童秉樞

（清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系，北京 100084）

對(duì)工程圖學(xué)學(xué)科和圖學(xué)學(xué)科的若干認(rèn)識(shí)

童秉樞

（清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系，北京 100084）

從“形”和“圖”兩方面對(duì)圖形進(jìn)行了深入的討論?？偨Y(jié)了“形”與“圖”的三種類型，并由此指出了工程圖學(xué)學(xué)科和圖學(xué)學(xué)科在研究對(duì)象上的差別。在文獻(xiàn)調(diào)查和分析的基礎(chǔ)上，對(duì)兩個(gè)學(xué)科的定義給出了新表述。探討了學(xué)科體系的組成，給出了圖學(xué)學(xué)科的7個(gè)分支及每個(gè)分支中的科目，也給出了工程圖學(xué)學(xué)科的5個(gè)分支及每個(gè)分支中的科目。

工程圖學(xué)；圖學(xué)學(xué)科；工程圖學(xué)學(xué)科；學(xué)科定義；學(xué)科體系；學(xué)科分支

什么是學(xué)科？根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)《學(xué)科分類與代碼》GB/T 13754-72中的名詞解釋，“學(xué)科是相對(duì)獨(dú)立的知識(shí)體系”。學(xué)科劃分為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)，依次形成學(xué)科分類的樹形結(jié)構(gòu)。在上述標(biāo)準(zhǔn)中，代碼為410的一級(jí)學(xué)科“工程與技術(shù)科學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科”下設(shè)有代碼為 410.60的二級(jí)學(xué)科“工程圖學(xué)”，但在工程圖學(xué)下并沒有列出三級(jí)學(xué)科。至于“圖學(xué)”學(xué)科在該國家標(biāo)準(zhǔn)中沒有被列入。

多年來，我國圖學(xué)工作者一直在討論工程圖學(xué)學(xué)科的定義、內(nèi)涵、外延，以及學(xué)科分支等問題[1-8]，但迄今為止還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。近年來越來越多的人認(rèn)識(shí)到，應(yīng)該將工程圖學(xué)學(xué)科更名為圖學(xué)學(xué)科，以適應(yīng)圖形科學(xué)與技術(shù)飛速發(fā)展的現(xiàn)狀，但對(duì)圖學(xué)學(xué)科的定義、內(nèi)涵、學(xué)科分支、學(xué)科發(fā)展等問題尚未展開充分的討論，也很少有文獻(xiàn)報(bào)道。本文對(duì)上述兩個(gè)學(xué)科的研究對(duì)象、學(xué)科定義、學(xué)科體系和分支內(nèi)容進(jìn)行了研究，旨在引起廣泛關(guān)注與討論，求取共同認(rèn)識(shí)。

1 對(duì)圖形的認(rèn)識(shí)

由于圖形是我們所討論的這兩個(gè)學(xué)科共同的研究對(duì)象，因此，有必要仔細(xì)闡述對(duì)圖形的認(rèn)識(shí)。

1.1 “形”的討論

圖形中的“形”存在于客觀世界，也存在于虛擬世界。

客觀世界中的“形”，對(duì)有形物而言是指形狀、形體，它們可能是靜止的，也可能是運(yùn)動(dòng)的；對(duì)無形物而言，是指發(fā)生的某些現(xiàn)象，他們大多是運(yùn)動(dòng)的。

具體地說，客觀世界中的“形”大致可分為三類。

（1） 自然界的物體，例如山脈、地貌、植物、動(dòng)物等；

（2） 人造物體，例如工程項(xiàng)目(土建、水利、電力、礦山等)、機(jī)電產(chǎn)品、器具、物件、服裝等；

（3） 某些現(xiàn)象，例如雷電、風(fēng)暴、火山、地震，以及科學(xué)研究中出現(xiàn)的現(xiàn)象等。

虛擬世界中的“形”是指想象中的并不存在于客觀世界中的形體或現(xiàn)象，例如科幻世界、分形圖形中所表達(dá)的“形”等。

“形”擁有自己的屬性，用來說明“形”的性質(zhì)，例如有：自然性、人造性、虛擬性、靜止性、運(yùn)動(dòng)性、有形性、無形性、……等等。

1.2 “圖”的討論

什么是“圖”？可以這樣說：“圖”是“形”的載體，是“形”的視覺表達(dá)形式[3]。也可以說，“圖”是用線條、灰度或色彩對(duì)客觀世界或虛擬世界中“形”的視覺表達(dá)[5]。

圖可以分為三類。

（1） 手工繪制的圖（也稱手繪圖）。例如，有工程設(shè)計(jì)草圖、設(shè)計(jì)圖、施工圖、圖標(biāo)、圖案、工藝美術(shù)設(shè)計(jì)圖、廣告圖、繪畫等。

（2） 計(jì)算機(jī)生成的圖（也稱圖形）。是指使用計(jì)算機(jī)建立場(chǎng)景的幾何模型和景物的物理屬性，通過算法和程序在顯示設(shè)備上生成的圖形。其顯示形式有兩種：線畫圖和彩色（或灰度）像素圖，其本質(zhì)是圖像。例如，有工程設(shè)計(jì)圖、施工圖、圖案、數(shù)學(xué)描述的圖、真實(shí)感圖等。

（3） 攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、掃描儀等獲取的圖（也稱圖像）。例如，有照片圖、遙感圖、云圖、海圖、CT掃描圖、工業(yè)品探傷圖等。它們是像素點(diǎn)陣圖，是圖像處理的主要對(duì)象。

習(xí)慣上人們不單獨(dú)說“形”或“圖”，而統(tǒng)稱為圖形，這隱喻“形是圖的根本，圖是形的視覺表現(xiàn)”。因此，一般所說的圖形則是包括了上面所說的三類形與三類圖。

2 兩個(gè)學(xué)科的研究對(duì)象與定義

2.1 研究對(duì)象

（1） 研究對(duì)象的區(qū)別

圖學(xué)學(xué)科的研究對(duì)象從“形”的角度看，包括1.1節(jié)中的全部三類“形”；從“圖”的角度看，包括1.2節(jié)中的第1和第2類“圖”，即手工繪制的圖和由計(jì)算機(jī)生成的圖。但是，工程圖學(xué)由于有“工程”二字，顯然它的研究對(duì)象限定在工程的范圍內(nèi)，即“形”中(2)的人造物體和“圖”中(1)和(2)的工程與產(chǎn)品的圖形，其范圍顯然比圖學(xué)學(xué)科窄了很多。

（2） 圖像處理不是這兩個(gè)學(xué)科的研究?jī)?nèi)容

作為這兩個(gè)學(xué)科研究的圖形雖然在計(jì)算機(jī)上都顯示為圖像，但筆者認(rèn)為，圖像處理不是這兩個(gè)學(xué)科的研究?jī)?nèi)容。理由如下：

圖像處理是以攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、掃描儀等獲取的圖像圖（即像素點(diǎn)陣圖）為輸入，研究圖像去噪、圖像增強(qiáng)、三維圖像重建、模式識(shí)別、圖像壓縮等內(nèi)容，輸出的是經(jīng)過處理后的高質(zhì)量的圖像，或者是從圖像中提取出來的數(shù)據(jù)或幾何模型。而圖學(xué)則是以對(duì)象的幾何模型和物理屬性為依據(jù)，通過數(shù)學(xué)計(jì)算和計(jì)算機(jī)處理，生成圖形并輸出為視覺圖形。由此可見，圖像處理學(xué)科與圖學(xué)學(xué)科互為逆過程。在圖形學(xué)科中不包含圖像處理將有助于劃清圖學(xué)學(xué)科與圖像處理學(xué)科的界限。

事實(shí)上，在學(xué)科分類與代碼體系中，“計(jì)算機(jī)圖像處理”已列為一個(gè)三級(jí)學(xué)科，代碼為520.6040，從屬于代碼為520的一級(jí)學(xué)科“計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)”。

2.2 工程圖學(xué)學(xué)科的定義

迄今為止，工程圖學(xué)學(xué)科沒有形成統(tǒng)一的定義。

丁宇明教授認(rèn)為[1-2]：“工程圖學(xué)是一門主要為工程建設(shè)服務(wù)的應(yīng)用型學(xué)科”。其內(nèi)涵由三部分組成，即幾何理論、工程設(shè)計(jì)制圖和計(jì)算機(jī)技術(shù)。

陳劍南教授在參考文獻(xiàn)[4]的第5章中（由他撰寫）認(rèn)為：“工程圖學(xué)是研究工程形狀的幾何確定與表示的學(xué)科”。其研究對(duì)象是工程圖形，具有兩種屬性，其一是幾何屬性，指形狀、位置、不規(guī)則曲面的確定、運(yùn)動(dòng)變換等；其二是物理屬性，指光、影、色彩等。

唐榮錫教授在參考文獻(xiàn)[3]的前言中認(rèn)為：“工程圖學(xué)是研究“圖”與“形”關(guān)系的學(xué)科，以前是用畫在紙上的圖來唯一表示客觀世界里的各種物體，但是在當(dāng)前，工程圖學(xué)發(fā)展的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了“數(shù)”與“形”的關(guān)系上來，即研究如何用數(shù)字化形式來描述和如何從網(wǎng)上傳輸形體和圖形”。

2005年由工程圖學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)編寫的“工程圖學(xué)學(xué)科（教學(xué)）發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告”（未公開發(fā)表）認(rèn)為：“工程圖學(xué)是研究工程與產(chǎn)品圖形信息表達(dá)、交流與傳遞的學(xué)科”。并指出該定義明確了以下4點(diǎn)：

（1） 明確了工程圖學(xué)的研究對(duì)象是工程與產(chǎn)品的圖形信息；

（2） 明確了工程圖學(xué)的作用是工程與產(chǎn)品圖形信息的表達(dá)、交流與傳遞；

（3） 明確了工程圖學(xué)應(yīng)與信息技術(shù)相結(jié)合，以利于學(xué)科的與時(shí)俱進(jìn)，不斷發(fā)展；

（4） 回答了工程圖學(xué)學(xué)科與工程制圖課程之間的聯(lián)系與區(qū)別。

但在這個(gè)定義中，沒有能夠?qū)D形信息的“交流與傳遞”給出必要的說明。

從以上這些定義中，不難看出有一些觀點(diǎn)是共同的，它們是：

· 工程圖學(xué)學(xué)科的研究對(duì)象是工程與工業(yè)產(chǎn)品類的圖形

· 工程圖學(xué)學(xué)科的研究?jī)?nèi)容是上述對(duì)象的圖形信息表達(dá)與傳輸

· 工程圖學(xué)學(xué)科的研究手段必須采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)

據(jù)此，筆者對(duì)工程圖學(xué)學(xué)科給出了以下定義：

定義1 工程圖學(xué)學(xué)科是以工程與工業(yè)產(chǎn)品類圖形為研究對(duì)象，研究其圖形表達(dá)、數(shù)字化圖形信息生成和圖形信息傳遞的學(xué)科。

在上述定義中，“圖形表達(dá)”既是指在紙介質(zhì)上的工程圖形的表達(dá)方法，也是指在電子介質(zhì)上的工程圖形的二維或三維表達(dá)方法；“數(shù)字化圖形信息生成”是指使用圖形軟件或算法生成各種工程圖形的技術(shù)與方法；“圖形信息傳遞”是指利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)對(duì)工程圖形信息實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換、發(fā)布、傳送和管理的技術(shù)和方法。

2.3 圖學(xué)學(xué)科的定義

首先要說明的是：本文中“圖學(xué)”的稱呼遵循習(xí)慣的叫法，是一種簡(jiǎn)稱。筆者認(rèn)為，精確的稱呼應(yīng)該是“圖形科學(xué)與技術(shù)”。按習(xí)慣，本文中一律用“圖學(xué)”來表述。

不難看出，如果將上述工程圖學(xué)學(xué)科定義中的研究對(duì)象擴(kuò)大為本文2.1節(jié)中所述的圖學(xué)學(xué)科的研究對(duì)象，則可給出圖學(xué)學(xué)科的定義如下：

定義2 圖學(xué)學(xué)科是以客觀真實(shí)世界或虛擬世界中的靜止的或運(yùn)動(dòng)的自然物體、人造物體和某些現(xiàn)象的“形”，以及由手工繪制和計(jì)算機(jī)生成的“圖”為研究對(duì)象，研究其圖形表達(dá)、數(shù)字化圖形信息生成與圖形信息傳遞的學(xué)科。

3 圖學(xué)學(xué)科的體系和分支

文獻(xiàn)檢索表明，關(guān)于工程圖學(xué)學(xué)科體系和內(nèi)容的文獻(xiàn)很少，有代表性的是丁宇明教授的兩篇論文[1-2]，在這兩篇論文中給出了對(duì)工程圖學(xué)學(xué)科體系及分支的一種看法。至于圖學(xué)學(xué)科的體系和內(nèi)容，國內(nèi)外很少有文獻(xiàn)報(bào)道。因此，本節(jié)所述是筆者的一種探索。

按照學(xué)科分類與代碼的思想，圖學(xué)學(xué)科作為一級(jí)學(xué)科，需列出相應(yīng)的二級(jí)和三級(jí)學(xué)科。

3.1 圖學(xué)學(xué)科的學(xué)科交叉

與圖學(xué)緊密相關(guān)的學(xué)科有幾何學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、工程設(shè)計(jì)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)，如圖1所示?？梢哉J(rèn)為圖學(xué)是這些學(xué)科交叉的產(chǎn)物。

3.2 圖學(xué)學(xué)科的體系

圖學(xué)的學(xué)科體系如圖2所示，下部為學(xué)科的基礎(chǔ)，上部為學(xué)科的應(yīng)用。

圖1 圖學(xué)的學(xué)科交叉

圖2 圖學(xué)學(xué)科體系

3.3 圖學(xué)學(xué)科的分支

圖3所示是圖學(xué)學(xué)科的二級(jí)分支，由幾何理論、計(jì)算數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)基礎(chǔ)、圖形設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)圖學(xué)、圖學(xué)應(yīng)用和圖形創(chuàng)意7個(gè)分支組成。

圖3 圖學(xué)學(xué)科的分支

3.4 圖學(xué)學(xué)科各分支的科目

（1） 幾何理論分支的科目

幾何理論分支的科目如圖4所示，包括畫法幾何、多維畫法幾何、解析幾何、射影幾何、微分幾何、計(jì)算幾何、分形幾何、運(yùn)動(dòng)幾何等。

圖4 幾何理論分支的內(nèi)容

（2） 計(jì)算數(shù)學(xué)基礎(chǔ)分支的科目

圖5 是計(jì)算數(shù)學(xué)基礎(chǔ)分支的科目，包括插值與逼近、方程數(shù)值解、數(shù)值代數(shù)等。

圖5 計(jì)算數(shù)學(xué)基礎(chǔ)分支的科目

（3） 計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)基礎(chǔ)分支的科目

圖6是計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)基礎(chǔ)分支的科目，包括計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)、建模技術(shù)、繪制技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、動(dòng)畫技術(shù)、數(shù)字圖像技術(shù)、實(shí)時(shí)圖形技術(shù)、圖形標(biāo)準(zhǔn)等。

（4） 圖形設(shè)計(jì)分支的科目

圖形設(shè)計(jì)包括圖標(biāo)設(shè)計(jì)、廣告設(shè)計(jì)、包裝設(shè)計(jì)、網(wǎng)頁設(shè)計(jì)、封面設(shè)計(jì)、裝飾設(shè)計(jì)、思想和觀點(diǎn)的表達(dá)、圖表設(shè)計(jì)等。

（5） 工程設(shè)計(jì)圖學(xué)分支的科目

工程設(shè)計(jì)圖學(xué)分支的科目如圖7所示，由機(jī)械設(shè)計(jì)制圖、土建設(shè)計(jì)制圖、電氣設(shè)計(jì)制圖、水利水電設(shè)計(jì)制圖、其他設(shè)計(jì)制圖和技術(shù)制圖標(biāo)準(zhǔn)等組成。

圖6 計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)基礎(chǔ)分支的科目

圖7 工程圖學(xué)分支的學(xué)科科目

（6） 圖學(xué)應(yīng)用分支的科目

圖學(xué)應(yīng)用分支的科目比較寬，如圖8所示，包括計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)、科學(xué)計(jì)算與工程信息可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、圖形識(shí)別與三維重建技術(shù)、地理圖形與地理信息系統(tǒng)、圖形圖像融合技術(shù)、現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)、移動(dòng)圖形技術(shù)等。

（7） 圖形創(chuàng)意分支的科目

圖形創(chuàng)意分支的科目體現(xiàn)了圖形技術(shù)的工程化和產(chǎn)業(yè)化，對(duì)現(xiàn)代社會(huì)生活起重大作用。圖9所示是圖形創(chuàng)意分支的部分科目，它們是：藝術(shù)、動(dòng)畫和游戲。

圖8 圖學(xué)應(yīng)用分支的科目

圖9 圖形創(chuàng)意分支的科目

4 工程圖學(xué)學(xué)科的體系和分支

4.1 工程圖學(xué)學(xué)科的體系

工程圖學(xué)的學(xué)科體系如圖 10所示，其學(xué)科的基礎(chǔ)部分與圖學(xué)學(xué)科一樣，其應(yīng)用部分去除圖學(xué)學(xué)科中的“圖形設(shè)計(jì)”和“圖形創(chuàng)意”，保留了“工程設(shè)計(jì)圖學(xué)”，又將原“圖學(xué)應(yīng)用”改為“工程圖學(xué)應(yīng)用”。

圖10 工程圖學(xué)學(xué)科體系

4.2 工程圖學(xué)學(xué)科的分支和科目

根據(jù)圖10，工程圖學(xué)學(xué)科的二級(jí)分支，由幾何理論、計(jì)算數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)基礎(chǔ)、工程設(shè)計(jì)圖學(xué)、工程圖學(xué)應(yīng)用5個(gè)分支組成。前4個(gè)學(xué)科分支的科目與前面所述的相應(yīng)的分支科目完全一樣；第5個(gè)“工程圖學(xué)應(yīng)用”分支的科目見圖11所示，包括計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)、工程信息可視化、工程圖形識(shí)別與三維重建技術(shù)、工程圖學(xué)教學(xué)技術(shù)等。

圖11 工程圖學(xué)應(yīng)用分支的科目

5 結(jié) 論

圖形是工程圖學(xué)學(xué)科與圖學(xué)學(xué)科共同的研究對(duì)象，本文從“形”和“圖”兩個(gè)方面對(duì)圖形進(jìn)行了詳細(xì)的討論，將“形”和“圖”分為三種類型，由此明確了圖學(xué)學(xué)科與工程圖學(xué)學(xué)科在研究對(duì)象上的差別。通過文獻(xiàn)調(diào)查，對(duì)已有的工程圖學(xué)學(xué)科定義和分支構(gòu)成進(jìn)行了綜述與分析。在上述基礎(chǔ)上，給出兩個(gè)學(xué)科的新定義，給出了有7個(gè)分支組成的圖學(xué)學(xué)科體系和由5個(gè)分支組成的工程圖學(xué)學(xué)科體系，并列出了每個(gè)分支的科目。本文內(nèi)容文只是筆者對(duì)兩個(gè)學(xué)科認(rèn)識(shí)，希望引起更多討論與關(guān)注，以利于圖學(xué)的科學(xué)研究和圖學(xué)教育的進(jìn)一步發(fā)展。

[1]丁宇明. 工程圖學(xué)學(xué)科內(nèi)涵及分支探討[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 1998, (1)：84-89.

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Cognition to the Discipline of Engineering Graphics and the Discipline of Graphics

TONG Bing-shu
( Department of Precision Instruments and Mechanology, Tsinghua University, Beijing 100084, China )

Because “graphics” is the research object for both disciplines of “engineering graphics” and “graphics”, so “graphics” is discussed from its two sides of “shapes” and “pictures”in detail. Three kinds of “shapes” and “pictures” are concluded, and then the differences of research objects for both disciplines are pointed out. Through investigating some definitions for both disciplines, the new definitions are presented. Meanwhile the branches and corresponding subjects in each branch are put forward for both disciplines.

engineering graphics; the discipline of graphics; the discipline of engineering graphics; discipline’s definition; discipline’s system; discipline’s branches

TB 23

A

1003-0158(2010)06-0001-06

2009-01-13

童秉樞（1937-），男，江蘇張家港人，教授，主要研究方向?yàn)楣こ虉D學(xué)及CAD技術(shù)。