绘画媒介与工具的革新是绘画艺术发展的重要驱动力。近几十年来,研究者们通过数字技术手段对绘画媒介和工具进行革新,创造并发展了数字绘画系统,促进着绘画艺术向着多元化和实用化方向发展。然而,以往的数字绘画系统研究往往关注于对传统绘画媒介和工具的数字化模拟,并未很好引入新型的绘画媒介,用户创作的绘画与传统绘画的呈现效果没有显著区别。数字绘画系统的潜在价值还远未被开拓。针对上述问题,本课题在数字绘画领域的现有基础上,提出具有广泛适用性的新媒介绘画工具设计方法,并针对几种具体的新型绘画媒介研究了一系列关键技术,实现了几种新媒介绘画工具,实现了对绘画媒介和工具的创新,再通过实践创作了一系列具有自我演化、动态、交互等新颖艺术表现特性的绘画作品。本论文主要的研究内容如下：(1)提出了一套绘画工具的设计方法。首先提出绘画工具的设计目标是要尽可能地在新颖性、多用性和可控性三个因素上达到优良的品质,并相应地提出了三条指导性的绘画工具设计策略。此外,还根据以往的长期绘画实践,总结了七个绘画实践中常见的设计模式,每个设计模式都表述了一种针对绘画实践中的某种共性问题而采取的惯用工具形式及其相应的操作方式。这一设计方法用于指导后续的多个新媒介绘画工具的设计与技术实施。(2)研究了分形媒介绘画的关键技术,提出分形笔刷和分形拼贴两种分形绘画工具,以解决分形图形创作中难以预先设计图形整体布局的困难。用户在使用这两种工具时,首先直观地设计分形绘画的整体布局并指定关键的细节特征,该分形绘画由取样图元及分形图元组成,二者都是画面中的四边形网格,每个分形图元都与一个取样图元相连；然后启动分形绘画的分形运算,则分形图元迭代地通过其连接的取样图元对画面进行取样,并进行一定的图像处理,再显示于自身的网格。此外,用户还可尝试对分形绘画设定不同的初始状态,从而生成细节多样化且始终符合最初构图的分形图案。与其他分形图案生成技术相比,运用分形绘画工具能容易地制作富于美感并符合特定主题的分形图案。(3)研究了实时视频媒介绘画的关键技术,提出了一系列实时视频媒介绘画工具。该工具的的基本模型包含摄像头、图像处理模块和绘制模块三部分,摄像头用于获取实时视频图像,图像处理模块在用户的操作下对获取的实时视频进行处理,绘制模块用处理后的实时视频图像对画底上的图像进行绘制。图像处理模块由多个可组合的子模块构成,用户通过图形交互界面控制它们的图像处理功能,以多种模式进行绘画。实践了虚拟曝光和实物拼贴两种绘画方式：虚拟曝光模拟并扩展了摄影术中的光画技法,实物拼贴实现了以任意实物为素材进行拼贴画创作。(4)研究了视频反馈媒介绘画的关键技术,并提出了一系列视频反馈绘画工具。视频反馈是由摄像头指向其拍摄视频的实时显示而形成,它能够与用户交互从而生成不断演化的分形图案,但却无法生成符合特定主题的图案。针对这一问题,笔者提出了一系列绘画工具,让用户可以在视频反馈的显示器上的绘制各种形状,从而构成一幅特定主题的二维构图,使得视频反馈生成的图案始终符合该二维构图。然后创作了一系列不同主题的视频反馈交互绘画作品,并以用户试验对该系统进行评估,证明了视频反馈绘画系统具有良好的新颖性、多用性和可控性。