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计算机图形学论文实用13篇

计算机图形学论文
计算机图形学论文篇1

计算机图形学是利用计算机研究图形的表示、生成、处理,显示的科学。经过30多年的发展,计算机图形学已成为计算机科学中最为活跃的分支之一,并得到广泛的应用。1950年,第一台图形显示器作为美国麻省理工学院(MIT)旋风一号——(Whirlwind)计算机的附件诞生.该显示器用一个类似示波器的阴极射线管(CRT)来显示一些简单的图形。在整个50年代,只有电子管计算机,用机器语言编程,主要应用于科学计算,为这些计算机配置的图形设备仅具有输出功能。计算机图形学处于准备和酝酿时期,并称之为:“被动式”图形学。

2计算机图形学在曲面造型技术中的应用

曲面造型技术是计算机图形学和计算机辅助几何设计的一项重要内容,主要研究在计算机图象系统的环境下对曲面的表示、设计、显示和分析。它肇源机、船舶的外形放样工艺,经三十多年发展,现在它已经形成了以Bezier和B样条方法为代表的参数化特征设计和隐式代数曲面表示这两类方法为主体,以插值(Intmpolation)、拟合(Fitting)、逼近(Ap-proximation)这三种手段为骨架的几何理论体系。随着计算机图形显示对于真实性、实时性和交互性要求的日益增强,随着几何设计对象向着多样性、特殊性和拓扑结构复杂性靠拢的趋势的日益明显,随着图形工业和制造工业迈向一体化、集成化和网络化步伐的日益加快,随着激光测距扫描等三维数据采样技术和硬件设备的日益完善,曲面造型在近几年来得到了长足的发展。

2.1从研究领域来看,曲面造型技术已从传统的研究曲面表示、曲面求交和曲面拼接,扩充到曲面变形、曲面重建、曲面简化、曲面转换和曲面位差。

曲面变形(DeformationorShapeBlending):传统的非均匀有理B样条(NURBS)曲面模型,仅允许调整控制顶点或权因子来局部改变曲面形状,至多利用层次细化模型在曲面特定点进行直接操作;一些简单的基于参数曲线的曲面设计方法,如扫掠法(Sweeping),蒙皮法(skinning),旋转法和拉伸法,也仅允许调整生成曲线来改变曲面形状。计算机动画业和实体造型业迫切需要发展与曲面表示方式无关的变形方法或形状调配方法,于是产生了自由变形(fFD)法,基于弹性变形或热弹性力学等物理模型(原理)的变形法,基于求解约束的变形法,基于几何约束的变形法等曲面变形技术和基于多面体对应关系或基于图象形态学中Minkowski和操作的曲面形状调配技术。

2.2从表示方法来看,以网格细分(Sub-division)为特征的离散造型与传统的连续造型相比,大有后来居上的创新之势。而且,这种曲面造型方法在生动逼真的特征动画和雕塑曲面的设计加工中如鱼得水,得到了高度的运用。

3在计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)的应用

这是一个最广泛,最活跃的应用领域。计算机辅助设计(ComputerAidedDesign,CAD)是利用计算机强有力的计算功能和高效率的图形处理能力,辅助知识劳动者进行工程和产品的设计与分析,以达到理想的目的或取得创新成果的一种技术。它是综合了计算机科学与工程设计方法的最新发展而形成的一门新兴学科。计算机辅助设计技术的发展是与计算机软件、硬件技术的发展和完善,与工程设计方法的革新紧密相关的。采用计算机辅助设计已是现代工程设计的迫切需要。CAD技术目前已广泛应用于国民经济的各个方面,其主要的应用领域有以下几个方面。:

3.1制造业中的应用。CAD技术已在制造业中广泛应用,其中以机床、汽车、飞机、船舶、航天器等制造业应用最为广泛、深入。众所周知,一个产品的设计过程要经过概念设计、详细设计、结构分析和优化、仿真模拟等几个主要阶段。同时,现代设计技术将并行工程的概念引入到整个设计过程中,在设计阶段就对产品整个生命周期进行综合考虑。当前先进的CAD应用系统已经将设计、绘图、分析、仿真、加工等一系列功能集成于一个系统内。现在较常用的软件有UGII、I-DEAS、CATIA、PRO/E、Euclid等CAD应用系统,这些系统主要运行在图形工作站平台上。在PC平台上运行的CAD应用软件主要有Cimatron、Solidwork、MDT、SolidEdge等。由于各种因素,目前在二维CAD系统中Autodesk公司的AutoCAD占据了相当的市场。

3.2工程设计中的应用。CAD技术在工程领域巾的应用有以下几个方面:①建筑设计,包括方案设计、三维造型、建筑渲染图设计等。②结构设计,包括有限元分析、结构平面设计、框/排架结构计算和分析等。③设备设计,包括水、电、暖各种设备及管道设计。④城市规划、城市交通设计,如城市道路、高架、轻轨等。⑤市政管线设计,如自来水、污水排放、煤气等。⑥交通工程设计,如公路、桥梁、铁路等。⑦水利工程设计,如大坝、水渠等。⑧其他工程设计和管理,如房地产开发及物业管理、工程概预算等。

3.3电气和电子电路方面的应用。CAD技术最早曾用于电路原理图和布线图的设计工作。目前,CAD技术已扩展到印刷电路板的设计(布线及元器件布局),并在集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路的设计制造中大显身手,并由此大大推动了微电子技术和计算及技术的发展。

3.4仿真模拟和动画制作。应用CAD技术可以真实地模拟机械零件的加工处理过程、飞机起降、船舶进出港口、物体受力破坏分析、飞行训练环境、作战方针系统、事故现场重现等现象。在文化娱乐界已大量利用计算机造型仿真出逼真的现实世界中没有的原始动物、外星人以及各种场景等,并将动画和实际背景以及演员的表演天衣无缝地合在一起,在电影制作技术上大放异彩,拍制出一个个激动人心的巨片。

计算机图形学论文篇2

目前国内高校的计算机以及相关专业多数开置了“计算机图形学”课程,也是计算机及相关专业的重要课程之一。该课程理论与实用并重,又是如数字图像与模式识别、3D动画编程等实用性强的课程的前置课程,因此,学生对计算机图形学课程充满好奇与期待。

二、计算机图形学课程特点、教学过程中存在的问题及教学改革

1.计算机图形学课程特点。首先,涉及内容广,是计算机图形学课程的特点之一。计算机图形学是一门涉及多学科的综合性课程,其内容包括计算机硬件、软件、空间解析几何、算法原理、编程等,因此要求学生具备多方面的知识。如较好的数学基础,特别是空间解析几何、线性代数、矩阵论等数学基础知识,计算机语言编程、数据结构等方面的知识。

其次,?课程在理论方面,涉及的原理需要一定的数学基础才能较好理解,繁多又抽象的图形生成算法增加了学习的难度。

第三,理论与实验并重的课程。用计算机语言描述并实现图形学的问题的过程。也就是其内容包括计算机语言及图形学知识。一般而言,对图形学相关的基本算法描述的理解是学生学习计算机图形学的一个难点,是一个从理论到实践的认识过程。

2.存在的问题。由于计算机图形学课程的特点,在教学过程中,学生普遍反映:都能认识到计算机图形学是一门重要的、有用的、实用的课程,对学习计算机图形学课程开始时抱着极大的兴趣学习,但是,随着课程的深入学习,图形算法越来越复杂,虽然课堂上能听懂算法的原理与流程,但是课后上机实现算法却感到困难,理论与实践不能很好结合。随着时间的推移,不能解决的问题的累加,旧的内容未理解、问题还没解决,又要忙于学习新内容,学习变成了一种压力,积极性和自信心受到打击,学习主动性逐渐下降,这样一来,教学效果不理想。总之,学生感到图形学的内容不易理解、不好学,理论与实验总是存在一定的距离。

3.教学方法的改革。为了解决面对教学过程遇到的问题,提高计算机图形学课程教学质量、收到更好的教学效果,不少计算机图形学的老师们在教学实践中,尝试用不同的教学方法进行课堂教学,收到了很好的教学效果[2]。

计算图形学的内容中,其重点与难点都会涉及到复杂算法的内容,而这些内容对学生来说,是最难理解的,用常规的教学方法,其效果相对较低,因此,计算机图形学教学过程中,不同的教学内容,应选取和采用合适的教学方法才能收到更好的教学效果,使教学方法的效率最大化,实现教学方法精准化。为了在计算机图形学的教学实现教学方法的精准应用,本文提出:在涉及复杂算法内容教学过程中,引入虚拟现实技术[3],用三维交互技术对复杂算法的流程及运行机理进行描述,使复杂算法问题具体化、简单化,更易于理解,把理论与实验这两者这间更好地融会贯通,更好地抓住学习计算机图形学的重点与难点,把握学好计算机图形学的关键,化解学习过程中的难题。

三、计算机图形学虚拟现实技术教学改革

1.虚拟现实技术引入计算机图形学课堂教学的必要性和重要性。要实现与理论与实践相结合,首先要充分理解算法的原理、算法的核心、流程。但是,大部分计算机图形学的算法,都以数学理论为支撑,要求学生具备如空间解析几何、线性代数、矩阵理论及应用等数学基础知识,换言之,良好的数学基础,是学好计算机图学算法的有利条件。而良好的数学基础,需要通过专业训练。一般情况下,我们面对的学生其数学基础都不是很好,这也是学生对算法学习感到相对困难的原因。针对这种情况,在算法教学过程中,利用现代信息技术替代传统的粉笔和黑板,引入计算机技术进行算法的模拟演示,使算法的描述和实现的流程形象化、具体化,也就是通过虚拟现实技术,把抽象的算法转化虚拟环境进行动画演示,让学生易于接受与理解,从而激发学生主动学习的积极性,让教学效果达到最佳,为学生课后上机实现算法做好充分的准备,实现理论与实践的结合。因此,在教学过程中引入虚拟现实技术,是很有必要的。

2.虚拟现实技术引入计算机图形学课堂教学的过程。教学过程中,将抽象、无形的数学模型通用虚拟现实技术将其具体化、形象化。具体实现如下:将算法实现的过程分解,用虚拟技术的方法将算法运行中的步骤和中间结果一步一步演示,以课件的形式在课堂演示,让学生建立数学模型、算法与代码之的对应关系,达到更深刻地理解各种图形算法的原理及实现过程。

本文选择Virtools4.0+3Ds MAX作为课件的开发环境。3DsMax具有很强的建模功能,由于图形学算法实现流程中的计算单元(内存、函数等)在对应的虚拟实验场景中可用简单的几何体(正方体、园柱体、球体等)表示,在单一的场景中,3DsMax可以实现快速、高效的建模,此外,Max带有许多批量建模的工具,如使用镜像、散布、阵列等工具,可实现任意多个精确(几何体的坐标)的建模,完全满足了图形学虚拟实验场景建模的需要。Virtools是一款比较成熟具有三维交互式的最后合成软件,其良好的兼容性突显其优势,通过相应的插件直接导入经过转换输出的3DsMax构建的虚拟场景及动画(3DsMax中预设的动画),Virtools中支持多场景功能,可通过交互功能实现多场景间的切换、跳转等,使虚拟实验表现力更强、更灵活和多样,表现出虚拟实验直观、交互、多样性等优势。

计算机图形学论文篇3

中图分类号:G642

文献标识码:B

1引言

“计算机图形学”是计算机领域一门重要的学科,也是计算机学科方向的核心课程之一,作为一门不断发展的学科,“计算机图形学”的教学应该跟上学科的快速发展以及社会对本学科的人才需求。当前,伴随着计算机科学与媒体技术的相互融合,形成了数字媒体技术这一新的学科,越来越多的国内外高校开始开设数字媒体技术专业,而相当多的高校将“游戏开发”作为数字媒体技术专业的一个主要方向进行发展。游戏设计以高质量的3D技术来展现游戏画面,从角色建模、灯光、渲染、纹理等,无不是基于计算机图形学的算法和理论,因此,“计算机图形学”也成为数字媒体技术专业重要的一门专业基础课。

如何在讲授“计算机图形学”课程的同时,考虑游戏专业人才的培养目标,结合游戏设计的实例来进行实践,使得学生不至于因为算法和理论的枯燥而产生厌学情绪,同时又能将图形学理论和游戏设计实践很好地结合起来,是一个值得深入探讨的问题。

本文分析了“计算机图形学”课程的特点及其在游戏开发专业培养课程体系中的地位以及图形学授课过程中存在的问题,给出了面向游戏设计专业的“计算机图形学”课程教学改革的思路。

2 “计算机图形学”课程的特点及其在游戏开发专业培养课程体系中的地位

游戏开发专业的教育目标是帮助学生了解游戏从策划、设计、开发、测试、运营过程的整个环节,使学生获得扎实的理论基础,同时使学生具备较强的实践能力,掌握最先进的主流游戏开发技术。

“计算机图形学”是游戏设计专业的一门重要专业基础课,当前的主流图形API是对图形学的基本原理和算法的实现,因此,对图形学算法和原理的掌握,能够帮助学生更快更好地理解和掌握主流的图形API,而这些主流的图形API也是当前游戏开发过程中必不可少的工具。

由此也可看出,“计算机图形学”课程应该理论与实践并重,既要讲解清楚图形学的基本理论和算法,又能给学生充分的实践机会和时间,为学生后续学习游戏开发技术打下坚实的基础。

处理好图形学授课过程中的理论讲授和实践的关系,对于这门课程的学习效果至关重要。

当前的图形学的教学现状与游戏专业的教学目标相比,存在如下一些问题。

3 “计算机图形学”授课过程中存在的问题

(1) 传统的计算机图形学的内容可以分为二维、三维两部分,其中二维部分即光栅图形学部分,包括:基本图形(直线、圆弧、椭圆等)的生成算法、二维裁剪算法、填充算法、曲线曲面、图形反走样等内容。三维图形学算法则围绕三维物体的建模、运动、三维场景的建立组织,包括:物体建模(物体在计算机内的表示模型、几何造型)、三维图形的显示(三维图形的几何变换、三维图形的投影变换、三维裁剪)、真实感图形学(消隐算法、光照模型、光线跟踪技术、阴影、纹理、辐射度算法等),有些图形学教材还增加了计算机动画技术、交互技术、图形处理高级技术等内容。

分析上述内容,其中与游戏设计关系最为密切的部分是:基本的图形学数学算法,包括向量部分的内容、图形变换、视图变换、图形渲染、材质、纹理贴图、模型动画等三维图形学的内容;而二维图形学的内容在游戏开发中使用的相对较少。

而在传统的图形学教材中,二维图形学的内容占据相当大的比例,学生在学习这一部分内容的时候,普遍感到算法较为枯燥,而无法和实际应用联系起来,易产生厌学的情绪。

(2) 对于当前主流图形库的学习安排

为了更好的开发出具有丰富3D效果的游戏,必须学会使用3D技术,而当前主流的3D图形API为OpenGL和DirectX,早期的很多游戏的底层引擎是基于OpenGL开发的,如“3D游戏之父”Carmack的经典游戏“DOOM”、“Quake”,在当前的游戏行业中,微软开发的DirectX多媒体引擎大有后来居上之势,当前基于Windows操作系统的游戏绝大多数都是基于DirectX开发。虽然如此,在其他操作系统的游戏开发和工作站上的图形应用程序开发,OpenGL仍然是不二的选择。

因此掌握好这两种图形库,是游戏专业的学生必须掌握的技能;在两种图形库的偏重上,DirectX所占的分量应该更重一些,而当前的图形学理论和实践教材基本上都是基于OpenGL,缺少合适的基于DirectX的计算机图形学实验指导教材。

(3) 对于图形学课程理论和实践的安排

一般图形学课程的安排是先讲授图形学理论,之后进行图形学课程设计,目的是在课程设计环节让学生应用所学的理论知识,锻炼实践能力。但也存在一些弊病:理论讲授和实践环节割裂,学生在学习图形学算法和理论时对枯燥的内容感到较难,缺少实践,而在实践环节,由于时间有限,很难真正掌握开发工具并作出具有一定深度的作品。

基于上述问题,结合游戏开发专业的特点,我们认为必须从以下几方面入手做工作,确保“计算机图形学”课程的教学效果,加快课程建设。

4面向游戏开发专业方向的计算机图形学课程建设思路

(1) 针对游戏专业的特色,在内容选择上,应有所取舍,有所补充,不拘泥于某本计算机图形学教材的具体内容作为授课内容,而是根据培养目标和专业特色,灵活安排。

首先,重点讲授三维图形学的内容;另外,将一些游戏开发过程中较为关键的图形学相关算法和内容补充到图形学的授课内容中,例如以下两种算法:

场景管理及相关算法:场景管理是3D游戏引擎最核心的部分,对于一个3D场景来说,有很多的物体,最简单的组织方法就是把它们用一个List连接起来,然后在绘制每一帧的时候一次送入渲染器进行处理,这样的方法即使处理一个简单的场景都会显得非常慢。因此,如何合理有效地管理3D场景中物体之间的相关、从属、互相影响的关系,如何组织这些关系,并将它们与3D引擎的其他部分的功能联系起来,就是场景管理需要完成的工作。牵涉到空间排序,有多种算法来实现,基本的方法为:N叉树算法,包括:二叉树算法、四叉树算法和八叉树算法。

现有的各种图形学教材,有些根本没有提到上述算法,有些在图形消隐的章节讲授其中的某种算法。而上述算法是游戏引擎的核心算法,对游戏专业学生这一部分的内容应补充进授课内容。

三维模型动画及动力学的基础知识:在游戏开发过程中,有了模型之后,需要为三维模型添加相应的动作,实现游戏效果。对于当前的三维图形库,比如Direct3D,也支持丰富的三维模型动画,包括:关节动画、单一网格模型动画、骨骼动画和Morp。这一部分内容对于游戏开发人员来说也是必须掌握的一部分,但在现有的《计算机图形学》教材中,绝大多数没有涉及这部分内容,但也有一些《计算机图形学》课本增加了三维模型动画及动力学的内容,如美国加州州立大学斯坦尼斯洛斯分校Steve Cunningham所著的《计算机图形学》一书中,就将动力学和动画作为专门的一章内容进行介绍。

(2) 理清图形学各部分内容和具体的游戏应用之间的关系,采用多种方式,有针对性地讲述。

游戏专业方向的“计算机图形学”课程在讲授的时候,不能完全沿用传统的“计算机图形学”的授课方式,而应该找出相关内容和具体的游戏开发实践之间的关系,教师在讲述相关理论和算法的时候,应将游戏开发过程中如何应用该算法或理论以及如何实现该算法和理论进行讲解,将相对枯燥的理论和实际联系起来,让学生能学以致用。

下表对图形学的内容和游戏开发实践中的应用作了粗略的总结。

教师在具体讲授时可以在此基础上进行丰富,使得授课内容生动起来。并在课程结束的时候,按照构造游戏的流程,从角色建模讲起,用游戏设计这一根主线找出各部分内容之间的联系,使得学生对课程的内容和游戏开发之间的关系有一个全貌性的认识。

(3) 在理论环节和实践环节的安排上,采用理论课+实验课+课程设计的方式,在平时图形学理论讲授的过程中,穿插实验课,在最后安排课程设计,加大实践环节所占比重。

(4) 建设与开发面向游戏方向的图形学案例库

欲使课堂讲授的内容生动起来,必须有实际的案例支撑,因此建设面向游戏方向的图形学案例库,使得学生能够快速理解和掌握相关理论和技术,对于提高图形学课程的授课质量至关重要。

(5) 教材建设方面

编制面向游戏开发专业的计算机图形学教材以及编制面向游戏开发专业的图形学课程设计指导书是非常紧迫和必须的任务。

5总结

本文结合图形学教学的实际以及游戏开发专业方向的培养目标,对于面向游戏设计专业的“计算机图形学”课程教学改革进行了一些探讨,希望能对游戏开发专业的教学和课程建设有所促进。

参考文献:

[1] 培养具有创新意识的复合型数字媒体技术人才――山东大学软件学院数字媒体系人才培养[J]. 计算机教育,2008,(15).

[2] 博采众家智慧,培育复合型、创新型人才――山东大学软件学院孟祥旭院长谈数字媒体技术专业人才培养[J]. 计算机教育,2008,(15).

[3] 徐延宁. 计算机游戏课程体系建设[J]. 计算机教育,2008,(15).

[4] 尹义龙. 数字媒体技术专业的教学实践体系探讨[J]. 计算机教育,2008,(15).

[5] 向辉. 数字媒体技术专业课程体系探讨[J]. 计算机教育,2008,(15).

[6] 潘荣江. 扬长补短的 “2+X” 数字媒体技术专业培养模式[J]. 计算机教育,2008,(15).

[7] 庞晓溪. 游戏引擎教程[M]. 北京:中国水利水电出版社,2008.

计算机图形学论文篇4

在20世纪80年代,我国著名科学家钱学森教授结合我国科学技术发展现状和特点,在人类高级抽象思维领域,尤其是形象思维、辩证思维、创造性思维等方面进行了科学的分析,提出了“思维学”的理念。计算科学是一个与数学模型构建、定量分析方法以及利用计算机来分析和解决科学问题相关的研究领域,它不同于计算机科学(面向计算机和信息处理的研究),也异于传统科学方法—— 实验和理论。思维科学中形象思维学和逻辑思维学与计算科学联系尤为密切,站在思维科学和计算科学相结合的高度去认识计算思维:计算思维是面向计算学科的思维。

1 “中国古算具”时期的计算思维

计算思维不是一个新生事物,也不是随着计算机的出现而出现的,这一理念早已存在于我国古代的数学之中。中国的古算具如算筹和算盘等就是体现计算思维这一思想的典型实例。在中国古代,古算具用途仅限于数学计算。人们通过熟记相关口诀,然后以古算具为工具,来进行一些简单的数学计算。这个阶段的计算思维被称之为中国古代计算思维。我国古算具是我国先民们智慧的结晶。十进制计数制是我国古人在计算理论方面的重要发明之一。在世界数学史上,我国是最早使用十进位制的国家,早在商代时就已形成了完善的十进制记数系统。这种记数方法后来逐渐发展成为筹算和珠算中“逢十进一”的十进位计数制,并在秦汉时期形成了完整的十进位计数制,这是计算领域的革命性创造和发明。马克思在其撰写的《数学手稿》中称十进位计数法为“最妙的发明之一”。唐朝末年出现的算盘结合了十进制计数法和珠算口诀,在计算复杂问题和计算速度以及便携性上都有不可比拟的优势,并一直沿用至今。吴文俊院士认为:“数学机械化思想来源于中国古算”。对筹算而言,珠算可以更加突出我国古代数学算法机械化特色。珠算充分利用汉语单字发音特点,将几个计算步骤概括为若干字一句的珠算口诀,计算时呼出口诀即可拨出计算结果,整个计算过程类似于计算机通过已编好的程序来执行计算的过程,所以吴文俊教授将算盘算筹称为“没有存储设备的简易计算机”。我们把中国古代计算思维认为是处于萌芽时期的计算思维,这个阶段的计算思维仅仅应用于解决数值计算问题,还未涉及到逻辑计算等其他计算问题,而且还未建立起系统的理论和方法体系。

2 “图灵机”时期的计算思维

英国科学家艾伦·麦迪森·图灵(Alan Mathison Turing)是现代计算机科学和人工智能的奠基者。1936年,图灵发表了奠定电子计算机模型和理论的文章—— 《论可计算数及其在判定问题中的应用》,提出了著名的理论计算机的抽象模型—— “图灵机”(Turing Machine)和图灵机理论。图灵机是一个逻辑计算机的通用模型,它可以通过编写有限的指令序列完成各种演算过程。通用图灵机正是现代数字计算机的理论原型。图灵证明,凡是图灵机能求解的计算问题便是可计算性问题,实际计算机才能解决;图灵机不能求解的计算问题便是不可计算的问题,即使是大型计算机也无法求解。这就是著名的“可计算性理论”。可计算性理论是现代计算机科学的基础理论之一。“判定问题”是数理逻辑中的一个重要问题,它是判断是否存在一种有效可行算法能求解某一类问题中的任何具体问题的研究课题。现代解决不可判定问题的理论,来源于图灵对图灵机“停机问题”的不可判定性证明。1936年图灵证明,解决“停机问题”的通用算法是不存在的,即不存在一个通用图灵机可以判定任意给定的图灵机对任意输入是否会停机。此外,“判定问题”与“可计算性理论”之间关系密切:可计算的问题,一定可判定;可判定的问题未必可计算。图灵所描绘的“通用图灵机”是现代计算机的雏形。相比中国古算具而言,图灵机首次实现了用机器来模拟人类思维进行数值计算的过程,实现了手工计算向机器自动机械化计算的跨越式发展。算筹和算盘等古算具是将“程序”放入到演算者的大脑中,然后手工完成整个计算过程的。图灵机是将预先编好的程序存储于控制器内存,将其成为计算机自身的一部分,然后在程序的控制下自动完成计算过程,这是两者之间最重要的区别。此外,中国古算具所能执行的计算任务非常有限,而图灵机的工作过程虽是符号逻辑推理过程,如将存储磁带上的符号换为数字,那整个过程便是数值计算过程。所有的计算和算法都可以通过图灵机来完成。此外,图灵机和中国古算具,体现了一种共同的计算思维方式:面对复杂问题,先将问题数值化,转化为可计算问题,然后寻求有效可行的算法并编写程序,在程序控制下由“计算机”进行运算并在有限步骤内得出最终结果。

3 计算思维的传承与发展

从中国古算具的算法化思想到20世纪30年代问世的图灵机和图灵理论,我们可以看出:计算思维不是计算机思维,它不是计算机的产物,更不是一个新概念,而是千百年来计算学科在发展过程中一直遵循传承的一种科学思维方法。在历史的长河中,计算思维必将经历一个由低级到高级逐步成熟完善的过程。从古至今,计算思维是人人都具备的一种技能,并且在实际生产和生活中,人们早已能够利用计算思维去分析问题和解决问题,只不过这种计算思维是无意识的,所以在很长的一段历史时期内,计算思维“深藏闺中无人识”,并未受到人们的重视。直到2006年3月,美国卡内基·梅隆大学周以真(Jeannette M.Wing)教授在美国计算机权威杂志ACM《Communication of the ACM》上对计算思维概念进行了清晰系统的阐述,这一概念才引起人们的关注。在国内,中国科学院自动化所王飞跃教授率先将“计算思维”引入国内,提出我们应借“计算思维”之东风,尽快把中国世故人情的“算计文化”转化成为科学理性的“计算文化”。当前,国内外关于计算思维的研究已积极开展并获得了一定的成果,但是对于计算思维的一些基本理论和方法,比如计算思维的概念、特征、原理以及方法等等,这些问题都还没有达成共识,甚至一些研究领域:计算思维课程理论、计算思维能力培养方法理论、计算思维与创新教育理论等问题,还没引起广大学者的关注和重视,一些研究工作有待进一步深入。

参考文献

计算机图形学论文篇5

文章编号:1672-5913 (2007) 24-0080-05

1对图形图像与多媒体知识的要求

1.1CC2004知识领域要求

在CC2004中,和图形图像与多媒体相关的知识领域是人―机交互(Human-Computer Interaction -HC)、图形学与可视计算(Graphics & Visual Computing-GV)、信息系统(Information Management -IM)、网络计算(NetCentric Computing-NC)等几个部分。表1是CC2004列出的五种课程计划中所含人―机交互和图形学与可视计算两个计算机主题的比重。表中的数字表示对应的专业与相应的知识域的相关性,范围从0~5。其中,min值表示该学科报告中列举的学生对相应知识域掌握的典型的最低要求,也是相对于其它专业最低要求的值,max值表示该专业学生对相应知识域掌握的典型的最高要求。

表1 计算机主题的比重

分析CC2004中各课程计划和表1可得出,CC-CS2001对图形图像与多媒体的知识要求最高,所涉及的具体知识单元见表2。

表2 和图形图像与多媒体相关的知识单元

CC-CS2001在附录B的课程描述中,推荐了一些覆盖知识领域和单元的课程,每门课程里对预备课程、课程提纲、覆盖的知识单元、各单元学时做了较为详细的描述。相应地,和图形图像与多媒体有关的中介课程有CS250W人机交互和CS255W计算机图形学等课程,高级课程有CS352图形用户接口、CS355高级计算机图形学、CS356图像处理等课程,但高级课程只给出课程名称,还没有详细描述。

CS250W人机交互课程要求全面介绍人机交互原理和技术,CS255W计算机图形学课程则要介绍计算机图形学的原理和技术,两门课程覆盖的知识单元见表3。

表3 CS250W和CS255W的知识单元

1.2CCC2002和教指委计算机科学规范的要求

CCC2002同CC2001一样,把计算机科学与技术学科的知识体系划分为知识领域、知识单元和知识点等三个相互关联的层次结构。完整的本科课程体系结构由三部分组成,即奠定基础的基础课程,涵盖知识体系大部分核心单元的主干课程,用来完备课程体系的特色课程。根据我国计算机科学与技术学科教育的现状及对典型课程设置的分析,给出了16门课程,分别为计算机导论,程序设计基础,离散结构,算法与数据结构,计算机组织与体系结构,微型机系统与接口,操作系统,数据库系统原理,编译原理,软件工程,计算机图形学,计算机网络,人工智能,数字逻辑,计算机组成基础,计算机体系结构。在教指委的《计算机科学规范》中,也选取部分知识单元组成了15门核心课程,分别是计算机导论,程序设计基础,离散结构,算法与数据结构,计算机组成基础,计算机体系结构,操作系统,数据库系统原理,编译原理,软件工程,计算机图形学,计算机网络,人工智能,数字逻辑,社会与职业道德。可见,计算机图形学都为核心课程之一。

在《计算机科学规范》中,计算机图形学和可视化计算可以划分成以下四个相互关联的领域:

(1) 计算机图形学:计算机图形学是一门以计算机产生并在其上展示的图像作为通信信息的艺术和科学。它有以下几方面的要求:①表示信息的模型的设计和构建应有助于图像的产生和观察;②方便用户使之能够通过精心设计的设备和技术与模型(或者说观察到的图像)进行交互;③能提供绘制模型的技术;④设计出有助于图像保存的技术。计算机图形学的目标是对人类的视觉中心及其他的认知中心有进一步深入的了解;

(2) 可视化技术:主要目标是确定并展示存在于科学的(如计算和医学科学)和比较抽象的数据集中的基本的相互关联结构与关系。展示的主要目标则应当是发掘在数据集中潜在的信息,从而有助于用户增强对它们的理解。虽然,当前的可视化技术主要是探索人类的视觉能力,但是其他的一些感知通道,包括触觉和听觉,也均在考虑之中,以便通过它们进一步发现信息的处理过程;

(3) 虚拟现实:虚拟现实(VR)是要让用户经历由计算机图形学以及可能的其他感知通道所产生的三维环境,提供一种能增进用户与计算机创建的“世界”交互作用的环境;

(4) 计算机视觉:计算机视觉的目标是推导出一幅或多幅二维图像所表示的三维图像世界的结构及性质。对计算机视觉的理解和实践依赖于计算学科中的核心概念,但也和其他一些学科(如物理、数学、心理学等)密切相关。

CC2004和CCC2002的规范中给出的课程建议规定了每门课程的最小核心内容,包括的这些单元是要获得学位必须具备的相应知识。核心单元不是课程的全部,核心单元是课程最小的部分,但不能构成完整的本科课程,每门课程应当包括来自知识体系中的附加选修单元。核心单元不能仅安排在本科阶段的入门性课程中。许多核心单元属于入门的导论性知识,但这不意味着它们必须安排在低年级的入门性课程中,因为有些导论性的知识,只有当学生具有必需的基础知识后才能接受。另外,引论性课程也可以包括选修单元。所以核心这一说法只是意味着必须具备的含义,而并没有限制它必须安排在那些课程里。

从以上国内外计算机专业推荐的教学计划和设置的课程可以得到,涉及到图形图像与多媒体的内容,一般宜设置计算机图形学、数字图像处理、多媒体技术等课程及相关课程,可涵盖的知识有人―机交互、图形学、图像处理、多媒体技术等基础内容,这样才可基本达到规范的要求。

2部分高校课程开设情况

从网上可查到的清华大学、上海交通大学、中国科技大学等几所高校的计算机科学与技术专业本科生培养教学计划中计算机图形学、数字图像处理、多媒体技术等课程设置情况如表4。

表4 涉及图形图像与多媒体类课程开设情况

从表4可看到,近几年在计算机专业里,国内的大学普遍增加了图形图像与多媒体类课程的课程数量和教学时间。

3 存在问题及教改研究

计算机图形学论文篇6

计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形,并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。从汽车的计算机辅助设计,到电视广告、游戏,无一不应用计算机图形生成技术。作为一门实践性非常强的课程,与之配套的实验教学环节显得尤为重要。

1 实验教学现状

由于计算机图形学是一门建立在多门学科之上的综合叉学科,要求学生先修“程序设计”、“数据结构”等课程,课程中的许多算法抽象,原理难懂,实践性强,学生在上课时看似听懂算法原理,但面对具体问题则难以编程实现,致使学生的学习积极性随着课程的推进而逐渐下降。传统的“理论为主,实验为辅”的教学模式,不仅使学生对于抽象的理论知识难以形成感性认识,还使学生无法将所学的原理和算法应用于实验,容易产生学习挫败感。

笔者认为该课程应理论与实验并重,在理论教学的基础上,应加强实验教学环节。针对上述问题,建议实验教学可从以下几个方面进行改进。

2 实验教学改革措施

2.1 合理设计实验内容

《计算机图形学》课程的理论内容包括基本图形生成、曲线和曲面、图形变换等。实验教学中可根据教学进度安排六个实验项目,分别是基本图形生成算法程序设计、线宽与线型处理算法程序设计、区域填充算法程序设计、二维图形裁剪算法程序设计、自由曲线绘制算法程序设计、二维图形的几何变换算法程序设计。

此外,为了让学生能够由浅入深地掌握教学内容,在实验课程中还安排辅导性实验和进阶选做项目,譬如,在实验课初始时安排熟悉使用VC中的MFC、OpenGL;在六个实验项目之后安排三维图形观察、变换算法、分形几何造型算法、自由曲面造型算法、真实感图形绘制算法程序设计等项目,作为学生分组团队选做项目。通过验证性实验和设计性实验相结合,提高学生应用图形学应用能力。

例如,在基本图形生成算法程序设计的DDA直线生成算法实验中,学生在了解了DDA直线生成的数学原理之后,新建一个Win32 Application的“Hello World”程序,工程命名为:DDA直线生成算法,打开DDA直线生成算法.cpp文件,加入如下代码:

2.2 科学设计课堂活动

计算机图形学实验课与大多数实验课类似,采用传统的教学模式:先由教师设计好实验的题目、内容和重点,然后学生上机编写、调试代码程序,同时教师辅导、答疑,最后学生撰写实验报告。该模式的弊端在于,由于大多数学校师生比不足,造成实验课上老师只能解答主动提问的学生的问题,而部分学生特别是学习主动性不足的学生则在机房上网或对实验任务无所适从,提不起兴趣。不少学生的实验报告也是敷衍了事,甚至互相抄袭,达不到课程的实践效果。

为了培养学生的动手能力,除了安排个人上机实验任务之外,教师还可以采用分组教学,团队合作的形式组织教学。在实验课上引入几个难度相近的实验项目,由学生自由分组,选题,完成实验内容。教师参与学生的分析与讨论,并适当给予修改意见。实验完成后各组展示实验结果,分组之间相互比较、评价,总结出同一问题的多种解决思路和算法。此外,在期末还可以安排学生分组完成综合性较强的设计性实验,要求设计出包含理论教学中有关算法原理的作品,并撰写实验报告和实验心得。分组教学不仅激发了学生的学习兴趣,让学生从被动接受知识变为主动获取知识,还增强了学生动手实践能力和理论联系实际的能力。

2.3 改进教学方法

目前,实验课教学主要采用多媒体教学,实验课在计算机实验室进行。教师课前应收集或制作相关的教学资源,将抽象的算法原理与实际应用相结合,通过直观的或动态的演示向学生介绍算法原理。例如,可以用Flas演示二维图形的变换,三维图形的变换过程可以投影用3D MAX软件来演示。同时,还可以采用让学生上讲台讲课的方式开展教学。把讲台留给学生,让学生备好课,以学生的角度介绍实验内容,展示自己的实验成果等,最后由老师进行补充或更正。这种教学方式一改老师完全主导实验课堂的局面,充分调动了学生的学习积极性,让学生善于思考,敢于创新,实验课不再是老师对学生的单向交流的枯燥教学活动。

2.4 改革实验考核方法

以往的计算机图形学课程成绩采用理论卷面考核成绩为主、上机实践成绩为辅的考核方式。在强化实验教学环节之后,为避免学生死记硬背算法原理,考完即忘,可将考核方式改为理论考试成绩与实验成绩并重,即课程成绩除了包含理论课的卷面成绩之外,还包括实验成绩。实验成绩由个人独立实验部分和团队分组实验部分组成。个人独立实验部分要求完成图形学基本算法的程序设计。教师根据学生的实验完成情况给分。团队分组实验部分提供有一定难度的选做项目。团队分组实验部分的成绩,由教师评分和各组学生代表评审小组的评分组成。

3 结束语

本文针对传统的计算机图形学实验教学模式中存在的不足,提出了改进实验教学的教学组织模式和教学方法,以课内理论知识为基础,加强实验实践环节,发挥学生的学习主观能动性,培养学生的动手实践能力和创新能力,最终能够运用所学算法理论分析问题和解决问题。

参考文献:

[1]陈元琰,张睿哲,吴东.计算机图形学实用技术(第2版)[M].北京:清华大学出版社,2007:1.

[2]孙家广,胡事民.计算机图形学基础教程[M].北京:清华大学出版社,2005:1-3.

[3]傅向华,周虹.加强能力培养的“计算机图形学”实验教学改革[J].计算机教育,2012(23):94-97.

[4]候文邦,顾国生.“计算机图形学”课程实验教学探讨[J].广东工业大学学报(社会科学版),2010(10):66-67.

[5]钱苏斌.计算机图形学实验课程教学改革探究[J].软件导刊,2013(11):180-182.

计算机图形学论文篇7

中图分类号:G642 文献标识码:A

“计算机图形学”是大部分院校计算机专业或相关专业中的一门重要课程。本课程的教学目的是使学生掌握计算机图形系统软硬件技术以及图形生成、处理、输出的基本原理和方法,培养学生利用计算机解决图形问题的程序设计能力,为开发图形软件打下必要的基础。

1计算机图形学的教学现状

计算机图形学是建立在传统的图学理论、现代数学和计算机科学基础上的一门新兴学科。该学科综合了计算机科学、数学、物理学等其它相关学科的知识,而且学科发展日新月异,新的应用领域不断拓展,这使计算机图形学具有学科内容丰富、理论性强、算法众多、实践性强这几方面特点。

学科内容丰富和理论性强造成该课程讲授起来比较枯燥;同时,传统地讲授教材上的理论将使学生感到该课程难于理解、难学、学习积极性和主动性受到影响,整个学习过程基本是被动接受。

目前,国内的计算机图形学课程教学基本取材于几本经典的教科书,这些教科书重点讲述计算机图形学的算法。许多算法为了追求高效率从而精益求精,算法本身构思独特且实现精巧,但也导致了算法本身及其实现都难于理解;而且传统的授课方案侧重于强调算法实现的数学基础。这种强调图形算法基础的教学方案适合于数学基础优秀的学生,但对本校这样的工科类院校,学生往往被一些必须掌握的算法所困扰,从而对该课程产生畏难心理。

计算机图形学这门课程实践性强的特点则要求学生具有较强的动手操作能力和编程能力,从另外一个方面来说,要求老师有更强的实践能力。如果理论与实践互动性不够,容易造成学生实践动手能力薄弱。

通过以上分析,可以看出在计算机图形学中采用传统的课堂上讲授理论,课下让学生去做实验的教学方式很难达到预期的教学效果,急切需要探讨新的教学思路和教学方法。

2计算机图形学课程的教学改革

本校针对现有教学中的不足,在总结多所知名大学在该门课程教学经验基础上,制定了计算机图形学的教改目标和教改方案,具体认识和做法如下。

2.1教学内容的组织

以教学大纲为依据,从学生的实际情况出发,以课堂讲授为主,上机实验为辅的方式组织教学内容。其中课堂讲授48学时,上机实验16学时。以讲清基本原理和概念为第一目标,以培养学生图形学算法的设计能力、图形软件的开发能力为原则,合理安排课堂教学内容。

根据学生的接受程度,教学内容首先注重基础,强调基本概念、基本原理;其次突出重点,对一些要求掌握的算法,要仔细分析,强调其基本思想。只要算法的基本思想掌握了,算法的实现就容易理解,对相关算法就可举一反三、触类旁通;再者教学内容中应该介绍一些当前的研究热点,使学生了解学科发展情况,也同时增加课堂教学的趣味性;最后在教学内容中应该注意理论与实用软件之间的关系,适当介绍计算机图形学理论、算法在流行的图形设计和动画制作软件(如AutoCAD、3DMAX等)中的应用,促进理论学习和实用软件使用之间形成互动。

根据以上原则,本校在2005届计算机专业本科生中,采用了清华大学出版社出版,孙家广主编的《计算机图形学》作为基本教材。同时引进国外一流大学的先进教材Donald Hearn, M. Pauline Baker编写的Computer Graphics(C Version)作为教辅资料,其中引用了一些最新的图形学研究成果,在彩页中体现了几乎乱真的图形效果。

2.2教学方法的选择

在讲授必须掌握的基础算法之前,强调启发式教学,提出课前思考题。这些思考题可以引导学生预习和自学,减轻课堂负担,使课堂教学目标清晰,任务简化。如在讲授多边形裁剪算法之前,应思考多边形由线段构成,是否可用已学过的二维线段裁剪算法逐边裁剪多边形?如果不能,原因如何?应如何解决?

在讲授同类算法之后,对解决同一问题的算法进行比较,强调对比性学习。如区域填充中,应对漫水法填充、边界填充算法、扫描线种子算法进行比较,说明其相同之处皆为在填充过程中搜索新种子点,不同之处在于搜索新种子点的方法不同。通过对比学习,学生在学习过程中不再孤立学习一种算法,而是同时掌握一类算法,为后续的扫描转换填充算法打下基础。

2.3教学手段的应用

在计算机图形学课堂教学过程中,本校采用多媒体教学与传统教学方式相结合。为了充分发挥图形图示、动画演示的作用,主讲教师精心制作了计算机图形学多媒体教学课件。在该多媒体教学课件中,对教学内容的各个知识点间用超链接进行链接,引入音频、视频等媒体信息,既增加了教学内容的连贯性,又使课堂教学变得生动有趣。

为了合理利用网络,拓展教学空间,主讲教师开设了自己的个人博客,在网上列出与课程相关的权威网络资源。在保留传统的面对面交流的基础上,学生可以通过网络与教师、同学讨论问题;教师则可以根据学生的反馈意见,及时了解学生的学习现状,调整下一步的教学方式。

除了网上讨论答疑外,教师根据学生的意见还采取了MSN、QQ 等学生喜爱的交流方式。通过这种网上交流,一方面使同学们不知不觉中利用课余实践学习巩固了图形学知识,扩展了知识面;另一方面也兼顾了图形学的教学大纲和同学们的兴趣。一般说来,教学大纲强调基本的概念算法,而学生则对如何生成各种漂亮的图形效果感兴趣,将如何基于图形学算法使用工具软件生成图形效果的资料放在网上,在课堂上就可以集中精力讲授算法理论。通过网上交流,给学生提供了一种获取知识的新渠道,这对于刚读完两年大学,已初步具备自学能力的大三学生而言,效果较好。

2.4上机实验的分配

计算机图形学涉及大量图形造形、图形生成和变换的算法,上机实验必不可少,应该结合课程特点设计实验内容,强调学习、研究和实验的有机结合,鼓励创新性。通过实验,发现问题,解决问题。

本校根据学生的实际情况,把实验环节分为必做的课内验证性实验、课内设计性实验、选做的课外创新性实验,并且要求学生将自己实现的各类图形算法统一到一个整体框架中。到课程结束时,每个学生都完成了一个具有自己特点的小型交互型计算机图形系统。在这个过程中,学生不仅学习了计算机图形学的各种算法,而且培养了学生的学习兴趣。

在上机实验过程中,由于本校学生在开设计算机图形学这门课程之前并没有学习过GUI编程,往届学生的上机实验都是基于Turbo C环境下的编程练习。由于TC的陈旧性和古板性,多数学生对它并不感兴趣,因此在2005届学生上机实验之前,本校教师将计算机图形学中的上机实验移植到VC、VB、C++ Builder等可视化的编程环境上来。这一方面让同学们学习编程时有与时俱进的感觉,另一方面又能学到新的内容。

2.5算法演示系统的设计

计算机图形学算法中涉及到较复杂的公式推导,在理解算法时要求有比较强的空间想像能力。为了帮助同学们更好地理解算法,本校组织毕业生在主讲教师的帮助下制作了“计算机图形学算法演示系统”,该系统利用Visual C++ 6.0结合OpenGL进行开发。

由于该系统主要用来进行辅助教学,而一般程序实现速度快,且操作的像素人眼看不见,这样的程序用于课堂讲解,虽然可以提高同学们的学习兴趣,但同学们看不到算法的具体实现过程。为了解决这个问题,本系统以放大的可见点模拟人眼看不见的屏幕像素,并且以动画的形式完成计算机图形学中各种算法的实现过程。系统中每一种算法都被设计为一个独立的类,各种算法根据其分类被组织在相应的菜单下,通过菜单调出设置参数和控制程序的对话框。采用该算法演示系统后,在学习相关算法时,同学们可以清楚地看到算法的分步执行结果,帮助同学从直观角度理解各种抽象算法,极大地提高了学生的学习兴趣,增强教学效果。

2.6课后习题的安排

课后习题对于帮助学生预习和自学, 激发学生兴趣等方面有重要作用。由于计算机图形学这门课程的特殊性,课后习题较少,因此根据课程教学需要,在参阅著名计算机图形学教材的基础上,本校教师经过收集整理,设计编写了教学辅助材料《计算机图形学习题集》,目前已基本成型,并在2005届学生中试用。

在设计习题的时候要精心设计和选择,特别避免作业形式单一、难度较大,否则就会使学生产生畏难情绪。注意循序渐进、难易适度。注重基础,注意多层次(如基础知识、算法设计和综合应用题等)、多形式(如判断题、选择题、填空题、简答题、算法设计题和综合应用题等),使学生得到全面的训练。习题应注意启迪学生的思维, 培养独立思考的能力。

在每章习题的最后,都是这章内容的学习小结,要求学生回答:通过这一章的学习,掌握了哪些知识?哪些没有听懂?对老师有没有更好的建议等等。字数不限,但必须回答。从教师的角度出发,这种小结有利于了解学生的心理动态,了解自己的授课得失,有利于进一步改进教学质量;从学生的角度出发,这种小结客观上促进了学生进行课后复习,巩固了课堂效果,而且内容灵活,可长可短。

2.7教学过程的考核

重视教学的过程化管理与考核是保证教学质量的重要手段。对课堂、作业、实验等环节进行有效的管理,及时发现和纠正每一环节中存在的问题。应该在过程中解决教学中的问题,不能让其积累起来,避免学生感到课程的难学,以致学习积极性下降。

过程化管理和考核体现在评定学生的课程成绩时,全面考核各重要教学环节(如上课、作业、上机实验、期末考试等)的学习情况,应充分重视平时的学习情况,鼓励在平时作业、上机实践中独立思考,并有所创新的学生。对于平时作业,上机实验中存在的抄袭现象,教师要求学生用电子邮箱提交作业,两份完全雷同的作业,按照提交时间先后次序判断抄袭者。对于上机过程中,第一个完成的同学或者实现方法有所改进的同学都给予加分奖励。每次作业、上机实验都要给出等级,各环节的学习情况都有逐一的评定成绩,并按比例记入到课程的总成绩中。

3小结

通过本校2005届教学效果和往届学生教学效果的对比分析,在试卷难度相同的情况下,2005届计算机本科生图形学考核平均成绩提高5%,且成绩分布更趋向正态分布;网上评教系统表明,在2005届本科生中,学生对计算机图形学的畏难心理有较大的降低,仅有一人反映学习过程中听不懂,难度很大,这说明学生的学习兴趣和学习信心有一定的提高。从对比结果可看出本文所提出的方法有一定的实效,同时对其他课程也有一些参考意义。

参考文献

[1] 唐泽圣. 计算机图形学基础[M]. 北京:清华大学出版社,2003.

[2] 吴元斌. “计算机图形学”教学的几点体会[J]. 安康师专学报,2004,(16):119-121.

[3] 孙家广. 计算机图形学[M]. 北京:清华大学出版社,1998.

[4] 杨长强. “计算机图形学教学演示系统”的设计与实现[J]. 教育信息化,2006,(3):41-43.

Research and Practice of Teaching Reformation of Computer Graphics

Duan Jiang

计算机图形学论文篇8

《计算机图形学》既是计算机科学研究领域中一门重要的学科,同时也是建立在传统图学、现代数学及计算机科学上的一门交叉学科。它已广泛应用在于计算机辅助设计与制造、计算机辅助绘图、计算机辅助教学、工业过程控制、计算机动画艺术、科学计算可视化、人机交互和虚拟现实等诸多领域[1]。基于《计算机图形学》领域的巨大发展和《计算机图形学》课程教学中存在的诸多问题,有必要对该课程的教学进行改革,从而提升该课程的教学水平。《计算机图形学》的研究内容主要包括图形软硬件、光栅图形生成、真实感图形计算与显示、曲线曲面造型、人机交互技术、科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等[2]。

一、目前教学中存在的问题

《计算机图形学》课程是一门理论与实践结合性强的课程,这导致在实际教学过程中存在以下四个问题。

1.教与学的目的不统一。笔者通过教学过程中与学生的交流发现,大部分学生对本课程的理解不是很正确。他们之所以选修这门课程,主要是因为他们认为通过对《计算机图形学》的学习可以处理漂亮的图片、制作炫目的动画和进行游戏编程等。然而该课程实际上是去探究实现这些操作的原理,是研究更本质的知识。学生一开始对该课程充满好奇和期待,但随着课程的深入讲解,他们会感到本课程的理论知识枯燥,导致学习兴趣不断下降。

2.学生动手能力的不足。《计算机图形学》这门课程要求学生具有较强的编程能力和动手能力,因为要掌握和实现一些图形学基本算法。而在教学中发现,大部分学生的编程能力和动手能力都一般,很多任务不能正常完成,从而间接打击了学生的积极性,使得他们对该课程的兴趣与日递减,最后转为放弃学习。

3.课程设置不合理。《计算机图形学》尽管是计算机科学的一门重要学科,但在计算机科学与技术专业并不是核心课程,因此在课程设置中只是将该课程作为高年级的方向选修课开设。很大部分选修学生不是真心想学习该课程,再加上这些学生对课程的理解也存在着偏颇。基于这个现状,任课教师也就只能在实际授课时力求简单,从而导致教师无法完成必需的教学内容。

4.实践教学重视不够。传统教学模式只重视理论而忽视实践,一方面表现在实践课时安排上(本校课堂教学的课时是实践教学的两倍);另一方面是开设的实验更多的只是算法验证性实验。这使得原本很重要的实践活动转变为形式,这势必阻碍学生运用所学图形学理论知识提升其自身的创新能力。

二、教学改革具体措施

1.板书与多媒体相结合。多媒体教学作为现代教育的有效手段,确实具有传统教学无法比拟的优势,它信息量大、效率高、趣味性强,使教师的授课更便捷,让算法的演示更形象具体,从而有利于激发学生的学习热情,使教学效果达到最优化。因此,目前基本上所有的高校都采用多媒体方式进行授课。但其实对于图形学这门课程,由于其涉及到大量的数学推导,比如,基本图形的生成、图形几何变换和曲线曲面造型等,在多媒体教学的同时,需要运用板书进行相关数学推导,这可以使学生在教师板书的过程中学会思考,从而更好、更正确地理解各种图形算法。

2.加强实例教学。由于图形学课程需要掌握很多算法,因此在讲解图形学算法时,不能只讲理论,这样太空洞。应围绕具体的实例进行教学,借助计算机技术(比如flash)对一些算法进行动画模拟演示,从而使算法的描述更加形象化和具体化。这一方面有利于学生更快更好的掌握这些算法;另一方面也可以激发学生学习的热情和积极性。比如,在讲解“多边形填充4连通边界填充算法”时,利用flash演示像素入栈出栈原理,如图1所示,更直观地展示算法的基本思想,从而充分调动了学生的学习积极性,使其具备主动学习的能力。不过因为课时有限,演示实例不能太复杂,能把算法讲解清楚即可。

3.加强实践能力的培养。《计算机图形学》理论和算法是比较深奥和难懂的,不是很容易掌握,但其实验结果却是直观和生动的。该课程具有很强的实践性和应用性,因此上机实验是其重要环节。在教学过程中需要继续加强学生实践能力的培养,引导学生把所学的基本理论知识应用于实践操作,不断提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。《计算机图形学》在本校的总学时数为48学时,其中的实验课时数为14学时,这14个学时7次实验基本能够满足课程实践教学的需要。本课程的实验根据难易程度可分为如下两个层次[3]:①基本实验。主要是为了锻炼学生对算法的理解能力、算法到程序的转换能力以及用VC编程实现算法的能力,主要包括基本图形(直线、圆和椭圆)算法、线型和线宽的处理、字符的生成技术、线段的裁剪、二维和三维图形的几何变换和投影变换、曲线绘制等,要求学生能够独立完成。②综合实验。这类实验包括多边形裁剪算法、多边形区域填充算法、区域图案填充算法、多面体的消影、画家隐面算法和Z-Buffer隐面算法等,它们无论从算法复杂性上还是程序编写难度上都要高于基本实验。可以考虑将学生分成若干小组,以小组的形式在规定的时间内完成。

参考文献:

计算机图形学论文篇9

中图分类号:G642

文献标识码:B

“计算机图形学”课程传统教学模式的重点是基本理论和算法的讲解,学生在学习本课程过程中只是了解了基本图形的生成,而对于三维图形的生成和几何变换、曲面的生成、消隐算法、光照模型的模拟等理论不知如何去实现,针对这一现象,笔者提出以下几点改革,供大家共同探讨。

1计算机图形生成系统

结合本课程教学内容,我们开发了计算机图形生成系统,该系统除了实现课本中讲解的基本算法外,还可实现三维图形的生成与几何变换、曲面的生成、消隐算法、光照模型的模拟等。使学生在学了本课程以后,不仅能实现简单图形的生成,还可以实现复杂的图形。

此系统可实现教材中的基本算法,如DDA和Bresenham的直线生成算法、圆的Bresenham和中点生成算法、椭圆的生成、任一多边形的生成、种子填充算法、扫描线填充算法、直线的Cohen_surtherland裁剪算法、曲线曲面的生成等。

对于比较抽象的算法,采取先讲理论,再讲程序,使学生能理解这些理论用计算机言怎样去实现,从而加深理解。

另外本系统对各个部分进行了归类讲解:

(1) 系统可生成基本三维图形,如球体、椭球体、圆柱、圆锥、任意多面体等,在讲解相关理论后,再演示和详细讲解程序,可以使学生比较容易理解。例如可以把球体、椭球体、圆柱、圆锥归为一类讲解。先讲解一个球体的生成程序,程序用球体的参数表达式去实现,其中用到了投影变换、三维形体的几何变换、屏幕坐标系的变换、简单的反向面消隐算法,学生理解后,再把锥体、椭球体的参数表达式告诉学生,让学生试图生成锥体、椭球体或与球体相近的其他形体。对于多面体的生成,利用边界模型和表面模型分别表示一个四面体,把理论与程序中的数据结构相结合,比较具体,学生易于接受,这样学生就可以对任意多面体怎样利用实体构造方法去实现了。

(2) 对于三维形体的几何变换上,可以用两种方法来实现:物体不变,视点位置变换;视点位置不变,物体发生几何变换。在教学过程中,应用一种三维形体,如任一四棱锥来用两种方法实现这种变换效果,并讲解两种算法的实现程序,给学生布置一道相似的作业,让学生尝试实现。

(3) 在消隐算法的讲解和实现上,因为在三维图形的生成程序中已经让学生了解了简单的反向面消隐法,所以在这部分内容把Z-buffer算法和扫描线算法的理论讲解结合实现程序讲解,学生比较容易理解。

(4) 自由曲面的生成,利用Bézier曲面的DeCasteljau生成算法生成双三次曲面,利用B样条曲面的Deboor算法,生成双三次B样条曲面,并生成NURBS曲面,对之进行几何变换。

(5) 简单模拟光的反射、环境光的漫射效果,以及对二维、三维图形的纹理映射技术。

(6) 对于几何造型方面,造型方法结合程序讲解,效果较好。比如分形造型、边界模型、表面模型等,结合理论,讲一个实现程序,学生不仅可以更容易理解,还可以过到触类旁通的教学效果。

2基于OpenGL的课件

目前本课程的实验只是使用某种高级语言环境(如Turbo C ++)作为上机实习的平台,而当前比较流行OpenGL、Direct等开发工具,学生并不能够在Turbo C ++试验中获得未来就业环境下真实需要掌握的编程知识。OpenGL的这些能力为实现逼真的三维渲染效果、建立交互的三维景观提供了优秀的软件工具。OpenGL集成在Windows的内核中,VB、VC ++均可直接调用,初学的学生也能利用OpenGL的图形处理能力设计出高质量的三维图形以及三维交互软件。所以,笔者在本课程的课件中,每一部分的章节后面,都要讲解在OpenGL中怎样实现,如画线、几何变换、消隐、纹理映射、曲线和曲面的生成等,展示相应的程序并讲解程序。这样可以拓宽学生的知识面,提高学生的就业机会。例如(1)图形生成算法,OpenGL提供了定义点的函数,利用这个函数可以方便地向学生演示基本图形生成算法的基本原理。(2)几何变换。调用OpenGL的三个变换函数glTranslate3( )、glRotate3( )和glScale3( ),实质上相当于产生了一个近似的平移、旋转和比例矩阵。(3)投影变换。OpenGL中只提供了两种投影方式,一种是平行投影,另一种是透视投影。OpenGL平行投影函数共有两个:一个是void glOrtho(GLdou2ble

left, GLdouble right, GLdouble bottom, GLdouble top, GLdou2ble near,GLdouble far),另一个函数是void gluOrtho2D (GL2double left, GLdouble right, GLdouble

bottom, GLdouble top)。OpenGL透视投影函数也有两个:一个是void glFrustum(GLdouble left, GLdouble right, GLdouble bottom, GLdouble top, GLdouble near, GLdouble far),另一个函数是void gluPerspective(GLdouble fovy, GLdou2ble aspect, GLdouble zNear, GLdoube zFar),利用这些函数就可以容易地实现透视投影的效果。(4)曲线曲面的生成。计算机图形学中,所有的光滑曲线都采用线段逼近来模拟,而许多有用的曲线在数学上只用少数几个参数(如控制点等)来描述。OpenGL提供生成Bezier、B样条、NURBS曲线和曲面的函数。OpenGL曲线坐标计算采用的是void glEvalCoord1{fd} [v] (TYPE u),如果是二维曲面的话,上述的函数名改变为对应的二维版本就可以了。(5)真实感图形生成。真实感图形绘制是计算机图形学的一个重要组成部分,在OpenGL中设置光源颜色和对象本身颜色的函数为glLightfv()、glMaterialfv(),调用这些函数举一些案例,使学生不仅能学到基本的图形理论,还能自行开发基于OpenGL的几何变换、投影、曲线曲面生成、光照明模型的建立、纹理映射技术等图形,大大提高了学生的动手能力,使学生消除计算机三维图形编程的神秘感,激发了学习的兴趣。

3“14+4“的课程改革方案

由于本课程是一门实践性比较强的课程,同时也为了使学生具有图形开发的创造能力,本课程在教学过程中更适合“14+4”教学模式,即在教学计划中,14周用于理论教学,4周用于做课程设计。学生可以运用自己所学图形学知识设计一些大的绘图程序,例如二维图形几何变换系统、三维图形几何变换系统、实体的几何造型、二维或三维纹理映射技术的实现、面消隐算法的实现、分形图形技术、应用OPENGL生成一三维形体或实现图形学中相关算法、数字图像处理技术等。学生在课程设计过程中加深了对图形学这门课的理论知识,锻炼了算法实现技巧、提高了编程能力,教学效果良好,甚至有些学生也能开发出效果较好的图形系统。

4后续建设的设想:

针对当前计算机图形学的发展以及市场上流行的许多图形图像处理软件,如Flash、3Dmax、Maya、Authorware、Dreamweaver等,可以在几何造型或光照模型、纹理映射等理论的讲解上结合这些软件的实现过程来讲解,一方面可以满足学生渴望掌握这些软件的心理,另一方面可以使本课程的讲解更加形象、生动和易于理解,也拓宽了本课程的应用范围。

参考文献

[1] 孙家广. 计算机图形学[M]. 北京:清华大学出版社,1998.

计算机图形学论文篇10

文章编号:1671-489X(2017)04-0091-02

Abstract In view of the teaching contents of computer graphics course lay behind in digital media technology specialty. Can’t keep pace with professional and technical development. Analyzed the characteristics of the students and teaching status, puts forward a reform plan. Verified by implementing, has a good effect.

Key words computer graphics; digital media technology; teaching reform

1 引言

算机图形学是计算机专业的传统课程,是研究怎样显示、生成和处理图形的一门学科[1],在传统计算机相关专业中占有重要的地位。数字媒体技术专业是近年来的一个新兴专业,其主要研究内容为使用数字技术,在各种不同媒体上生成显示、加工处理图形及图像。故此,计算机图形学可看作数字媒体技术专业的理论基础课程,是此专业发源于传统计算机相关专业的根基,应该占有相当重要的比重。但计算机图形学课程理论性强、算法多、难度大,而数字媒体专业更偏重于应用和实践性,该专业学生相比于传统计算机专业学生在专业背景和理论基础上有极大区别。要在数字媒体专业中更好地开展此课程,以达到更好的教学效果和质量,需要对传统的课程内容做出研究和调整。

2 教学现状及内容分析

数字媒体专业学生特点 数字媒体技术专业是融合了数字信息处理技术、计算机技术、数字艺术和网络技术等的交叉学科和技术领域,要求学生具备良好的数字媒体技术和艺术基础,能够进行数字媒体作品的设计,熟练掌握数字媒体的制作基础,同时具备坚实的数字媒体软件系统开发能力。技术与艺术并重,既有丰富的艺术细胞,又有坚实的技术支持[2]。

由于各个学校的招生条件和教学计划的不同,每个学校的学生素质及特点有一定的区别。但总体来看,此专业与其他传统计算机专业学生的区别是明显的,大体表现为:1)具有一定的艺术基础;2)编程能力较弱;3)数学知识和功底较弱;4)思维更跳脱,对理论算法提不起兴趣。

计算机图形学传统教学内容分析

1)绪论及图形处理设备:了解学习过程中涉及的相关概念和知识,理解数字图像的组成,了解图形图像在计算机中的表示方法,了解常用的颜色模型,了解图形设备的工作原理。

2)基本图形生成算法:直线、圆和椭圆的生成算法,区域填充的定义和算法,线型和线宽的处理方法,字符,反走样等基本技术。

3)自由曲线和曲面:生成曲线和曲面的参数表示方法,插值和样条,Bezier曲线和曲面,B-样条插值生成曲线和曲面,有理B-样条和NURBS曲线与曲面。

4)图形变换与裁剪:图形的平移、旋转和缩放等基本变换,理解投影变换、裁剪的算法。

5)实体几何造型:实体的定义和运算,实体的正则集合运算,实体的边界表示、分解表示、扫描表示等方法。

6)分形几何应用:分形图形的生成方法,Julia集与Mandelbrot集,复平面域的Newton-Raphson方法,自然景物模拟。

7)真实感图形显示:观察变换,消隐算法,整体和局部光照模型,多边形的明暗处理,纹理贴图,光线跟踪算法等。

在上述所述理论教学之外,现行的实验教学主要有两种:1)采用MFC应用程序用C++语言编程模拟相关算法;

2)采用openGL图形开发库来模拟图形学中算法的实现。

3 教学内容改革方案

可以看出传统的计算机图形学是一门理论性很强的课程,实验课的主要目的是配合理论教学,加深对算法的理解。但是数字媒体技术专业从一开始就不是以算法研究为目的,而是以实际应用为主。因此,把课程内容向实用性的方向转变就成为本次改革的重头戏。

改革主体思路:以openGL图形库为基础,将图形开发融合到本课程的教学中;提高实验教学所占比重;减少过偏过难的算法,减少算法程序描述的讲解;加强图形学绘制流水线的讲解。

理论教学改革方案具体如表1所示。理论内容若是没有实验内容来配合,不会有好的教学效果。本次实验教学方案改革具体如表2所示。理论和实验两个部分的学时比例变为1:1,大大加强了实验的比重。此种方案相当于把openGL编程的内容完全融入计算机图形学课程中,但又没有完全放弃图形学课程中的理论及算法部分,只是做了内容上的缩减,使教学内容更加实用化,应用性更强。

4 教学实施及其效果

教学改革不可能一蹴而就,在实际教学中总会有一些主观或客观的制约条件。实际执行时,将传统内容逐步转为如上改革之后的教学内容共用了3年时间,改革是一步步进行的,效果也是逐渐显现的。很明显,学生对于计算机图形学的兴趣越发浓厚,对此课程的评价也越来越高,课程考核的通过率也在逐年上涨。

5 结语

本文提出一种偏重于实际应用的数字媒体技术专业计算机图形学课程教学改革方案,经教学实施,提高了课程教学质量,提升了学生的学习热情,达到较好的效果。但在具体实施中也存在不完善之处,在下一步工作中需要完善教学案例,将此方案进一步细化,争取更好的效果。

计算机图形学论文篇11

中图分类号:G642

文献标识码:B

1 “计算机图形学”的学科特性

所谓“计算机图形学”是计算机仿真(即按模型计算以生成图像)与科学计算(即通过在计算机上建立模型并模拟物理过程来进行科学调查和研究)的一种基本形式,是研究图形数据模型在计算机内部的产生、设计与构造过程,它是显示图形不可分割的前提(这相当于画家作画之前,对绘画作品的设计思想、表达方式、绘画构思、作品内容与结构等的创作与思考过程;只有当这个绘画作品设计方案成熟之后,画家才动笔绘画);而图形显示是用点、线、面、色彩、纹理等可视化的数学方式表达这种数据仿真计算结果的数学含义、或表达仿真过程中各种实体仿真模型与场景效果的物理含义的一种直观表达方式。参考文献[1,2]已向读者证明这一结论,只有这样,才能较好的理顺“计算机图形学”课程的授课关系,使读者建立用计算机生成图形的完整概念。

我们用这一指导思想主导“计算机图形学”教育20多年,并用“计算机图形学”的授课内容解决了多年来国内计算机程序设计课程没有解决好的计算可行性(可计算性的实现前提)这一教学难题,使该课程成为初学者学习计算机程序设计基本方法、认识图形数据模型构造与显示的一般规律、进行可视化应用程序开发三位一体教学目的的最佳选择,并有效地弥补了从算法语言、数据结构到软件工程之间关于应用程序编程系统训练与计算机仿真等教学环节的缺失。这种教学方法使“计算机图形学”的教学内容完全纳入了计算机科学的教育体系,同时使“计算机图形学”与“数据库”、“网络通信”这三门课程成为现代计算机应用程序的三个基本特征(数据计算、数据存储与检索、数据联网通信)的典型代表,由此转变了“计算机图形学”课程的教育观念与教育思想。在教学过程中,作者曾遇到学生们提出的多种学习问题,今整理成文,以飨读者。

2学习“计算机图形学”的原因与重要性

为什么要学“计算机图形学”,这是计算机专业选修“计算机图形学”课程的读者关心的首要问题。众所周知,计算机科学是处理信息技术(IT)的一门学科,通信科学是传输信息技术的一门学科。对于信息技术而言,常用于表达信息数据含义的4种方式分别是①数字与字符方式表述;②图形方式显示;③播放声音表述;④用机械力表达(即把电信号转换成机械运动)。这4种表达信息数据含义的方式又称信息数据的多媒体表达方式(即多媒体技术)。其中,用图形显示这种方式表达信息数据的含义符合人们观察了解事物运动规律的习惯,而且信息容量大,直观方便,同时是人们获得外部世界信息来源的主要依据;也就是说信息数据的可视化是信息技术与计算机科学发展的一种潮流与必然趋势。随着计算机工业的发展与进步,实际应用课题与现代程序设计对信息数据的可视化处理要求已经越来越高,这就要求人们深入研究并掌握图形显示的一般规律,才能更好的为计算机信息数据的可视化服务。

按现代教科书对“计算机图形学”的新定义,“计算机图形学”代表了计算机应用学科的一个重要发展方向――科学计算、计算机仿真、计算机辅助设计、信息数据的可视化、动画与游戏、虚拟现实、数字娱乐,其编程应用还涉及程序设计方法。它们代表了当今计算机技术的发展潮流与应用水平,是解决计算机专业人才出路的有效途径之一;而“计算机图形学”是该方向的公共基础课程,是目前国内计算机本科教育应当加强的内容。显然,仅仅靠学习计算机程序设计语言、数据结构、编译原理、操作系统、数据库、软件工程、形式语言与自动机理论等课程还不能完全使学生的能力直接达到开发这些应用软件的目的,因为原则上这些课程是为用户使用计算机的计算功能而系统量身打造的软件使用工具(数据结构、软件工程除外),它们的教学目的是为用户掌握并研制这些软件工具服

务、而不是为用户使用这些软件工具系统地开发应用程序而开设的课程。计算机专业主要沿这条主线向前发展:研究、设计、制造计算机硬件设备,为用户使用计算机的计算等功能提供一切便利的手段、方法与软件辅助工具,这包括总结用户使用计算机的基本类型与模式,而对于复杂且很难全面概括使用计算机的方法等、则留给一般用户自己解决,这或许是计算机专业本科课堂教学没有介绍对数据计算类型的应用软件系统开发要遵循的基本规律与发展模式的原因之一,“计算机图形学”的教学正好可以弥补这个缺陷。

由于计算机教育本身并不能直接提供认识世界、改造世界的能力,加之我国没有掌握具有国际竞争能力的计算机硬件与系统软件的核心开发技术,这使中国大量的优秀人才在计算机专业上的最后发展受到了严重制约。而“计算机图形学”的仿真方法为计算机专业人员的发展提供了这样一种新的学习方法与重新选择的机遇,它能为计算机专业人员学习其他行业的专业知识(即学习新专业的物理、数学方法)、成为其他行业的专家助手,进行新行业系统仿真与系统设计以获得新生;由于各行业都有各自的研究领域与待解决的研究问题、研究方法与理论研究模型等,当用计算机仿真的方法对这些研究课题进行辅助研究,并用图形等可视化的方法表达计算机仿真研究的中间结果与最终成果时,这将使计算机的应用走向深入。

科学研究的目的就是探索未知世界、认识世界、改造世界、造福于人类自己,而“计算机图形学”的教育正是遵循这样一条主线:通过物理实验认识待解决问题的本质,并用数学模型的方法来描述这种物理现象的变化过程,从而达到用计算机程序设计的方法来仿真光线在自然界中的传播,以及光线在照相机中传播而生成图像效果,这类物理仿真过程是科学研究方法中的一种基本形式,这种科学研究方法的教育思想(包括人文精神)是国内计算机专业本科课堂教育所欠缺的(计算机专业往往专注于数理逻辑思想的基础训练)――即“计算机图形学”的教育,不仅拓展了计算机专业人才的知识领域,也为其毕业增加了就业渠道,同时能培养计算机专业人员的基本科学研究素养,这正是目前国内计算机教育改革所追求的目标之一。

需要说明,全日制普通本科教育是普适教育,它需要建立各专业自己的知识框架,学习基本的概念,了解基本的范畴,明确其发展方向,计算机专业也是如此。本科教育重在基础,提高本科教育质量与水平并非拔高与创新,而是要做到全面、均衡的发展,除要求学生掌握本学科专业已成熟的系统理论知识外,还需培养学生用学科的基本思想与方法独立自主分析问题、解决问题的能力,这种理论与实践相结合的教育方法,能确保学生今后得到稳步的发展。“计算机图形学”就是培养学生利用计算机、数学、物理等学科的系统知识解决实际应用问题能力的一种有效方法,这样培养的学生才能适应社会竞争与选择的需求;只有在研究生阶段,通过再次系统学习、阅读原著与相关论文并参与项目开发等活动,达到全面提升对学科的认识能力,并向某一个研究方向发展、去探索未知世界的变化规律、解决前人没有解决好的难题、逐步走入学术研究的殿堂(即创新教育);当然人们也能在日后的工作中慢慢积累这种工作能力。

文献[2,3]系统论述了“计算机图形学”课程在计算机科学教育中的作用与地位。目前很难找出一门具有像“计算机图形学”类似重要性与多样性的其它计算机本科专业基础课程,能使读者正确掌握数据计算类型的计算机应用程序设计的基本方法,并使计算机这一工具直接服务于社会,这是我们应该重视“计算机图形学”教育的根本原因。

3学习“计算机图形学”的方法

由于“计算机图形学”属于计算机应用软件的范畴,因此,数据计算类型的应用软件的设计方法就是学习“计算机图形学”应该遵循的原则。就“计算机图形学”课程的学习而言,它要求:

(1) 全面掌握程序设计语言的特性与数据结构的基本内容,是实现“计算机图形学”编程的基础。

(2) 掌握建立解决实际应用问题的数学模型与软件系统的概念,是计算机程序设计的两个关键点。软件系统是一个能自动运行的综合执行程序,它能从输入、存储、运算处理、输出等方面全面处理用户在某个领域中提出的诸多数学模型并完成其模型描述数据的加工任务,使用户很容易明确这种软件的组成、功能与使用范围。一般利用二维图形的简单性,可以较完整的介绍二维图形软件系统这一概念。软件系统的概念是目前程序设计语言与数据结构课程中所欠缺的关键内容。

(3) 正确的认识“计算机图形学”与计算机仿真的相互关系。“计算机图形学”的重点与难点在三维图形的数学模型研制(包括照相机模型,灯光模型,颜色模型,照明模型,物体的几何模型,物体表面的材质与纹理模型等)与模型描述数据的构造上;由于计算机图形学追求像照相机拍照一样的三维真实感图形显示效果,这决定了要在计算机中使用物理学仿真的方法(仿真光线在自然界中的传播所产生的显示效果或把这种传播效果映射至物体的表面上)才能达到这一目的,这自然需要读者对相应的物理知识有个基本的了解才能进行。

(4) 需要了解一些计算机仿真的基础知识,以确保“计算机图形学”的物理仿真教学过程不会出现偏差。

计算机仿真的主要过程分系统、模型、编程实现(仿真算法)、评估四个步骤。这里①系统是指相互关联又相互作用着的研究对象的有机组合,它决定了被研究考察对象的组成与边界范围。②计算机仿真一般可以用数学模型(简称模型)的方法代替实物研究对象,事实上模型也可以是对现实世界的事务、现象、过程或系统的简化描述,但它反映了实际问题最本质的特征和量的关系。目前“计算机图形学”所述的模型多限于对所研究对象的物理性质、运动变化规律等特性的一种数学描述,它使人们能解释那些难以直接观察到的事物的内部构造、事物的变化以及事物之间的关系――即模型描述了现实世界中有显著影响的因素和相互关系。但这种描述有一定的使用条件与限制范围,研究的目的不同,对该研究对象的数学模型的描述方法以及模型的种类会不一样。③仿真(编程实现)就是在模型上做实验,从理论上测试构建的理想系统的动态行为特性,以评估系统的效能。④系统的用途不一样,评估的方法也不同,人们往往用事先约定的一组指标来评估仿真系统的结果;当所得仿真结果没有达到预期的理想效果时,人们往往不断改进仿真模型与仿真算法。例如计算机图形系统,用途可以是显示三维图形,查看它的真实感逼真显示效果就是人们主要关心的问题;模型的运动与操作(如游戏),看它的操作性与故事情节等如何表达用户的情感与智能(简称好玩)就是人们关心的主要问题;机械设备的综合运动与仿真,考察所设计的复杂设备的工作性能就是人们关心的主要问题;电气系统的系统仿真,能考察系统工作参数如何设计以满足用户的不同需求;作战系统的仿真模拟,能考察作战人员的训练水平、武器性能、指挥作战方式对作战进程的不同影响与作战效能,等等。

(5) 努力把图形学所介绍的各种模型与算法(算法是对模型描述数据的加工与变换处理的步骤与方法,“计算机图形学”中的主要算法有各种线段图形的生成与实面积多边形的填充算法、着色算法、消隐算法、纹理映射算法、阴影算法,光线跟踪算法与辐射度算法)都编写成程序代码,这使读者能直接体验自己的学习效果,也是其它课程不容易做到的。编程时要考虑算法的复杂度,特别是按照软件系统的方法把编写的程序代码组成一个系统整体,这是形成成熟商品软件很重要的前提。显然,此时软件系统中的各种数学模型反映了仿真系统中研究对象之间的相互关系。

(6) 掌握“计算机图形学”打造的绘图工具,是可视化应用软件编程的重要基础。用“计算机图形学”知识研制的工具常用的有OpenGL与Direct3D等三维图形标准,虚拟现实建模语言VRML。而三维动画与CAD等软件可以看成是“计算机图形学”为影视制作、游戏建模与计算机辅助设计部门打造的专业计算工具。仅把图形标准与计算机绘图等应用当作“计算机图形学”很不完备,因为它不能在课堂教学中向读者正确、完整、系统地展示计算机图形学学科发展的基本规律,并人为地割裂了计算机图形数据模型的构造与显示这两个过程。

(7) 学会看中英文专业杂志等参考资料,这些参考资料记录了学科的发展历程与学科当前的研究热点(一本教科书不可能全部包含这些内容),且是一种更重要、复杂、深入的学习研究方法,也是目前国内本科教育的弱项(因为国际上最新的研究成果多用英文发表)。只有这样,才能跟踪计算机图形学的最新发展并站在学科发展的前沿、才能开阔人们的视野并有所鉴别,便于读者日后针对用户的多种需求展开开创性创新或针对已有成果的不足、提出修补与改进等渐进性创新等学术研究活动。

(8) 勇于参与课程实践与项目开发,是巩固、检验所学知识、提高实际动手能力的好方法。实际软件开发工作往往是多种知识的综合应用,它需要对实际处理事务有一个比较透彻的了解(用户需求报告)、并建立这些待解决问题的数学模型与系统流程后才能有效进行(按照软件工程的方法组织实施)。

只有把自己开发的软件做成有效商品、服务于社会,才能使所学的知识转变成生产力,才能使自己得到升华;同时也应注意把自己的心得与研究成果总结发表,与人共享;还应参加学术活动,注意留意不同学术流派之间的观点、思想、方法与学术动态,取长补短,形成自己的风格,广结人缘,相互交流,为学科建设添砖加瓦。

(9) 一本计算机图形学教科书的容量使其只能介绍计算机图形学发展历程中产生的最基本、最经典的模型与算法,这些内容是人们耳熟能详的物理原理与相对简单的数学知识在计算机中的综合应用,太复杂的计算关系因会影响图形的显示速度而一般不采用;目前计算机图形学教科书的理论体系已成熟且“计算机图形学”的教学内容已经构成了一个大系统,这使“计算机图形学”的教学过程变得简单、容易。

4目前国内“计算机图形学”教育未受到重视的原因分析

既然如此,为什么目前人们感觉“计算机图形学”教育的受重视的程度不如数据库与网络通信等计算机应用软件呢?笔者认为其原因之一在于:这是因为“计算机图形学”造就的工具即图形标准的特殊应用环境要求限制了它在很大一部分应用程序中的具体应用;三维图形标准目前仅仅在游戏领域获得了商业上的成功,一些应用软件不调用图形标准也能自己绘图;国内的计算机应用程序可视化的开发要求暂时还较低;关键是作为学科领头羊的美国人目前还没有把“计算机图形学”课程作为计算机本科专业的核心课程,这是因为他们对“计算机图形学”课程的本质与其在计算机学科中的作用与地位认识不到位所致,美国人图形学这种教育现状(目前多以图形标准的原理讲授为主)和局限性与美国人在3D游戏、计算机动画、计算机辅助设计等应用软件的开发上执世界牛耳之地位不相称。

当然,早期计算机图形学教科书编写内容、体系的不够成熟,也影响了人们对“计算机图形学”课程的认识与学习的积极性。例如仅停留在数学公式与算法的层面上介绍二维、三维图形的生成而不注重其建模思想与方法的介绍,且人为的把物体几何模型的构建与其图形显示分解成“计算机辅助几何设计”与“计算机图形学”这两门课程,这直接导致图形学课程教学内容缺少被处理的图形显示对象,加之计算机课程与图形学的教育又没有软件系统的概念,这样安排虽然能满足图形标准等商业软件的发展需求,但却很难让初学者全面掌握“计算机图形学”学科系统性的概念、思想和方法与学科发展的基本规律――用数学模型的方法指导编程实践,在计算复杂性可接受的条件下,针对已有成果中存在的不足,不断用新的数学模型与仿真算法等方法对其进行改进,使图形学的数学仿真过程不断的逼近现实物体模型(包括刚体、软体、流体、气体)的构造、运动、变形、切割和拼接与反光效果的显示这一真实的物理变化过程。即初学者没有用计算机生成图形的完整概念,这也是以往人们认为计算机图形学课程难教、难学的主要原因。

由于“计算机图形学”的绘图原理不像数据库软件那样,数据库的功能可以被所有的应用程序所调用;也不像通信软件那样,所有要联网的计算机都离不开通信技术与网络技术,而计算机显卡工业、3D游戏、计算机动画、计算机辅助设计等产业的市场份额小于数据库与计算机通信等产业的市场份额,即应用软件的商业价值决定了它们在人们工作与学习中的地位。

参考文献:

[1] 魏海涛. 计算机图形学(第2版)[M]. 北京:电子工业出版社,2007.

计算机图形学论文篇12

“计算机图形学”是研究如何利用计算机显示、生成和处理图形的原理、方法、技术的一门学科,是计算机科学中发展最活跃、应用最广泛的分支之一。在计算机科学与技术专业新一轮教学改革中,确定了计算机科学方向的16门主干核心课程,计算机图形学就是其中之一。

1 “计算机图形学”实验课程存在的问题及改革的方向

国内“计算机图形学”的教学过分强调图形学的数学基础,使得“计算机图形学”成为计算机及其相关专业学生很难掌握的一门课程。这种强调数学基础的教学方式适合数学基础优秀的学生,对于数学基础一般的学生难以适用,往往造成很多学生有厌学、为难的情绪。如何让学生更好地掌握图形学的相关理论知识呢?注意到图形学的输出结果和相关应用是最吸引学生的,于是,通过“计算机图形学”实验的演示、验证和开发,来巩固学生对计算机图形学知识的理解,就显得非常有必要。

计算机软硬件技术的发展,致使计算机图形学实验开展的范围和形式也发生了一些改变。十年前,计算机图形学的实验往往在Turbo C下,用graphics.h下定义的图形函数进行程序的编写。在这个环境下,只能进行一些最基本的二维图形生成、填充、变换的实验,程序复杂,不能进行三维图形生成、纹理贴图、光照、视点变换等等这些实验,极大的限制了计算机图形学实验的开展。如今,计算机技术有了飞跃式的发展,改革计算机图形学实验势在必行。

我校的计算机科学与技术专业从2002年开始,在计算机图形学实验中引入了OpenGL,所有实验都要求在安装了GLUT的Visual C++ 6.0的环境下进行。

八年的教学表明,利用OpenGL开展图形学实验,对学生理解相关的图形学知识,提升学生学习的兴趣,提高学生在图形图像方面的程序开发能力非常有好处。结合多年教学的经验,针对计算机图形学实验中引入OpenGL后一些需要注意的问题,特撰写本文,希望对从事计算机图形学教学的老师有一定的借鉴作用。

2我校“计算机图形学”实验内容的设置

我校计算机科学技术专业的“计算机图形学”课程目前所使用的教材为Donald Hearn和M.Pauline Baker编著的《Computer Graphics with OpenGL,Third Edition》,该教材取材丰富,以开放图形库OpenGL为基础,介绍计算图形学的基础理论、基本概念和基本算法。教材提供了大量的示例程序,学生可将教材示例程序在PC上运行,从而获得对教学内容的直观理解。该教材的采用,极大的方便了用OpenGL展开实验教学。该课程是专业必修课和双语课程,4个学分,讲授54学时,实验36学时。

2.1实验平台的选择

OpenGL是一个发展成熟的、性能卓越的三维图形标准,它是20世纪后20年在SGI等多家世界闻名的计算机公司的倡导下,以SGI的GL三维图形库为基础制定的一个通用共享的开放式三维图形标准。目前,包括Microsoft、SGI、IBM、DEC、SUN、HP等大公司都采用了OpenGL作为三维图形标准,许多软件厂商也纷纷以OpenGL为基础开发出自己的产品,其中比较著名的产品包括动画制作软件Soft Image和3D Studio MAX、仿真软件Open Inventor等等。OpenGL具有七大功能:建模、变换、颜色模式设置、光照和材质设置、纹理映射、位图显示和图象增强、双缓存动画。OpenGL 的基本函数都做到了硬件无关,甚至是平台无关,开发的软件可以在各种硬件和操作系统上应用。相比较而言,微软的Direct3D虽然也是十分优秀的图形应用接口,但它只用于Windows系统,具有一定的局限性。因此,选用OpenGL作为计算机图形学实验的平台,能非常好的演示和验证各种图形学的算法,能紧贴学科前沿,给学生今后从事图形学相关软件的开发打下良好的基础。此外,OpenGL在3D方面的强大功能,也能极大的激发学生学习的兴趣。

由于OpenGL核心函数库都是平台无关的,所以OpenGL的核心函数库不包含任何输入或窗口函数。原因很简单,因为这两者都严重依赖于特定的平台。但是,无论图形程序运行在何种平台上(Windows、Linux或Macintosh),都不可避免地要和操作系统或本地窗口系统进行交互。面对这种情况,在计算机图形学实验中,我们采取一种折中的策略――借助一个简单的工具集,即OpenGL实用工具集(OpenGL Utility Toolkit,GLUT)。GLUT在标准编程环境中都有相应的实现,其API包含大多数窗口系统所共有的标准操作,并允许我们在应用程序中使用键盘和鼠标。GLUT的使用能让学生避开复杂的Windows编程中的窗口和输入的交互函数,把更多的精力放到图形学的内容上。

2.2图形学实验的开展项目

目前,课程开展的实验内容如表1所示,其中实验类型分为三类:验证性、设计性和综合性。验证性实验是让学生对理论课程学习的图形学基本算法和OpenGL的基本语法进行编程验证;综合性实验是让学生在经过一个阶段的学习后,具有了一定的基本知识和基本技能的基础上,综合运用图形学的多种知识,对学生实验技能和方法进行综合训练的一种复合型实验;设计性实验是一种探索性的实验,不但要求学生综合多种知识来设计实验方案,而且要求学生能充分运用已学到的知识,去发现问题、解决问题,实验中,学生自己选题、自己设计,在教师的指导下进行,以最大限度发挥学生学习的主动性。

表1计算机图形学实验开展项目

实验名称 实验内容 实验类型

实验1

OpenGL编程初步 (1)OpenGL的安装;

(2)OpenGL GLUT 框架的使用;

(3)OpenGL下图形的绘制原理;

(4)OpenGL下基本图元的绘制。 验证性

实验2

二维基本图元的生成 (1)DDA、Bresenham直线生成算法的实现;

(2)中点圆算法的实现;

(3)中点椭圆算法的实现。 验证性

实验3

二维图元的填充 (1)熟悉OpenGL中对颜色的设置;

(2)边界填充算法的理解与实现;

(3)泛滥填充算法的理解与实现;

(4)扫描线填充算法的理解与实现。 验证性

实验4

OpenGL下图形的交互控制 (1)了解glut中的各种回调函数;

(2)用鼠标对图形进行交互控制;

(3)用键盘对图形进行交互控制。 验证性

实验5

OpenGL下的二维图形变换 (1)直接设置投影矩阵,对图形进行平移、旋转、缩放,理解变换的原理;

(2)掌握OpenGL下平移、旋转、缩放变换的方法;

(3)掌握以上方法的组合变换。 验证性

计算机图形学论文篇13

近20年来,图形技术获得了飞速发展,应用日益广泛。同时其也成为当前教育、培训的热点内容。各个大学与教育机构纷纷开设了图形技术类的课程,有以介绍图形基础理论为主的计算机图形学课程;以介绍图形技术应用为主的虚拟现实技术、游戏编程技术等;以设计训练为主的三维图形设计、计算机动画设计等。这些课程有着不同的理论深度要求以及不同的技术侧重点,但它们都以图形技术为本,在许多教学内容上是相互连通、相互映照的。并且这些课程分别是从不同的层次上对图形理论进行阐述,其教学内容在安排上也有着先后顺序的要求。因此,为了能够让学生由浅入深、循序渐进、理论联系实践地系统掌握图形技术,图形技术类课程教学内容的统筹规划和统一设计是非常必要的。

目前,北京林业大学开设的图形技术类课程包括:计算机图形学、虚拟现实技术、游戏程序设计、计算机动画原理与技术4门课程,主要面对计算机科学与技术、数字媒体艺术、动画及地理信息系统等专业的学生。其中计算机图形学讲授图形技术的基础理论与重要算法;动画原理与技术讲授图形技术中动画制作的理论与实现技术;而虚拟现实技术、游戏程序设计则在基础理论和算法的基础上讲授图形技术在两个重要领域的应用技术。笔者首先简要介绍4门图形技术类课程的教学内容;然后对其教学内容进行综合分析,系统划分其知识模块,并对知识模块间的联系进行科学分析;在此基础上,对课程内容的规划与调整提出了具体的想法和建议,以供广大教学工作者参考与讨论。

1.图形技术类课程教学内容介绍

本节简要介绍4门图形技术类课程的主要教学内容,并进行一定分析。所介绍的教学内容主要以北京林业大学的课程内容为参考。笔者对计算机图形学、虚拟现实技术、游戏程序设计、计算机动画原理与技术这4门课程有多年的教学经验,在教学过程中依据经典教材,结合自己的心得总结形成了比较系统的教学内容。因此所介绍的教学内容在目前国内相关课程的教学中具有很强的代表性。

1.1计算机图形学

计算机图形学主要以介绍图形基本理论为主,是4门课程中理论性最强,也是掌握难度最大的课程。其主要教学内容包括:

①计算机图形学及图形系统概论;②二维图形算法;③计算机图形流程;④三维建模技术;⑤真实感图形学;⑥图形编程技术——OpenGL介绍。

从以上的教学内容来看,第1、2部分是对图形理论的基本理解;第3、5部分是有关绘制的技术;第4部分是建模;而第6部分则是图形编程实践。建模、绘制和动画是计算机图形学的3项主要研究内容。目前的课程内容循序渐进地对基础图形概念,以及绘制和建模技术进行了介绍,并配合OpenGL进行深入理解,其教学内容基本合理。之所以没有涉及动画技术是因为动画技术太过于庞杂,很难在有限的课时内进行系统介绍,而且相对于绘制与建模来说,动画技术是较高级内容,可留在后续课程系统介绍。

1.2计算机动画原理与技术

与计算机图形学相呼应,这门课对图形学中的动画技术进行系统介绍。通过本课程的学习,使学生对计算机动画的低层运动控制与高层运动控制技术的基本概念、基本理论以及运动控制技术在计算机动画中的运用有个基本的认识和理解,并使学生掌握各类动画制作的基本技术。其主要教学内容包括:

①动画技术概述与动画基础知识;②各类动画技术的系统介绍,包括参数关键帧技术、轨迹驱动动画技术、变形动画技术、关节动画技术、粒子动画技术等,每种动画技术都将在介绍基础理论、算法的基础上结合3DS Max进行演示与实验教学;③动画脚本语言,讲授MAXScript脚本语言。

计算机动画是计算机图形技术的重要研究内容。该课程从理论到实践,对计算机动画的主要技术进行了系统讲授,对学生完整掌握计算机图形技术体系具有补充作用。

1.3虚拟现实技术

虚拟现实技术是指运用计算机生成能够给人多种感官刺激的虚拟环境的技术。在此虚拟环境中,用户应该能够以自然的方式与这个环境交互,从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感、沉浸感和身临其境的感觉。严格说来,虚拟现实技术所包含的技术范围大于图形技术范畴,它还涉及听觉、触觉、心理学等诸多学科技术。但是由于视觉在人类感知活动中占有绝对优势地位,因此图形技术是虚拟现实应用中最关注的技术,而虚拟现实也是图形技术的一个重要应用领域。虚拟现实技术的主要教学内容包括:

①虚拟现实技术概论;②虚拟现实系统的接口设备;③虚拟现实系统的相关软件;④虚拟现实系统中的相关图形技术,包括几何建模、实时绘制、实时碰撞检测等。

虚拟现实可以看成图形技术的一个直接应用领域,其各种虚拟现实平台软件,如VRML、Virtools同时也是一种图形平台软件,而虚拟现实中虚拟景观表现都是三维图形技术的运用与实现。因此这门课与前述计算机图形课程紧密相关,其第4部分的教学内容是计算机图形学的延伸与扩充,而第3部分所介绍的软件也是图形技术的应用实践。

1.4游戏程序设计

该课程讲授游戏程序设计理论,并使学生掌握游戏程序的基本框架、游戏中的常用算法原理、游戏策略实施及游戏智能实现的基本方法。在实践上,该课程的教学将使学生能通过游戏制作环境,制作出实际可玩可用的游戏。其主要教学内容包括:

①计算机游戏概述;②游戏程序设计概述及游戏制作环境介绍;③二维游戏的设计实现,讲授二维游戏的基本流程和架构,并涉及一系列重要图形、图像概念,如图像文件格式及存取方法、透明贴图等;④三维游戏编程基础,由于三维游戏设计与编程是建立在对三维图形技术深入理解的基础上,因此本部分将涉及一系列三维图形技术,包括三维游戏场景组织技术、三维游戏高级图形技术等,此外还包括一些音效三维化的技术;⑤游戏中的人工智能技术和人机界面设计。

第4部分是该课程的教授重点,也是学生能否掌握游戏编程的关键所在,而这部分的学习与图形技术密切相关。其讲授内容正是图形技术在游戏场景构建方面的一系列具体应用技术,也是对学生图形技能的扩充和加深。

2.4门图形技术类课程教学内容的综合分析

从以上4门课程的教学内容可以看出,虽然每门课程各有侧重,但是其重点的理论基础和技术难点都在图形技术的理解和掌握。计算机图形学给出了基础理论和算法;计算机动画原理与技术深入讲解了计算机图形学中计算机动画的基础理论和实现技术;虚拟现实技术和游戏编程技术则从2个具体的应用领域对计算机图形技术中的建模和绘制技术进行了更深入更具体的阐述。4门课程循序渐进、由基础到实用,形成了对计算机图形技术主要内容的完整介绍。图1所示是图形技术类课程教学内容关系图,是我们根据图形技术的研究内容对4门课程的教学内容之间的关系进行的总结。

计算机图形学中图形概念和图形算法众多,而且由于图形涉及了三维空间的变换和大量的数学运算,使其学习难度较大。如果仅从算法理论角度来讲解很难使学生有深刻的体会,也很难使其仅通过一门课程就完全掌握。同时,计算机图形学又是一门应用性很强的学科,只有与具体的应用相结合才能使学生真正理解图形理论。而这4门课程的搭配正好形成了一种先理论后实用、逐渐补充、逐渐深入的格局,这是符合图形技术教学规律要求的,也符合学生的认知习惯。从图1中可以看出,学生先学习计算机图形学课程就建立了图形技术在建模和绘制方面的理论基础;之后通过学习计算机动画原理与技术来补充动画理论和动画制作的实用技术;通过学习虚拟现实技术和游戏程序设计不仅掌握了两种重要的应用技能,而且通过实际应用将对图形中建模和绘制的理论有更深入、更具体的理解。从课程教学的先后来看,计算机图形学应当先于其他3门课程的安排,一般安排在三年级上半学期为宜;而其他3门学科可安排在三年级下半学期。

4门课程采用不同的实验工具,包括OpenGL、3DS Max、VRML、Virtools等。这些工具都是目前最具有代表性的图形工具,并且涵盖了图形技术从基础编程到高级实用,从通用应用到专业应用的不同方面。其中OpenGL是图形编程的业界标准之一,适用于专业图形编程人员;而3DS Max、VRML、Virtools相对更容易掌握,适用于高级应用,并有不同的应用侧重点。

3.图形技术类课程教学的探讨与改进

从以上对教学内容的综合分析可以看出,我们对4门课程的设置基本合理,能够使学生系统地掌握主要图形理论和图形实用技术。但是由于图形技术本身的复杂性,也由于讲授各门课程的教师间缺乏细致的沟通,使得图形技术类课程在教学上还存在一些问题,如各门课程内容衔接不够密切、原理与应用联系不紧、教学枯燥、学生反映学习困难等。经过对问题的分析和对图形技术类课程教学的综合考虑,我们对教学内容和实验内容提出了如下一些调整建议,供大家参考。

1)加强不同课程教学内容的一致性和教学内容的相互呼应。

由于图形技术的发展日新月异,往往学术界和应用领域对同一概念有不同的称呼,甚至不同的定义。而各门课程没有经过统一规划,往往使得不同课程对同一概念出现不同的叫法或解释。如目前在计算机图形学课程中称rendering为绘制,而虚拟现实技术中则称为渲染;计算机图形学课程中提出了片元(fragment)的概念,而游戏程序设计中则统一称为像素。这些叫法上的差异容易使学生发生混淆,并影响学生对图形技术的理解。为此我们应当对各门课程的主要概念进行一个统一规划,保持其叫法和概念上的一致性。

更重要的是,教师在讲授各门课程的过程中,应当对其他课程讲过的图形概念进行一个呼应性的介绍,并鼓励学生回顾相关课程内容,这样可以大大加深学生对图形概念的理解。例如虚拟现实技术课程第4部分“虚拟现实系统中的相关图形技术”涉及了图形流水线和图形绘制的大量概念,教师应当在讲解这部分内容前对计算机图形学的相关内容进行回顾,这样更容易让学生联系起所学内容,加深印象。还比如目前在计算机图形学课程中还没有安排有关动画技术的教学内容,如果课时允许的话,可以考虑安排1~2个学时对动画技术进行概述,这样一方面使得教学内容更为完整,另一方面也可以对计算机动画原理与技术课程的教学起到一个先导的作用。

2)任课教师应加强对图形技术的理论学习。

虽然都是图形技术类课程,但是有些课程主要以技术应用为主,任课教师并不一定具备对图形技术理论的深入掌握就可以展开教学。比如虚拟现实技术和游戏程序设计两门课程更偏重于图形技术的应用,其所使用的工具往往也属于高层次设计软件,使用中不需要涉及基础的图形理论。这样使得任课教师即使没有系统深入地学习过图形理论也能够教授给学生应用技术。但是,如果教师能够对图形理论有系统深入的掌握,将会使教学质量有很大提高。一方面教师能够在教学时有大局观,能够对各部分教学内容有更清晰的认识和安排;另一方面,教师能够更好地引导学生从应用中体会理论,从而加深对基础理论的理解,提高应用效果。

3)建立统一性、延续性的实验体系。

实验是图形类技术课程中不可或缺的教学环节。由于各门课程有着不同的教学要求和应用侧重,各门课程采用了不同的实验工具,并且在实验内容的布置上没有必然的联系。但是,这些不同的实验工具都是从不同应用层次体现了共同的图形技术;并且动画、游戏、虚拟现实等不同应用技术间也有着相同之处,具有一定的共通性。如果能够将实验内容统筹考虑,使不同课程的实验工具及具体实验内容有所呼应,可以从一定程度上提高学生的实验兴趣,并加强其对应用技术的掌握。比如,计算机图形学课程实验的内容之一是建立一个能够运动的机器人;而机器人的运动也在计算机动画原理与技术中关节动画技术的实验内容中有所涉及。这样,在机器人实验中,完全可以建立不同课程间实验内容上的连续性。又如,虚拟现实技术和游戏程序设计实验内容中都涉及了虚拟三维场景的构建,并且采用的建模工具都为3DS Max,如果能将这两部分实验内容统一起来,将使学生有更充足的课时完善实验作品。而计算机动画原理与技术课程实验中所涉及的3DS Max软件及其脚本编程技术也可以对虚拟现实技术和游戏程序设计课程实验起到辅助作用。由此可见,各门图形技术类课程的实验内容间可以进行一个统筹的规划,建立一个具有一定统一性、延续性的实验内容体系,这样不但可以提高实验效果,还可以加强不同课程教学内容间的呼应。

4.结语

通过以上分析可以发现,4门图形技术类课程的教学内容有明确的理论教学要求和应用侧重点。4门课程由底层理论到高层应用、由基础编程到交互设计、循序渐进地形成了对计算机图形技术主要内容的完整介绍,其教学内容设置基本合理;但是由于缺乏统筹规划,在教学内容的一致性和实验环节的设计上有一定问题。为此笔者进一步从3个方面提出了相应的改进建议,以作为本学科今后图形技术类课程教学及实验内容设计的参考。

参考文献:

[1]唐荣锡,汪嘉业,彭群生,计算机图形学教程[M],修订版,北京:科学出版社,2001:15-26.

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