計算機圖形學技術范文

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關鍵詞：計算機圖形學；計算機視覺；可視化技術

中圖分類號：TM862 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）01-0054-02

計算機圖形學、計算機視覺以及可視化技術三者均是計算機領域重要組成部分，要做好計算機知識，就要先學好計算機圖形學，但計算機圖形學學習相對枯燥，尤其是算法教學難以理解，為解決這一問題，計算機視覺與可視化技術被應用到計算機圖形學中。可見，三者之間存在一定的聯系，因此，有必要對計算機圖形學、計算機視覺以及可視化技術展開研究。

1 計算機圖形學概述

1.1 計算機圖形學目的

所謂的計算機圖形學實際上就是怎樣利用計算機表示圖形，并利用計算機完成圖形計算與處理，而這一過程的實現需要得到相關算法的支持。學習計算機圖形學的目的是利用計算機技術為人們呈現既帶有美感又不缺真實的圖形（如下圖1所示），為實現這一目標，就需要按照圖形的要求創設合適的場景，并在一些光照模型的作用下，做好光照效果設計，在這一過程中需要計算機圖形學能夠與其他計算機技術相配合。經過計算機圖形學出來的圖像，多會以數字圖像的方式展示出來，總的來說，計算機圖形學與圖像處理之間存在著一定的聯系[1]。計算機圖形學的涉及范圍相對寬泛，不僅有圖形硬件設計，還包括動畫制作，虛擬現實等多個部分。此外，計算機圖形學在動畫制作中的應用頻率也很高，如45分鐘一集的動畫影片中，85%的畫面都需要用算機圖形學來完成，由此可見，計算機圖形學的應用頻率極高，并在動畫制作中發揮著不可替代的作用。因此，應重視計算機圖形學的應用。

1.2 計算機圖形學應用

隨著計算機圖形學的發展，它被應用到各個領域中，并發揮著重要作用。首先，在計算機輔助設計與制造中的應用，這是計算機圖形學應用最多的領域，在計算機圖形學被應用以后，不僅可以設計出更精準的圖形，還能做好人機交互設計，強化修改能力。計算機圖形學還被應用到三維形體重建中，利用該技術可以將原理的二維信息轉化為三維信息，如在某次工程圖紙設計中就應用了計算機圖形學，經過一系列的處理以后，三維形體逐漸形成，最終實現了重建。其次，在醫學領域中的應用。計算機圖形學在醫學領域中的應用多以計算可視化的形式展示出來，如在腦部手術中，醫生為看清患處真實情況，經常需要利用在可視化技術的作用下將復雜的數據轉化為圖像，這時就體現了計算機圖形學在其中的應用[2]。再者，在計算機動畫中的應用，人們看到的動畫影片就是計算機圖形學作用的結果，以動畫人物的行走為例，為保證動畫人物的行走與自然人不存在過大差異，就需要應用大量的計算機技術，并在計算機圖形學的作用下完成設計。最后，在計算機藝術中的應用。計算機圖形學在計算機藝術中也有廣泛應用，它不僅可以用于藝術制作，很多場景都是通過計算機圖形學來完成的，現階段，一些人正在利用計算機圖形學創設人體模擬系統，其目的是讓已故人士再次出現在熒屏上，這一目標的實現就需要得到計算機圖形學的支持。

2 計算機視覺技術

2.1 計算機視覺技術含義

所謂的計算機視覺技術，實際上就是用計算機取代人眼做識別、跟蹤以及測量等，同時也兼顧圖形處理，其目的是讓圖像在計算機被處理以后更適于識別。對于計算機視覺技術來說，意在實現人工智能，主要是從圖像與多維數據等方面實現人工智能系統設計[3]。計算機視覺是一種在相關理論與模型基礎上發展起來的視覺系統，其主要構成部分有以下幾種：

（1）程序控制，這一點主要體現在機器人設計上；（2）事件檢測，多體現在圖像監測上；（3）信息組織，主要體現在圖像數據庫等方面。計算機視覺三個階段如圖2所示，通過觀察圖1可以發現，計算機視覺存在于圖像處理始終，從早期處理直到后期結束都存在，最終實現了3D描述，可見，計算機視覺具有十分重要的作用[4]。

2.2 計算機視覺技術的應用

現階段，現代社會已經進入信息化時代，計算機技術也被應用到各個領域，并發揮著重要作用。計算機視覺的應用促使計算機實現了智能化，在該技術的支持下，計算機可以像人一樣透過視覺看待世界萬物，且具有良好的適應能力，但這一目標的實現還需要很長時間，需要一系列的努力才能實現。現階段，計算機視覺應用最多的就是車輛視覺導航，然而，這種導航還沒有實現完全自主導航，這也是需要進一步研究的地方。計算機視覺技術的適應性較好，特別適合在工業領域應用，即便是存在電子在干擾或溫度變化較大的地方都能很好的運行，其整體效果也不會受到影響，再者，計算機視覺技術的嵌入性較好，成本相對較低，尤其適合在PC方案中使用，同時，具有一定的非接觸能力，能夠獲取大量信息，且不受距離限制，總的來說，計算機視覺技術總體效果較好，適合利用在各種工業環境中應用，因此，應重視計算機視覺技術的應用[5]。同時計算機視覺還被應用到移動機器人設計中，主要是利用小波模板展示人體形態，然后做圖像掃描，這樣就可以順利完成小波變換，進而了解到人的存在。同樣，將計算機視覺應用到機器人設計上，可以自動檢測出正在行動的人或車輛，而無法檢測到靜止的人，之所以會出現這樣情況，主要是由于其中采用率步態分析法。

3 可視化技術

3.1 可視化技術含義

可視化技術是一種綜合了計算機圖形學與圖像處理于一體的技術，它可以將復雜的數據轉化為圖像并在屏幕上展示出來。在可視化技術中，融合了以上兩種技術的特點，并在多個領域都有應用，隨著可視化技術的應用，不僅有效實現了數據表示，還強化了數據處理能力，更對數據決策分析有一定作用[6]。現階段，虛擬現實技術已經成為可視化技術主要發展方向。

3.2 可視化技術的應用

首先，在計算機圖形學教學中的應用，計算機圖形學相對枯燥，相關知識也很抽象，不便于學生理解，在計算機圖形學中最重要的部分是曲線曲面，而這些曲線曲面多是與數學模型有關，具有一定的抽象性，學生理解難度較大，以往教師只能通過一系列的公式演算幫助學生理解，盡管這樣依然難以讓學生掌握曲線變化情況，學生依舊無法正確理解。為減少這種情況的發生，可視化技術被應用到計算機圖形學教學中，教師將抽象的知識用動畫的形式展示出來，學生只要觀看動畫，拖動一定的控制點就可以了解到曲線變化情況，這樣一來不僅增加了教學趣味性，學生也可以隨意變動曲線，讓復雜的知識變得簡單，深化學生對計算機圖形學知識的深度理解，同時，利用可視化技術在一定條件下，還可以完成代碼編譯，如在Actoin ScriPt中做編譯，這樣也可以增強學生的理解能力[7]。

其次，在醫學領域中的應用。醫學領域對于可視化技術的應用主要體現在放射治療與矯正手術上。通過可視化技術可以屏幕上看到手術整個過程，并將原來細節部位放大，手術醫生觀察的更加細致，手術成功幾率也會大幅度提升，患者生命也能得到保證（如圖3所示）。如在對某名患者進行身體檢查的過程中需要應用到可視化技術，由于通過檢查會獲得大量數據，而這些數據又相對復雜，但在可視化技術下就可以通過圖表、曲線圖或立柱圖的方式展示出來，經過可視化技術的作用，了解到患者的血糖為5.6mmol/L，醫生可以根這一數據做出診斷，而不必再分析這些數據。據不完全統計，80%的醫療檢查工作都是需要利用可視化技術。

地質勘探是我國最重要的工作之一，由于多數礦藏都深埋地下，即便使用探測儀受多種因素影響也無法了解到實際礦藏情況，這就需要應用到可視化技術，在可視化技術的作用下，相關工作人員可以了解到地下有無礦藏，如果存在礦藏，相關工作人員也可以了解到礦藏所在位置與實際儲備量，進而為礦藏開采奠定基礎。如在地質勘探中，相關工作人員利用可視化技術做地形圖整理，然后從中提取地形數據，再用CATIA做導入，這樣就可以完成地形模型創建，這樣就完成了三維地質模型創建工作，同時在相關工作臺的影響下，還可以完成地形數據導入，進而生成一定的地形云點，如果其中存在錯誤，可視化技術也可以將其中的錯誤內容刪除，這些都是可視化技術所帶來的好處[8]。由此可見，可視化技術已經成為地質勘探中不缺少的技術。

最后，在氣象預報中的應用（如圖4所示）。利用可視化技術能夠將數據轉化為圖像，通過觀察圖像就可以了解到云層變化情況，同時也能了解到實際風力大小與風走向等，氣象預報人員就可以根據圖像做出精準分析，需要了解氣象變化的人也能了解到現實情況，如果氣象條件惡劣，相關工作人員也可以及時做出工作調整，減少危險事件的發生。據不完全統計，可視化技術在氣象預報中的應用頻率高達100%，由此挽回的經濟損失高達13.2億元，可見，可視化技術在氣象預報中的應用十分有必要，因此，應重視可視化技術在氣象預報中的應用。

4 結語

通過以上研究得知，計算機圖形學、計算機視覺以及可視化技術三者各具特色，三者間也存在一定的關系，尤其是可視化技術綜合了前兩者的特點，并融合了其他技術，在很多領域中都有應用。可視化技術是現階段應用最多的一種技術，在計算機圖形學教學中也有應用，并發揮著不可替代的作用。本文分析了計算機圖形學、計算機視覺以及可視化技術的含義與應用，希望能為相關人士帶來有效參考，正確利用這些技術。

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國際先進工程教育理念CDIO方法，讓學生以主動、實踐、課程之間存在有機聯系的方式學習，該方法有實踐可操作性、全面系統性和廣泛適應性這三方面優點，文獻融合該理念方法進行了圖形學課程教學改革，設計了一個分層次的完整實驗體系，包括基礎驗證實驗、綜合強化實驗和創新培育實驗三個層次。通過分析以上三種方法，總結出以下共同的觀點：實驗設計要以學生為中心，充分激發學生的主觀能動性，內容難度要分層次，具有可操作性。

然后對目前計算機圖形學實驗設計中存在的問題進行分析。一是與前導課程的銜接問題，該課程一般在大三以上開設，線性代數等數學課程內容間隔時間較長，而C/C++程序設計語言、數據結構等課程又缺乏實踐，有的專業VC程序設計課程還沒開課；二是很多圖形學實驗設計都是基于OpenGL圖形API，整個實驗的設計變成了OpenGL圖形平臺的應用熟悉過程，一些圖形學基本算法的實驗變成了OpenGL函數的調用，圖形學算法實驗無法起到應有的實踐練習作用；三是圖形學算法知識點分散，學生難以融會貫通、完整地掌握相關算法之間的聯系；四是實驗效果不理想，由于同時進行實驗的學生過多，導致實驗指導無法面面俱到，有些學生不認真進行實驗、抄襲實驗報告來應付。通過以上問題分析，在進行實驗設計時要選擇合適的練習平臺，設計實驗項目時要考慮到課程延續性、整體實驗展示和實驗管理考核問題。

2.層次性實驗設計

計算機學院信息與計算科學屬于理科，該專業學生的數學基礎很強，對于課程中涉及到的圖形算法內容容易理解，但是該專業學生的編程基礎相對薄弱，對于課程中算法的程序實現有一定難度；軟件工程、計算機科學與技術兩個專業則剛好相反。兼顧三個專業學生的特點，需要選擇理論與實踐并重的理論課程教材，這里選用的是清華大學出版社出版、孔令德編著的《計算機圖形學基礎教程（VisualC++版）(第2版)》。該書配套的實踐教輔書內容太廣，實驗項目設計綜合性太強，現有實驗指導書的內容陳舊且與新教材不匹配，因此需要精選實驗項目、重新制定實驗指導書。根據第2節對實驗設計方法和問題的分析和三個專業學生的特點，實驗項目采用分層次方法進行設計，包括整體實驗項目設計的層次性以及每個實驗項目難度的層次性。

首先是整體實驗項目設計的層次性，設計實驗項目順序時，要采用自頂而下的思想，第一個實驗項目要能使學生對圖形學的渲染繪制流程形成整個概念，能明白圖形學是用來做什么的，都包括哪些步驟，后續實驗項目則對應每一個繪制步驟具體進行實驗練習；然后是實驗項目難度的層次性，設計每個實驗項目時，要考慮到不同層次學生的練習效果，對實驗內容進行難度劃分，這里將每個實驗項目劃分為基本練習、拓展練習和思考練習三項，其中基本練習用來對教材算法進行實現驗證，拓展練習用來綜合應用所學算法實現復雜問題，思考練習用來分析還要做什么工作，激發學生探索后續章節知識理論的興趣，達到促進理論課程學習的目的。

所有實驗都是基于VC的MFC，版本選擇較新的VisualStudio2005，圖形生成、填充、幾何變換、投影變換、光照等全部從底層進行設計實現。實驗課程結束后，則通過分組課程設計的形式進行綜合性練習。根據整體教學任務課時情況，計算機圖形學實驗課程為8次16學時，為保證教學和實驗的連貫性，其中實驗內容安排對應教材知識點和示例。受實驗課時限制，實驗教學時可以采用“先授之以魚，再授之以漁”方式進行，先演示實驗的預期效果，再讓學生進行模仿、探索實驗，以提高實驗效率。實驗成績主要考核學生對具體算法的理解和實現能力，由平時實驗成績和課程設計成績組成，為使成績判定公平合理，平時實驗成績通過考勤和現場提交實驗成果判定，課程設計成績通過分組答辯、綜合打分判定。

3.結語

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關鍵詞：計算機圖形學；可視化；計算機動畫；教學改革

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）13-3088-02

1 計算機圖形學的相關理論

1.1 計算機圖形學的定義

隨著計算機在生活中的廣泛應用，將計算機技術與傳統圖形學結合起來描述產品已經并非難事。而計算機圖形學所研究的正是這方面的知識。因為在現代制造業中，用計算機圖形來模擬描述產品變得越來越廣泛，所以，現在國內外大學，都將計算機圖形學作為一門必修的應用課程。目前國內被采納的定義是：計算機圖形學是研究怎樣利用計算機表示、生成、處理和顯示圖形的原理、算法、方法和技術的一門學科。

1.2 計算機圖形學的整體框架

2 計算機圖形學的現狀分析

2.1 計算機圖形學在教學中的發展現狀

經歷了近半個世紀的發展，計算機圖形學無論在數學基礎的算法研究，還是軟件應用或是硬件發展方面都取得了巨大的進步空間。現在，計算機圖形學已經成為工程應用領域傳遞信息的主要技術和工具，而與它相關的軟硬件產業也形成了一個巨大的產業，從事研究這個產業的隊伍十分龐大。正是由于此份需求，我國高等院校的理工科專業現在基本都開設了計算機圖形學這門課程。

從前面的計算機圖形學的整體框架可以看出，此門課課程涉及的內容很廣泛，包含了，數學、物理、計算機科學等課程，是一門交叉學科，而且此門課程的學習是以數學基礎作為最基礎的學習的，所以大多數學生在學習開始的時候都感到這門課程難于理解，枯燥。另外，目前國內的計算機圖形學課程的教材基本取材于幾本經典教科書，而這幾本教科書主要講述的是上世紀七八十年代的圖形學技術，主要強調的亦是數學基礎。正是由于這些原因，目前我國計算機圖形學教學普遍存在以下問題：

第一、學生期望與教學要求之間的矛盾。在學期開學之初，學生們拿到課本的時候，往往會在計算機圖形學的課本上看到的是各種當今最新的計算機圖形學的研究成果和各種可以亂真的圖形效果，他們認為學習完后既可以繪制出像課本彩頁上一樣的效果圖，所以開始的時候總是對這門課程充滿期望。但是由于課時的限制，各個高校對此門課程的教學要求僅僅是掌握計算機圖形學的基本概念并且能夠完成一些基本圖形的繪制，即是計算機圖形學的入門課程，要想完成向課本彩頁上的那種效果圖還需要學生在學習完這門課程后畫上幾年的時間繼續學習和刻苦鉆研。學生們在學習這門課程之初的期望和學校對這門課程的教學要求之間存在巨大的落差，隨著學生對這門課程的學習時間增長會慢慢的體現出來，而學生們對這門課程的興趣也會慢慢的遞減，最后慢慢失望導致放棄學習。

第二、計算機圖形學過分強調數學基礎。通過計算機圖形學的整體框架我們可以看出，計算機圖形學的基礎是數學，這是毋庸置疑的，任何圖形要顯示出來都必須先構造出數學模型，然后才能通過計算機程序實現計算機圖形的顯示。而目前國內的計算機圖形學課程的教材基本取材于幾本經典教科書，而這幾本教科書主要講述的是上世紀七八十年代的圖形學技術，主要講述的是計算機圖形學的算法，因為這些算法的構思比較獨特而且實現的方法又精巧，所以學生比較難于理解。這種算法的邏輯思維比較適合數學基礎良好的理科學生，相對工科學生來說，他們就往往會被這些算法所困擾，對這門課程產生畏難心理。

第三、計算機圖形學內容過于豐富導致課程泛泛而談。計算機圖形學是一門交叉學科，涉及到微電子學，信息學，計算機科學，圖形學，幾何學等學科。另外由于計算機圖形學的不斷發展，它的軟硬件更新換代和大量涌出的新算法這些都是計算機圖形學教學所要傳授的內容。這樣就要求計算機圖形學的授課教師具有全面的知識結構，并且在傳授課程的時候要分清主次，合理取舍。否則的話，各個知識點都講到就會使得學生在學期后只能學到分散的知識點，而不能將這些分散的知識點連成知識面，不知道學了什么，這樣會使他們喪失繼續學習的興趣。

第四、傳統教學模式忽視應用實踐。計算機圖形學是一門實踐性強的課程。它要求學生具有較強的動手操作能力和編程能力。如果理論與實踐互動性不夠，容易造成學生實踐動手能力薄弱。

通過以上分析，可以看出在計算機圖形學中采用傳統的課堂上講授理論，課下讓學生去做實驗的教學方式很難達到預期的教學效果，急切需要探討新的教學思路和教學方法。

2.2 計算機圖形學在教學中所能做的改革

根據計算機圖形學教改的總體計劃和總體目標，我們進行了教學研究，實施了一些教學改革，具體有如下認識和做法：

2.2.1 重視基礎知識、突出重點技術

計算機是工科類學科，而計算機的應用專業又是其中應用實踐性最強的專業，這使得很多職業高校在進行此專業的專業教學時有忽視理論基礎，片面注重操作應用的傾向。這樣就違背了我們國家要培養兼顧理論與實踐操作的專門人才的培養目標，所以，各大高校必須要重視理論基礎知識的教學，計算機圖形學的理論基礎包括：計算機圖形設備的輸入、圖形在計算機內部的表示、圖形在計算機內部的運算，變換原理算法、以及在計算機中存儲的圖形如何經過圖形設備輸出，如何將這些點、線、面、體的幾何元素在計算機圖形設備上表現出來。這些內容確實比較枯燥，甚至遠離應用，不像FLASH、PHOTOSHOP等用戶圖形系統那樣可以直接操作，具有所見即所得的圖形效果，但是這些卻是計算機圖形應用系統的基礎。傳授這些基礎知識可以為學生日后的學習與鉆研打下基礎，幫助他們在日后的學習中加深理解。但是由于計算機圖形學的知識太過于廣泛，這就要求教師在計算機圖形學的教學中分清主次，以點帶面，濃縮教學的內容。如：在講二維圖形的生成技術時，就可以將拋物線的二維圖形生成技術作為重點，其他的稍作介紹，這樣的話即可保證計算機圖形學的理論基礎，又可突出圖形生成技術作為教學重點。

2.2.2 完善教學內容、加強實踐能力

隨著計算機圖形學的飛速發展，這門課程已有相當成熟的數學表示、變換、運算和算法，并且最重要的是它已經被集成到許多圖形系統開發平臺中。我們的計算機圖形學教學的理論基礎還停留在最原始的概念上，如各種圖形的變換，利用單一的數學方法進行矩陣運算。而這些在現有的圖形系統中都可以使用相應的函數和堆棧操作完成。也就是圖形學的教學內容還是在矩陣的元素級的運算，而現有圖形系統在矩陣級的運算。三維幾何體的變換可以借助于操作矩陣堆棧直接應用取景變換。這樣理解，我們把計算機圖形學教學分為三級：一級：如何用數學模型生成二維圖形，二級：如何用二維圖形生成三維圖像、三級：圖形軟件的教學。可以看出，在傳統的教學中我們只強調了一級教學，而對二級只是簡單帶過，三級更是由于時間的限制無法介紹。這種情況必須得到改善，我們必須通過這三個層次的教學，使學生認識到：這三部分教學內容的層次是越來越高的，而且每一層次對應著不同應用需求，如：第一層次主要對應簡單的二維圖形制作；第二層次主要對應二維或沒有規則的三維幾何體圖形制作，且可以有真實效果顯示；第三層次對應規則幾何體的真實效果顯示，但開發工作量遠遠小于第二層次，主要用于游戲軟件、虛擬社區漫游、電腦廣告制作等的開發應用。通過對教學內容的完善，加強實踐知識傳授，使學生可以將所學的知識連貫起來，知道他們所學習的究竟是什么，并掌握如何應用所學的知識。從而提高他們的學習興趣。

2.2.3 結合實際問題、提高應用水平

從培養目標看，計算機應用專業學生不是應用軟件的使用者，而是為這些使用者提供應用軟件的軟件研發人員。教學時可用一些經典案例，讓學生以角色帶入，通過這樣的教改實踐，教學內容覆蓋了一、二、三級圖形軟件，這樣不僅可以拓寬學生的知識面，也可以讓他們在學校就感受到社會工作時團隊的力量。從而提高他們的實踐應用水平。

3 結束語

由于計算機圖形學的應用廣泛，不同學科的特點各不相同，以及學生不同的專業背景，在教學上應因材施教尋求各自合適的模式。但歸根結底應把培養學生的綜合應用能力及創新能力作為最終目標，為以后學習相關課程和從事相關研究與開發工作奠定堅實的基礎。

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一、計算機圖形學教學的重要性

隨著信息技術的發展，與計算機圖形學（以下簡稱圖形學）相關的理論與方法，越來越受到關注與重視。圖形學是研究與討論用計算機把數據轉換為圖形，并在顯示終端上顯示的學科[1]。由于圖形所攜帶的信息比純文本方式要豐富多彩，圖形數字化的應用迅速在各領域快速發展，計算機圖形學技術深入人們工作、生活的各個領域，從航空航天飛行器以及汽車外形的設計、天氣預報，到電影電視廣告、游戲制作、可視電話、微信等，都因為計算機圖形學技術的應用而精彩。

目前國內高校的計算機以及相關專業多數開置了“計算機圖形學”課程，也是計算機及相關專業的重要課程之一。該課程理論與實用并重，又是如數字圖像與模式識別、3D動畫編程等實用性強的課程的前置課程，因此，學生對計算機圖形學課程充滿好奇與期待。

二、計算機圖形學課程特點、教學過程中存在的問題及教學改革

1.計算機圖形學課程特點。首先，涉及內容廣，是計算機圖形學課程的特點之一。計算機圖形學是一門涉及多學科的綜合性課程，其內容包括計算機硬件、軟件、空間解析幾何、算法原理、編程等，因此要求學生具備多方面的知識。如較好的數學基礎，特別是空間解析幾何、線性代數、矩陣論等數學基礎知識，計算機語言編程、數據結構等方面的知識。

其次，?課程在理論方面，涉及的原理需要一定的數學基礎才能較好理解，繁多又抽象的圖形生成算法增加了學習的難度。

第三，理論與實驗并重的課程。用計算機語言描述并實現圖形學的問題的過程。也就是其內容包括計算機語言及圖形學知識。一般而言，對圖形學相關的基本算法描述的理解是學生學習計算機圖形學的一個難點，是一個從理論到實踐的認識過程。

2.存在的問題。由于計算機圖形學課程的特點，在教學過程中，學生普遍反映：都能認識到計算機圖形學是一門重要的、有用的、實用的課程，對學習計算機圖形學課程開始時抱著極大的興趣學習，但是，隨著課程的深入學習，圖形算法越來越復雜，雖然課堂上能聽懂算法的原理與流程，但是課后上機實現算法卻感到困難，理論與實踐不能很好結合。隨著時間的推移，不能解決的問題的累加，舊的內容未理解、問題還沒解決，又要忙于學習新內容，學習變成了一種壓力，積極性和自信心受到打擊，學習主動性逐漸下降，這樣一來，教學效果不理想。總之，學生感到圖形學的內容不易理解、不好學，理論與實驗總是存在一定的距離。

3.教學方法的改革。為了解決面對教學過程遇到的問題，提高計算機圖形學課程教學質量、收到更好的教學效果，不少計算機圖形學的老師們在教學實踐中，嘗試用不同的教學方法進行課堂教學，收到了很好的教學效果[2]。

計算圖形學的內容中，其重點與難點都會涉及到復雜算法的內容，而這些內容對學生來說，是最難理解的，用常規的教學方法，其效果相對較低，因此，計算機圖形學教學過程中，不同的教學內容，應選取和采用合適的教學方法才能收到更好的教學效果，使教學方法的效率最大化，實現教學方法精準化。為了在計算機圖形學的教學實現教學方法的精準應用，本文提出：在涉及復雜算法內容教學過程中，引入虛擬現實技術[3]，用三維交互技術對復雜算法的流程及運行機理進行描述，使復雜算法問題具體化、簡單化，更易于理解，把理論與實驗這兩者這間更好地融會貫通，更好地抓住學習計算機圖形學的重點與難點，把握學好計算機圖形學的關鍵，化解學習過程中的難題。

三、計算機圖形學虛擬現實技術教學改革

1.虛擬現實技術引入計算機圖形學課堂教學的必要性和重要性。要實現與理論與實踐相結合，首先要充分理解算法的原理、算法的核心、流程。但是，大部分計算機圖形學的算法，都以數學理論為支撐，要求學生具備如空間解析幾何、線性代數、矩陣理論及應用等數學基礎知識，換言之，良好的數學基礎，是學好計算機圖學算法的有利條件。而良好的數學基礎，需要通過專業訓練。一般情況下，我們面對的學生其數學基礎都不是很好，這也是學生對算法學習感到相對困難的原因。針對這種情況，在算法教學過程中，利用現代信息技術替代傳統的粉筆和黑板，引入計算機技術進行算法的模擬演示，使算法的描述和實現的流程形象化、具體化，也就是通過虛擬現實技術，把抽象的算法轉化虛擬環境進行動畫演示，讓學生易于接受與理解，從而激發學生主動學習的積極性，讓教學效果達到最佳，為學生課后上機實現算法做好充分的準備，實現理論與實踐的結合。因此，在教學過程中引入虛擬現實技術，是很有必要的。

2.虛擬現實技術引入計算機圖形學課堂教學的過程。教學過程中，將抽象、無形的數學模型通用虛擬現實技術將其具體化、形象化。具體實現如下：將算法實現的過程分解，用虛擬技術的方法將算法運行中的步驟和中間結果一步一步演示，以課件的形式在課堂演示，讓學生建立數學模型、算法與代碼之的對應關系，達到更深刻地理解各種圖形算法的原理及實現過程。

本文選擇Virtools4.0+3Ds MAX作為課件的開發環境。3DsMax具有很強的建模功能，由于圖形學算法實現流程中的計算單元（內存、函數等）在對應的虛擬實驗場景中可用簡單的幾何體（正方體、園柱體、球體等）表示，在單一的場景中，3DsMax可以實現快速、高效的建模，此外，Max帶有許多批量建模的工具，如使用鏡像、散布、陣列等工具，可實現任意多個精確（幾何體的坐標）的建模，完全滿足了圖形學虛擬實驗場景建模的需要。Virtools是一款比較成熟具有三維交互式的最后合成軟件，其良好的兼容性突顯其優勢，通過相應的插件直接導入經過轉換輸出的3DsMax構建的虛擬場景及動畫（3DsMax中預設的動畫），Virtools中支持多場景功能，可通過交互功能實現多場景間的切換、跳轉等，使虛擬實驗表現力更強、更靈活和多樣，表現出虛擬實驗直觀、交互、多樣性等優勢。

??現過程：將圖形學算法實現過程中涉及的內存單元、變量以及函數在虛擬場景中實體化（在虛擬場景中可用長方體或球體等表示），構成圖形算法實現的虛擬的場景，在3DsMAX中建好的（單一）場景導入Virtools中，按算法的流程進行動畫編排。由于Virtools支持多場景功能，可根據需要，將復雜的圖形算法的實現過程分解為若干個子算法（過程），在Virtools中用不同的場景表現不同的相對獨立的子算法，即依次在不同場景中編排相應的場景動畫實現子算法，在各場景上設計交互界面，實現場景間的切換和跳轉，最后導出生成具有交互功能的三維虛擬實驗課件。

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計算機圖形學 教學方法 上機實踐計算機圖形學課程在我校已經開設了多年，其教學任務是本著理論與實踐相結合的原則，以基本概念、算法原理和實踐技術為主線，使學生掌握計算機圖形生成與處理技術的基礎知識、基本原理和方法，培養學生的實際動手能力。然而，歷年的教學工作中發現，由于該課程學科內容豐富、理論難度大、實踐性強，且作為專業限選課學時又有限，導致了學生對所學內容不易掌握，疲于應付，甚至產生學生厭學、教學低效等現象。因此，如何提高學生的學習興趣，增加課堂信息量，解決課時少與內容多的矛盾、理論與實踐的矛盾，是計算機圖形學教學工作中一個非常值得思考的問題。本文面向計算機科學與技術專業，在分析計算機圖形學教學中存在問題的基礎上，針對該課程的學科特點和學生的特點，根據筆者近年來在教學實踐中的親身體會，探討一種新的教學思路和方法。

一、認真組織課堂教學內容該課程的基本目標是是學生全面而系統地理解計算機圖形學的相關概念、原理和知識，具有一定實踐體會和相關的編程能力，了解當前的研究熱點。計算機圖形學這門功課，沒有學習積極性和主動性，是很難學好的。難學是學習積極性的主要障礙。因此在教學內容上，應注意以下幾點：充分注意學生的接受程度，教學內容要“精”。首先是注重基礎，強調基本概念、基本原理，以如何“逼真”地模擬現實世界的物體為主線。其次也要突出重點，對一些要求掌握的算法，要仔細分析，強調其基本思想、基本原理。只要算法的基本思想掌握了，算法的實現就容易理解，對相關算法就可舉一反

三、觸類旁通。在教學內容上，也應注意“新”。教學內容的選取應跟上學科發展的步伐，介紹一些當前的研究熱點（如：真實感圖形顯示、計算機動畫、人機交互技術與虛擬現實技術等）及重要文獻，使學生了解學科發展情況，也同時增加課堂教學的趣味性。在教學內容上，還應注意理論與實用軟件之間的關系。應介紹計算機圖形學的理論、算法在流行的圖形設計和動畫制作軟件中的應用，促進理論學習和實用軟件使用形成互動。

二、注重教學方法和手段在教學方法上，注意啟發性。如：在講畫線算法前，應思考：為什么在屏幕上畫出直線段時，經常出現鋸齒？如何解決？等等。這些思考的問題可以引導學生預習和自學，減輕課堂負擔，使課堂教學的目標清晰，任務簡化。在重要算法的講授中，首先在清晰的介紹其基本思想和原理，應作到深入淺出，簡明扼要，充分利用圖形圖示的作用，這樣使復雜的算法變得易于理解，易于學生的接受。在介紹算法的奇思妙想之后，應注意分析其效率和特點，強調追求高效率、精益求精是算法不斷改進的重要原因。在算法講解中，應避免繁瑣復雜的算法推導和連篇累牘的算法分析，這樣會使很多學生感到困惑、煩躁，會使學習的積極性下降。

三、恰當設計課前、課后習題習題應與課堂教學、上機實驗等環節的工作結合起來。習題可分為課后習題和課前思考題。課前思考題具有一定的引導作用，幫助學生預習和自學，減輕課堂負擔，使課堂教學的目標清晰，任務簡化。課后習題是對課堂教學內容的消化、吸收、補充、完善和提高。習題一定要精心設計和選擇，特別避免作業形式單一、難度較大，否則就會使學生產生畏難情緒。注意循序漸進、難易適度。注重基礎，注意多層次、多形式（如判斷題、選擇題、填空題、簡答題、算法設計題和綜合應用題等），使學生得到全面的訓練。習題應注意啟迪學生的思維，培養獨立思考的能力，也可大大提高學習興趣。根據課程教學需要，在參閱一些著名計算機圖形學教材的基礎上，筆者經過收集整理，編寫了教學輔助材料《計算機圖形學習題集》。

四、充分重視實驗教學計算機圖形學課程具有很強的實踐性，上機實驗是其重要環節。基本目標是將學生的計算機操作能力、分析能力、設計能力與應用實踐結合起來，引導學生由淺入深地掌握計算機圖形學基本理論和算法。好的實驗內容充滿了趣味性，又有挑戰性，在上機實驗中可以提高學生的學習興趣，必然影響其它教學環節。

五、課程設計必不可少課程設計是計算機圖形學實踐教學的另一個重要環節，是對學生計算機圖形學課程以及相關知識的綜合測試，是對學生圖形設計的問題分析、算法設計與分析、程序設計和調試等能力的考核，是進一步提高教學質量的有效途徑。課程設計在課程教學的中后期完成。課程設計的題目、要求在該課程的中期給出，題目也可自擬。課程設計任務不宜過難，最好在實驗課的基礎上進行，可以是實驗的綜合、改進、完善等。要求在規定的期限內完成所有的文檔資料（包括源程序清單、可執行程序等），并評定課程設計成績，作為課程總成績的重要組成部分。

六、嚴格教學的過程化管理與考核重視教學的過程化管理與考核是保證教學質量的重要手段。對課堂、作業、實驗等環節進行有效的管理，及時發現和糾正每一環節中存在的問題。應在過程中解決教學中的問題，不能讓其積累起來，避免學生感到課程的難學，以致學習積極性的下降。過程化考核體現在評定學生的課程成績時，全面考核各重要教學環節（如上課、作業、實驗、課程設計、期末考試等）的學習情況，應充分重視平時的學習情況，鼓勵在平時作業、實驗、課程設計中獨立思考，并有所創新。每次作業、實驗都要給出等級，各環節的學習情況都有逐一評定成績，并按比例記入到課程的總成績中。總之，計算機圖形學是一門不斷發展的交叉學科，其教學方法需要在實踐中不斷探索。我們教學工作者在研究高效率的教學手段和教學方法的同時，還應積極參與教學內容相關的科研工作，從而更加明確教學重點和難點，做到在教學過程中有的放矢，激發學生學習和思考的積極性和主動性。

參考文獻：

[1]何援軍.計算機圖形學

[M].北京：機械工業出版社，2009.2.

[2]吳元斌.“計算機圖形學”教學的幾點體會

[J].安康師專學報，2004，（4）：119-121.

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關鍵詞：圖形實時繪制 自然景物仿真

計算機圖形學(ComputerGraphics，簡稱CG)是一種使用數學算法將二維或三維圖形轉化為計算機顯示器的柵格形式的科學。簡單地說，計算機圖形學的主要研究內容就是研究如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關原理與算法。圖形通常由點、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。從處理技術上來看，圖形主要分為兩類，一類是基于線條信息表示的，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等，另一類是明暗圖，也就是通常所說的真實感圖形。經過30多年的發展，計算機圖形學已成為計算機科學中最為活躍的分支之一，并得到廣泛的應用。本文將介紹計算機圖形學的研究內容、發展歷史，應用和圖形學前沿的方向。

1 計算機圖形學的發展簡史

1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學院(MIT)旋風號—(Whirlwind)計算機的附件誕生了。該顯示器用一個類似示波的陰極射線管(CRT)來顯示一些簡單的圖形。在整個50年代，只有子管計算機，用機器語言編程，主要應用于科學計算，為這些計算機置的圖形設備僅具有輸出功能。計算機圖形學處于準備和醞釀時期并稱之為：“被動式”圖形學。1963年，伊凡•蘇澤蘭在麻省理工學院發表了名為《畫板》的博士論文，它標志著計算機圖形學的正式誕生。此前的計算機主要是符號處理系統，自從有了計算機圖形學，計算機可以部分地表現人的右腦功能了，計算機圖形學的建立意義重大。

2 計算機圖形學的應用

2.1計算機輔助設計與制造

CAN/CAN是計算機圖形學在工業界最廣泛，最活躍的應用領域。計算機圖形學被用來進行土建工程，機械結構和產品的設計，包括設計飛機、汽車、船舶的外形和發電廠、化工廠等的布局以及電子線路、電子器件等。有時，著眼于產生工程和產品相應結構的精確圖形，然而更常用的是對所設計的系統，產品和工程的相關圖形進行人—機交互設計和修改，經過反復的選代設計，便可利用結果數據輸出零件表、材料單、加工流程和工藝卡，或者數據加工代碼的指令。在電子工業中，計算機圖形學應用到集成電路、印刷電路板，電子線路和網絡分析等方面的優勢十分明顯。在網絡環境下進行異地異構系統的協同設計，已成為CAD領域最熱門的課題之一。現代產品設計已不再是一個設計領域內孤立的技術問題，而是綜合了產品各個相關領域，相關過程，相關技術資源和相關組織形式的系統化工程。

CAD領域另一個非常重要的研究領域是基于工程圖紙的三維形體重建。三維形體重建是從二維信息中提取三維信息，通過對這些信息進行分類，綜合等一系列處理，在三維空間中重新構造出二維信息所對應的三維形體，恢復形體的點、線、面及其拓撲關素，從而實現形體的重建。

2.2科學計算可視化

目前科學計算可視化廣泛應用于醫學，流體力學，有限元分析，氣象分析當中。尤其在醫學領域，可視化有著廣闊的發展前途。依靠精密機械做腦部手術是目前醫學上很熱門的課題，而這些技術的實現的基礎則是可視化。當我們做腦部手術時，可視化技術技術將醫用CT掃描的數據轉化成圖象，使得醫生能夠看到并準確的判別病人的體內患處，然后通過碰撞檢測一類的技術實現手術效果的反饋，幫助醫生成功完成手術。我們利用了可視化技術。天氣氣象站將大量數據，通過可視化技術轉化成形象逼真的圖形后，經過仔細的分析就可以清晰的預見幾天后的天氣情況。

2.3圖形實時繪制與自然景物仿真

重現真實世界的場景叫做真實感繪制。真實感繪制主要是模擬真實物體的物理屬性，簡單的說就是物體的形狀，光學性質，表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置，遮擋關系等等。在自然景物仿真這項技術中我們需要過行消除隱藏線及面、明暗效應、顏色模型、紋理、光線跟蹤，輻射度等工作。這其中光照和表面屬性是最難摸擬的。而且還必須處理物體表面的明暗效應，以便用不同的色彩灰度來增加圖形的真實感。自然景物仿真在幾何圖形、廣告影視、指揮控制，科學計算等方面應用范圍很廣。除了建造計算機可實現的逼真物理模型外，真實感繪制還有一個研究重點是研究加速算法，力求能在最短的時間內繪制出最真實的場景。

2.4計算機動畫

隨著計算機圖形和計算機硬件的不斷發展，計算機動畫應運而生。事實上動畫也只是生成一幅幅靜態的圖象，但是每一幅都是對前一幅小部分修改，如何修改便是計算機動畫的研究內容，這樣，當這些連續播放時，整個場景就動起來。

早期的計算機動畫靈感來源于傳統的卡通片，在生成幾幅被稱作“關健幀”，連續播放時2個關健幀就被有機的結合起來了。計算機動畫內容豐富多彩，生成動畫的方法也多種多樣，比如基于特征的圖象變形，二維形狀混合，軸變形方法，三維自由形體變形等。近年來人們普遍將注意力轉向基于物理模型的計算機動畫生成方法。這是一種嶄新的方法，該方法大量運用彈性力學和流體力學的方程進行計算，力求使動畫過程體現出最適合真實世界的運動規律。然而要真正到達真實運動是很難的，比如人的行走或跑步，要實現很自然的人走路的畫面，計算機方程非常復雜和計算量極大，基于物理模型的計算機動畫還有許多內容需要進一步研究。

2.5計算機藝術

用計算機從事藝術創作，計算機圖形學除了廣泛用于藝術品的制造，如各種圖案、花紋及傳統的油畫、中國國畫等。還成功的用來制造廣告、動畫片甚至電影，其中有的影片還獲得了奧斯卡獎。這是電影界最高的殊榮。目前國內外不少人士正在研制人體模擬系統，這使得在不久的將來把歷史上早已去世的著名影視明星重新搬上新的影視片成為可能。這是一個傳統的藝術家無法實現也不可想象的。

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摘要：“計算機圖形學”是計算機專業的一門非常重要的基礎課程，但在教學中存在很多問題，本文總結了兩種結合方式的教學方法，分析和探討了其在教學中的應用。

關鍵詞：計算機圖形學；教學方法；教學與實驗

中圖分類號：G642

文獻標識碼：A

1引言

“計算機圖形學”在計算機科學與技術專業的一門基礎課，其課程涉及圖形硬件設備、圖形系統、交互技術、基本圖形生成算法、幾何變換、真實感圖形生成等內容。在筆者的教學實踐當中發現教學過程中普遍存在以下兩個問題。

1.1理論知識掌握方面

由于“計算機圖形學”具有較強理論性，部分算法比較抽象不易理解。所以學生在學習的時候很難將抽象算法與具體的三維圖像結合起來，經常表現出畏難情緒。

1.2實踐能力培養方面

由于“計算機圖形學”課程的教學主要精力放在了圖形的基本概念和算法原理的講解上，上機實踐環節滯后；另外，現在大部分的教材中仍然是以Turbo C作為上機實習的平臺，但是由于Turbo C再實際應用中早已不作為開發工具使用，學生并不能夠在實驗中獲得未來就業環境下真是需要掌握的編程知識，需要二次學習才能適應社會的需求。

針對以上問題，給出以下解決方案。

2理論講解與具體開發工具的使用相結合

圖形通常由點、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。如何在計算機中表示圖形以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關原理與算法，構成了計算機圖形學的主要研究內容。目前，大部分《計算機圖形學》教材都是以計算機圖形學的基本概念、基本理論、基本原理及經典算法作為主要內容，以豐富學生的基礎知識，培養學生的獨立研究能力。然而，在微型計算機日益普及的今天，隨著計算機科學及技術的發展，出現了很多功能完善的圖形軟件標準和圖形軟件，如何利用他們培養學生的學習興趣，提高實際應用的能力，則是當今教學的重點。

為了能夠更加廣泛地接觸和學習圖形軟件，筆者在以Turbo C語言作為開發工具來介紹基本圖元的經典畫法的同時，將OpenGL引入到計算機圖形學的學習中。

OpenGL是近10年來發展起來的一個性能卓越的、通用共享的三維圖形標準，已得到廣泛應用。OpenGL提供十分清晰明了的圖形函數，所以圖形繪制可以通過它的各種函數來實現。OpenGL具有標準型、穩定性、可擴展性、可縮放性、易用性、可靠性和可移植性等特點。與其他圖形程序包相比，OpenGL應用程序代碼行數少，又封裝了有關基本硬件的信息，因此在很多領域都得到廣泛的應用。

在教學過程中，為了讓學生對“計算機圖形學”中所講解的知識能夠更好的理解和掌握，可以從三個步驟來進行講解：

2.1理論講解――基本概念、原理及算法

理論講解過程中，我們可以把OpenGL與之結合起來。例如：我們在講解直線的掃描算法時，首先介紹經典的中點繪制直線算法和Bressman算法，通過這兩個算法的原理的介紹可以使學生了解到在計算機中怎樣以像素作為處理單位來實現直線的繪制。然后，我們可以介紹一下OpenGL中對直線進行繪制的方法，從而體會兩種開發工具的相同和不同之處：

(1) Turbo C：Bressman算法實現直線的繪制

voidBresenham_Line (int x1, int y1, int x2, int y2,int color)

{

intx, y, dx, dy, dk, i；

dx = x2 C x1；dy = y2Cy1；dk = dy C dx；

x = x1；y = y1；

for (i = 0; i

{ putpixel (x, y, color);

x=x + 1;

if(dk

dk=dk+2*dy;

else

{y = y + 1； dk = dk +2*dyC 2 * dx； }

}

}

(2)OpenGL實現

glBegin ( GL_LINES );

glColor3f(1.0,1.0,0.0);

glVertex2f(-11.0,8.0);

glVertex2f(-7.0,7.0);

glEnd();

在Turbo C中需要具體的算法和參數實現對像素逐個處理從而形成一條直線；在OpenGL中我們只需要給出直線的坐標、屬性的數據就可以得到一條直線了。這樣學生就可以了解到直線的繪制原理，以及在實際開發中具體實現發法，有效地把理論知識與實際應用結合起來，達到了較好的教學效果。

2.2多媒體演示――各種圖元、概念、算法的實現和變化過程

由于“計算機圖形學”這門課程中的很多理論知識比較抽象不容易理解，特別是需要學生具有較好的三維空間的立體感，才能更好的理解所學的知識，例如對坐標變換、投影變換等部分的概念的理解，對很多學生來講都很難理解，為了達到更好的教學效果，可以將OpenGL引入到課程學習中，通過OpenGL的對應函數的多媒體演示，幫助學生更好地掌握這部分知識。在介紹了基本的變換中的平移變換、縮放變換和旋轉變換的概念時，在計算機圖形學中我們一般是通過二維的圖形來幫助學生理解，如圖1～3。

OpenGL多媒體演示見圖4。

在OpenGL中分別使用glTranslatef()來表示平移變換，三個參數分別表示在三個坐標平移的距離；glRotatef()用來表示旋轉變換，一個參數表示旋轉地角度，另外一個參數表示旋轉軸的坐標；glScalef()表示縮放變換，三個參數表示在三個坐標軸方向的縮放比例。這里，通過多媒體可是課件，通過鼠標來控制參數的值，根據參數值的變化，顯示效果也會隨之變化。通過這種三維的動態多媒體課件的演示，可以使學生更好的理解三種變換，同時對OpenGL中對應的函數及其參數的具體含義有了更好的掌握。

2.3具體應用――原理算法的具體應用

在完成前兩個步驟的基礎上，可以通過一些小的應用程序或游戲程序的演示，將其中對應的圖形繪制方法的應用提煉分析出來，這樣可以使學生對所學知識的具體應用有較直觀的認識，為其將來的進一步學習和實踐打下基礎。

3教學與實驗相結合

“計算機圖形學”是一門實踐性很強的課程，但在目前，普遍存在的現象是“計算機圖形學”課程的理論教學內容存在著一定孤立性，與上機實踐聯系并不緊密；因此，有必要加強學生動手能力的培養。為了確保計算機圖形學課程的教學質量，應該選用目前市場上比較流行的圖形開發環境作為學生的實踐環境，同時也要注重課堂知識的消化，因此理論知識的對應實驗也不能輕視。筆者認為應將兩者有效地結合起來才能達到更好的效果。

為了能夠幫助學生更好地理解理論知識，更好地提高動手能力，實驗部分可以分三部分進行：

(1) 基礎實驗：主要完成各種理論講解過程中學習的代碼實現，編程環境為Turbo C。

(2) 提高實驗：以Visual C++ 和OpenGL作為開發環境，進行實踐動手能力的培養和訓練。

(3) 體驗實驗：以3D Max作為開發環境，進行圖形圖像軟件開發的體驗實驗。

基礎實驗可以幫助學生更好地理解基本的理論和各種基本圖元的經典算法。

提高實驗可以提高學生理論聯系實際的能力，能夠使學生更多地接觸實際開發中所使用的工具和開發環境，為將來的工作打好基礎。

體驗實驗中的3DMax是圖形開發的具體產品，通過對其的使用和接觸，可以讓學生感知到計算機圖形學的應用情況。

通過基礎實驗、提高實驗和體驗實驗的結合練習，不但可以提高學生的編程能力，而且加深了學生對所學知識的了解和認識，使學生對“計算機圖形學”的實際應用有了感性的認識。

4結語

“計算機圖形學”是計算機學科的主要基礎課程之一，但由于各種原因，學生學起來有一定的難度，這給授課的教師帶來相當大的挑戰。“計算機圖形學”的教學是一個復雜的系統工程，它會涉及到諸多方面的問題，以上所述僅僅是筆者授課過程中得粗略總結，有不妥或不足之處，敬請大家批評指正。

參考文獻：

[1] 張曦煌,杜俊俐. 計算機圖形學[M]. 北京郵電大學出版社,2006,8.

[2] OpenGL體系結構審核委員會等. OpenGL編程指南(第4版)[M]. 人民郵電出版社,2005,4.

[3] 陳元琰, 張睿哲, 吳東. 計算機圖形學實用技術(第2版)[M]. 清華大學出版社,2007,3.

Teaching method discussion of Computer Graphics

XUE Chun-yan

( XiamenUniversity Tan Kah Kee college)

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關鍵詞：計算機圖形學；教學改革；建構主義；開放式

0、引言

計算機圖形學課程是計算機科學與技術專業的一門比較重要的課程。計算機圖形學研究的是如何利用計算機生成、處理和顯示圖形的原理、方法與技術n]。它是一門復雜的綜合性新興學科，廣泛應用在工業、科技、教育、管理、商業、藝術、娛樂等多種領域。這門課程理論性較強，內容抽象、難懂，要求學生有一定的數學基礎并且具有一定的編程能力，部分學生感覺學習起來吃力，學習積極性不高，教學效果不夠理想。文獻提出了建構教學模式在圖形學教學中的應用；文獻[3]也針對已有的圖形學教學模式提出了改進。筆者對計算機圖形學課程教學中存在的問題進行了分析探討，并對計算機圖形學的教學內容及方法提出了改進，在計算機圖形學教學與實驗中，取得了良好的效果。

1、圖形學教學及實驗的現狀及存在的問題

1.1 內容枯燥難懂

目前，計算機圖形學課程講述的重點是圖形學技術，強調計算機圖形學基本算法的生成和實現，對學生的數學基礎要求較多，還要有一定的三維空間想象能力。這種強調圖形算法基礎的教學比較適合數學基礎優秀的學生，對大多數本科學生來說，這種理論性太強的課程，理解起來較難，學習起來不易，直接影響了學生的積極性，影響了教學效果。

1.2 編程語言環境古板陳舊

在很多高校，計算機圖形學的實驗都是基于Turbo C環境下的編程練習。雖然Turbo C提供了非常優秀的C語言編程環境，但是由于編程界面不夠友好，使用不方便，多數學生對它不感興趣。

1.3 實驗內容單一

該課程的實驗內容包括最基本的實驗環境的熟悉及像素點的生成，基本圖形元素（直線、圓和橢圓）生成算法的實現，二維圖形的填充和裁剪算法和圖形幾何變換（二維、三維變換）的實現等。基本的實驗主要是為了驗證理論教學中學到的算法，比如直線生成算法實驗，就是編程實現一條直線的生成，沒有實際的應用價值，學生感覺所編程序與現實中成熟的各類畫圖軟件差距較大，進而失去學習興趣。

2、教學改革實踐

2.1 選擇內容稍簡單的教材

當前圖形學的課本非常多，經典教材中多采用c語言偽代碼，且講解的知識較多、難度較大，學生學習比較吃力。考慮到本校碩士專業也開設了計算機圖形學這門課，主要講解三維的知識，所以我們將本科教學中的重點定位為二維知識的掌握，三維的知識作為簡單介紹和了解，這樣降低了學生的學習難度，為以后學習三維打好基礎。因此，在選擇教材時，主要考慮以二維知識為主的、包含有程序代碼的、利于學生實驗的教材。

2.2 將AutoGAD等成熟軟件引入圖形學課堂

圖形學的基本內容以二維為基礎，AutoCAD是最為成熟的二維圖形軟件之一，它的功能非常強大，幾乎囊括了圖形學中的所有知識。因此，在教學過程中以AutoCAD為例給學生講解，使本來抽象難瞳的知識變得可見，例如，在講到矢量字符時，AutoCAD可以允許用戶以形定義的方式自己創建矢量字符。學生在使用AutoCAD創建字符的同時，加深了對概念的理解。AutoCAD的交互能力是非常強大的，教師在講解圖形交互技術一章時，重點介紹AutoCAD中的對象捕捉功能、網格功能、約束技術等，使學生對圖形交互有更直觀的印象。在講解曲線一章時，教師可以用Photoshop中的路徑生成工具來講解Hermit曲線，講三維建模時引入3DMAX。這些成熟的軟件給學生搭建一個對所學知識進行實踐的平臺，讓學生更好地理解課本的內容，使難懂晦澀的內容變得生動形象起來，極大地提高了學生的學習積極性。

2.3 將最新的研究成果帶入課堂

圖形學是當前研究的熱點問題，它應用廣泛，每一個應用方面都有最新的研究成果。在講解課本知識之外，為了提高學生的學習興趣，我們搜集了一些介紹圖形學知識的紀錄片。比如在講到分形時，播放分形在影視特效中的應用；在講到真實感圖形時，播放工業光魔在這方面的研究歷史，從最初起步到現在技術日益成熟。這些紀錄片豐富了學生的知識，開闊了學生的視野，加深了學生對課本知識的理解。

3、實驗改革實踐

3.1 選擇可視化編程語言環境

針對Turbo C編程環境的死板和界面不夠友好的情況，我們在選擇教材時，選擇的是用VC編程的教材。學生可按照教材完成實驗。因為VC開發環境是可視化的，編寫的程序執行結果明顯，學生很有成就感，對完成實驗更有自信。學生也可以通過實驗，來學習實用的編程語言，促進了對新知識的學習。

3.2 明確實驗目標，整合實驗效果

教師在新課剛剛開始講解時就以Windows自帶的畫圖軟件為目標，鼓勵學生在實驗的時候以其為模板。在講解實驗的時候，老師一開始就引入了添加菜單、工具欄、鼠標畫圖、橡皮筋技術以及調色板，這樣在實驗中學生就可以自己編出用鼠標畫出直線、設置顏色的程序，因為非常貼近現有的成熟軟件，所以學生很有成就感。

整個學期的實驗內容的設計圍繞畫圖軟件，使其與課程進展相結合，由簡入繁。

有了畫圖軟件這個目標，學生在實驗中會主動地考慮一些功能的實現，比如用鼠標實現鉛筆畫功能，是學生自己考慮出來的。學生通過自己去想、去嘗試、去實現，提高了學習的主動性、積極性，最后不僅完成了課本上要求的任務，還自己增加了一些實驗內容，提高了編程能力。學生將每次所學的課程內容都添加在一個程序中，最后自然就完成了教材中所要求的綜合性實驗內容，而且所實現的功能要遠遠大于教材中的要求。

3.3 教學與實驗結合，變被動復習為主動復習

在教學中，我們引入建構主義教育思想，將期末設計改為圖形學教學網站的設計。建構主義認為學習者的知識是在一定情境下，借助他人的幫助，人與人之間的協作、交流，利用必要的信息等，通過意義的建構而獲得的。以往的復習，就是學生個人死記硬背概念，學生不愿意背，也不容易記住。期末設計以小組團隊為單位，在設計過程中，借助開放式實驗思想，不限制實驗地點，不限制實驗時間，不限制實驗小組，由學生自己決定團隊，團隊內部自主分配任務，通過網上指導，隨時有問題隨時解決，這是對學生將以往所學的網絡知識與計算機圖形學知識的一次整合，使學生充分體會到每門課都是息息相關的。學生們需要將所學的知識在網上重現，在重現的過程中，就是對所學知識的一次鞏固、一次主動的復習。教學網站的設計包括各種圖形學的基礎知識、算法代碼、當前圖形學的研究熱點、著名圖形學網站的鏈接等。學生們根據自己在學習圖形學中遇到的問題，借鑒現在網上已有的教學網站，設計出自己風格的網站，將枯燥的死記硬背改為有效的主動復習。圖1是某小組實現的關于“當前研究的熱點問題”這個方面的網頁，他們搜集、查閱了大量資料，豐富了其圖形學知識，在搜集過程中更提高了對圖形學的興趣。

圖2中某小組搜集了各類圖形學題目，在此給出了答案。在出題過程中，不會題的同學之間相互討論，問老師，更好地掌握了所學知識，加深了對所學知識的理解。

通過期末設計，老師不僅可以了解學生的學習思維的方式，而且從中也能發現自己的不足，從而為以后的教學改進提供依據，在以后的教學中也應多從學生的角度來考慮教授內容，應將演示軟件、網站等引入教學中，實現多方面、多維的立體化教學，提高學生的學習興趣，并通過各種途徑與學生交流和討論。

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關鍵詞：計算機；圖形處理；圖像處理；技術

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 17-0000-02

隨著計算機的迅猛發展，在20世紀末期，產生了運用計算機處理圖形圖像的新興產業技術，這種技術主要是通過計算機進行設計、儲存和修改圖片，其中，圖形圖像的設計與修改是通過CAD、CAM等的軟件來實現的。

1 計算機圖形學的基本含義和主要內容

在1962年，首次提出了計算機圖形這個術語ComputerGraphics。計算機圖形學是通過計算機處理圖像、設計圖片、顯示生成的一門學科。計算機圖形制作的內容十分廣泛，它囊括圖形硬件和事物造型等多方面的內容。通過計算機運用軟件的功能輔助完成真實感的圖形。為此，利用幾何的方式建立圖形描述的場景，運用光照模型來綜合表現出材質在相關光源下的效果。因此，計算機的圖形學和計算機輔助幾何制作有著密切的關系。同時，真實感的圖形所顯示的是一個數字性結果，計算機的圖形和圖像的修改間有一定的聯系關系。比如：做一張獨角獸的圖形，我們就需要先運用3D MAX來做一個獨角獸的整體模型，然后，在進行展UV貼圖，再渲染，這樣就能得到一張極富真實感的圖片。如下圖所示：

2 計算機圖形圖像處理技術的基本含義

計算機的圖形圖像完善技術手段主要通過一定的概念和幾何方式，運用計算機軟件完成相關操作的步驟，由圖形編制的二維技術和三維技術來實現。這其中涉及到的內容有以下幾個方面：第一、圖形到數字化的轉換，相關的圖像的復原等；第二、幾何的移植，例如平移、旋轉等；第三、建立實物模型；第四、線條的色彩調度；第五、曲線以及曲面的運用；第六、色彩間的變換。在這需要說明的是圖形、圖像的有關創作是基于這兩大組成要素為基點，運用一系列創作方法與步驟在計算機上操作實現的。

3 計算機圖形、圖像兩者間的區別和聯系

3.1 圖形與圖像間的區別

計算機圖形學和圖像處理兩者最大的區別就是計算機軟件的數據結構不一樣。圖形是由點、線、面等這些基本元素構成的，因此，如果圖形簡單，那么所需的數據也就簡單，數據量也就少，相對的，圖形復雜，數據量也會相應的增多；而圖像處理是針對一幅畫進行的一個二維數據組表示的，每一個像素都是該數據組的一個元素，因此，它的數據量很大。

3.2 圖形與圖像間的聯系

圖形處理和圖像處理兩者間具有一定的共性和依賴性，在實際運用中，如果圖形與圖像處理技術結合使用可以使圖片的視覺效果和質量更加完美和清晰。隨著計算機技術的迅速發展，二者間的界限也日趨模糊，他們間的關聯和轉換入下圖所示：

計算機圖形學的逆過程是分析、識別、輸入圖像，從中提取二維或者是三維的數據模型。如：手寫識別、機器視覺等。

4 計算機圖形圖像處理技術的相關運用

計算機圖形學和圖像處理技術在不斷的發展，他們的應用領域也在不斷的擴大。目前，計算機圖形圖像處理技術已經運用到以下方面：

4.1 計算機的輔助設計和制造（CAD/CAM）

在工業領域中，CAD和CAM是計算機圖形操作的運用最廣泛的軟件。計算機的圖形操作被廣泛運用到建筑設計和室內設計等領域，并且，飛機與汽車等交通工具的外形設計也運用了這些技術。此外，在印刷電板路和網絡分析等方面也采用了這項技術，給領域提供了很大的便利。CAD是一種運用在國內工程建筑圖紙設計中的三維軟件。這樣的三維模型是建立在二維的基礎上，從中提煉出三維的相關信息，針對這些信息重新編排和分類，這就形成了一個與二維相對應的三維模式，并從點擴充到線，再完成模型的整體。

4.2 計算機圖形化的用戶接口

在一定的程度上，一個良好的圖形化的用戶界面能夠增強軟件的實用構造，美國的Apple公司推出了相應的圖形操作軟件，特別是windows，已經在全世界范圍內廣泛運用，這就象征著，計算機的圖形學已經邁入了計算機的各大主流之中。

4.3 國家的地形、地貌圖與自然資源圖

對于一個國家來說，經濟重要構成元素就是國土的掌控信息。通過現實的相關信息能夠得到地形平面圖與三維圖形地貌，為國土的整體預測提供有效的方法與數據，從而實現國土資源的合理規范與管理，保障了信息的科學性，并給軍事方面帶來了巨大的便利。

4.4 計算機動畫設計和藝術設計

在動畫設計和藝術設計所能用到計算機軟件很多，比如：3D MAX、MAYA、FLASH、PS、PR等等。這些軟件在現代社會中的其他領域中都得到廣泛的運用，并發揮著積極的作用。

5 結束語

在現今社會，計算機技術快速發展，計算機的圖形、圖像技術在日常生活和工業生產中得到最大程度的運用，它的創作是人們最大層次的發揮了主觀能動性，并且，產生很多形式多樣且富有新意的視覺景象，為人們的生產生活活動帶來了便利，改變了人們的生活環境與生活設施。圖形圖像技術的運用與相關的技術處理不僅能夠創作出豐富多彩的生活，還能構造美好的生活藍圖。

參考文獻：

[1]王瑞紅.計算機圖形圖像處理相關技術研究[J].無線互聯科技，2012，（3）：116-116.

[2]田蓉.關于計算機圖形圖像處理課程教學方法的點滴思考[J].成才之路，2011，（32）：77-77.

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關鍵詞：圖形學；發展；應用

一、計算機圖形學的發展

計算機圖形學是利用計算機研究圖形的表示、生成、處理，顯示的科學。經過30多年的發展，計算機圖形學已成為計算機科學中最為活躍的分支之一，并得到廣泛的應用。1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學院（MIT）旋風一號——（Whirlwind）計算機的附件誕生．該顯示器用一個類似示波器的陰極射線管（CRT）來顯示一些簡單的圖形。在整個50年代，只有電子管計算機，用機器語言編程，主要應用于科學計算，為這些計算機配置的圖形設備僅具有輸出功能。計算機圖形學處于準備和醞釀時期，并稱之為：“被動式”圖形學。

二、計算機圖形學在曲面造型技術中的應用

曲面造型技術是計算機圖形學和計算機輔助幾何設計的一項重要內容，主要研究在計算機圖象系統的環境下對曲面的表示、設計、顯示和分析。它肇源機、船舶的外形放樣工藝，經三十多年發展，現在它已經形成了以Bezier和B樣條方法為代表的參數化特征設計和隱式代數曲面表示這兩類方法為主體，以插值（Intmpolation）、擬合（Fitting）、逼近（Ap-proximation）這三種手段為骨架的幾何理論體系。隨著計算機圖形顯示對于真實性、實時性和交互性要求的日益增強，隨著幾何設計對象向著多樣性、特殊性和拓撲結構復雜性靠攏的趨勢的日益明顯，隨著圖形工業和制造工業邁向一體化、集成化和網絡化步伐的日益加快，隨著激光測距掃描等三維數據采樣技術和硬件設備的日益完善，曲面造型在近幾年來得到了長足的發展。

2．1從研究領域來看，曲面造型技術已從傳統的研究曲面表示、曲面求交和曲面拼接，擴充到曲面變形、曲面重建、曲面簡化、曲面轉換和曲面位差。

曲面變形（DeformationorShapeBlending）：傳統的非均勻有理B樣條（NURBS）曲面模型，僅允許調整控制頂點或權因子來局部改變曲面形狀，至多利用層次細化模型在曲面特定點進行直接操作；一些簡單的基于參數曲線的曲面設計方法，如掃掠法（Sweeping），蒙皮法（skinning），旋轉法和拉伸法，也僅允許調整生成曲線來改變曲面形狀。計算機動畫業和實體造型業迫切需要發展與曲面表示方式無關的變形方法或形狀調配方法，于是產生了自由變形（fFD）法，基于彈性變形或熱彈性力學等物理模型（原理）的變形法，基于求解約束的變形法，基于幾何約束的變形法等曲面變形技術和基于多面體對應關系或基于圖象形態學中Minkowski和操作的曲面形狀調配技術。

2．2從表示方法來看，以網格細分（Sub-division）為特征的離散造型與傳統的連續造型相比，大有后來居上的創新之勢。而且，這種曲面造型方法在生動逼真的特征動畫和雕塑曲面的設計加工中如魚得水，得到了高度的運用。

三、在計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）的應用

這是一個最廣泛，最活躍的應用領域。計算機輔助設計（ComputerAidedDesign，CAD）是利用計算機強有力的計算功能和高效率的圖形處理能力，輔助知識勞動者進行工程和產品的設計與分析，以達到理想的目的或取得創新成果的一種技術。它是綜合了計算機科學與工程設計方法的最新發展而形成的一門新興學科。計算機輔助設計技術的發展是與計算機軟件、硬件技術的發展和完善，與工程設計方法的革新緊密相關的。采用計算機輔助設計已是現代工程設計的迫切需要。CAD技術目前已廣泛應用于國民經濟的各個方面，其主要的應用領域有以下幾個方面。

3.1制造業中的應用。CAD技術已在制造業中廣泛應用，其中以機床、汽車、飛機、船舶、航天器等制造業應用最為廣泛、深入。眾所周知，一個產品的設計過程要經過概念設計、詳細設計、結構分析和優化、仿真模擬等幾個主要階段。同時，現代設計技術將并行工程的概念引入到整個設計過程中，在設計階段就對產品整個生命周期進行綜合考慮。當前先進的CAD應用系統已經將設計、繪圖、分析、仿真、加工等一系列功能集成于一個系統內。現在較常用的軟件有UGII、I-DEAS、CATIA、PRO/E、Euclid等CAD應用系統，這些系統主要運行在圖形工作站平臺上。在PC平臺上運行的CAD應用軟件主要有Cimatron、Solidwork、MDT、SolidEdge等。由于各種因素，目前在二維CAD系統中Autodesk公司的AutoCAD占據了相當的市場。

3．2工程設計中的應用。CAD技術在工程領域巾的應用有以下幾個方面：①建筑設計，包括方案設計、三維造型、建筑渲染圖設計等。②結構設計，包括有限元分析、結構平面設計、框/排架結構計算和分析等。③設備設計，包括水、電、暖各種設備及管道設計。④城市規劃、城市交通設計，如城市道路、高架、輕軌等。⑤市政管線設計，如自來水、污水排放、煤氣等。⑥交通工程設計，如公路、橋梁、鐵路等。⑦水利工程設計，如大壩、水渠等。⑧其他工程設計和管理，如房地產開發及物業管理、工程概預算等。

3．3電氣和電子電路方面的應用。CAD技術最早曾用于電路原理圖和布線圖的設計工作。目前，CAD技術已擴展到印刷電路板的設計（布線及元器件布局），并在集成電路、大規模集成電路和超大規模集成電路的設計制造中大顯身手，并由此大大推動了微電子技術和計算及技術的發展。

3．4仿真模擬和動畫制作。應用CAD技術可以真實地模擬機械零件的加工處理過程、飛機起降、船舶進出港口、物體受力破壞分析、飛行訓練環境、作戰方針系統、事故現場重現等現象。在文化娛樂界已大量利用計算機造型仿真出逼真的現實世界中沒有的原始動物、外星人以及各種場景等，并將動畫和實際背景以及演員的表演天衣無縫地合在一起，在電影制作技術上大放異彩，拍制出一個個激動人心的巨片。:

3．5其他應用。CAD技術除了在上述領域中的應用外，在輕工、紡織、家電、服裝、制鞋、醫療和醫藥乃至體育方面都會用到CAD技術。CAD標準化體系進一步完善；系統智能化成為又一個技術熱點；集成化成為CAD技術發展的一大趨勢；科學計算可視化、虛擬設計、虛擬制造技術是CAD技術發展的新趨向。