供了一個(gè)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(lái)評(píng)價(jià)遺傳進(jìn)化染色體的優(yōu)劣指數(shù)。通過(guò)用戶對(duì)于美術(shù)設(shè)作品的的“滿意度”和“共識(shí)度”的評(píng)價(jià)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于遺傳染色體優(yōu)劣程度的評(píng)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(píng)分模型。在群體共同評(píng)分中有三個(gè)等級(jí)來(lái)衡量用戶對(duì)作品的喜愛(ài)程度，分別是“滿意”、“一般”和“不滿意”。其中，用戶給出“滿意”評(píng)價(jià)即給出3分，“一般”評(píng)價(jià)即給出2分，而“不滿意”評(píng)價(jià)即給出1分。將所有用戶評(píng)價(jià)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(píng)分，那么最終滿意度分值就落在n與3n之間。若兩個(gè)作品的滿意度評(píng)分相同，就要通過(guò)共識(shí)度標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算來(lái)獲得適應(yīng)度函數(shù)。比如說(shuō)，設(shè)計(jì)作品A與設(shè)計(jì)作品B都得到了14分，但是沒(méi)有用戶對(duì)作品B給出了“不滿意”的得分，評(píng)價(jià)具有較高的一致性，因此，作品B更能得到用戶的實(shí)際喜歡，如圖1 所示。

表格 1用戶對(duì)作品的評(píng)分情況

設(shè)用戶評(píng)分值數(shù)列{Vi}(i=1,2,…，n)，

則Vi在經(jīng)過(guò)[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(shí)度，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差方式計(jì)算之后，共識(shí)度為：

滿意度為：

在傳統(tǒng)遺傳算法中，通過(guò)適應(yīng)度函數(shù)來(lái)確定適應(yīng)值。但是考了才到每個(gè)用戶都有著自己不同的滿意度評(píng)價(jià)由于每個(gè)用戶的主觀評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)的適應(yīng)度，交互式評(píng)價(jià)方式。收集各個(gè)用戶的評(píng)價(jià)，兵從家提煉出“滿意度”與“共識(shí)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(guò)結(jié)構(gòu)式的編碼方式，使其成為二叉樹(shù)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(guò)結(jié)構(gòu)是編碼生3棵生：樹(shù)A、樹(shù)B和樹(shù)C，如圖1(a)(b)(c)所示。

圖1 二叉樹(shù)樹(shù)A,B,C示意圖

步驟二：借助交互式的用戶評(píng)價(jià)方式產(chǎn)生初始群的染色體的適應(yīng)度值。改變?cè)u(píng)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(guò)多代的選擇、淘汰和評(píng)價(jià)，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(jì)中融入計(jì)算機(jī)科學(xué)中的交互式遺傳算法，通過(guò)滿意度和共識(shí)度來(lái)確定適應(yīng)值，對(duì)種群進(jìn)行優(yōu)勝劣汰，最終生成用戶滿意的種群和個(gè)性化分形設(shè)計(jì)作品。但是，在基于IGA的交互式評(píng)價(jià)過(guò)程中，用戶需要對(duì)每一個(gè)個(gè)體進(jìn)行評(píng)估，若個(gè)體的食量較為龐大，則每一代的進(jìn)化都需要較長(zhǎng)的時(shí)間，用戶的耐心需要考驗(yàn)，尤其是種群中存在相似性較高的個(gè)體時(shí)，對(duì)它們優(yōu)勝劣汰的評(píng)估的難度就更大，心理壓力也會(huì)劇增，更會(huì)使用戶造成不耐煩地心情。因此，對(duì)于交互式遺傳算法中的評(píng)估質(zhì)量的提高，以及收斂性問(wèn)題是遺傳進(jìn)化過(guò)程中需要改進(jìn)的方面，來(lái)獲得更為搞笑的進(jìn)化過(guò)程。

計(jì)算機(jī)在美術(shù)設(shè)計(jì)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(jì)中。在交互式遺傳算法在分形美術(shù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用中，通過(guò)滿意度和共識(shí)度來(lái)確定適應(yīng)值，對(duì)種群進(jìn)行優(yōu)勝劣汰，最終生成用戶滿意的種群和個(gè)性化分形設(shè)計(jì)作品。我們發(fā)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)服務(wù)于美術(shù)設(shè)計(jì)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。

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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