劉婷婷 張洪艷

［摘要］“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程的教學(xué)和上機(jī)實(shí)踐能使學(xué)生全面地了解計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)軟硬件技術(shù)，掌握?qǐng)D形生成與處理技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)、原理和方法，并培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)解決圖形問(wèn)題的程序設(shè)計(jì)能力。

［關(guān)鍵詞］計(jì)算機(jī)圖形學(xué)遙感專業(yè)教學(xué)改革

［中圖分類號(hào)］G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A［文章編號(hào)］2095-3437（2014）11-0138-02“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”是建立在傳統(tǒng)圖形學(xué)理論、現(xiàn)代數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)等學(xué)科上的一門(mén)新興學(xué)科，并且隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展而不斷拓展。[1]“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”的軟硬件已經(jīng)發(fā)展為一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)，從事該行業(yè)研發(fā)的團(tuán)隊(duì)也日漸龐大，因此“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”已成為計(jì)算機(jī)專業(yè)的必修課。同時(shí)，由于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用范圍廣，也逐漸成為相關(guān)學(xué)科的必修或?qū)I(yè)選修課程。

一、“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程的教學(xué)現(xiàn)狀

“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”內(nèi)容豐富、理論性強(qiáng)、算法體系龐大等特點(diǎn)造成該課程的理論枯燥且方法難懂，[2]在一定程度上影響了學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的積極性和主動(dòng)性。同時(shí)，該課程是一門(mén)理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程，僅重視理論講授而忽略了上機(jī)實(shí)踐，往往容易造成理論與實(shí)踐脫節(jié)。此外，現(xiàn)在大部分圖形生成、變換等的編程都可以利用一些便捷的函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)，如OpenGL、GDAL等，如果不有效利用這些函數(shù)庫(kù)則在一定程度上降低了編程的效率。

針對(duì)遙感專業(yè)的本科學(xué)生開(kāi)設(shè)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”這門(mén)課程，主要希望學(xué)生建立計(jì)算機(jī)圖形與遙感影像之間的聯(lián)系，為“數(shù)字圖像處理”課程等遙感影像處理類課程打基礎(chǔ)。然而，大部分遙感專業(yè)的本科生計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)較差且編程能力較弱，使得對(duì)于“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”的一些方法、算法的理解較片面，理論算法無(wú)法利用編程實(shí)現(xiàn)，“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”與遙感影像的聯(lián)系無(wú)法建立。

通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，針對(duì)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程采用傳統(tǒng)的課堂講授理論，課下讓學(xué)生去做實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式很難達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，急切需要探討新的教學(xué)思路和教學(xué)方法。

二、“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程的教學(xué)改革

（一）教學(xué)內(nèi)容改革

國(guó)內(nèi)大部分教材的編排順序是從底層圖像輸入、顯示等設(shè)備、系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)、交互技術(shù)及用戶接口等內(nèi)容開(kāi)始，然后過(guò)渡至基本圖形生成算法、曲線曲面等圖形繪制方法，最后介紹真實(shí)圖形的處理算法。雖然全書(shū)的知識(shí)結(jié)構(gòu)是由底層至高層的學(xué)習(xí)過(guò)程，但是知識(shí)點(diǎn)相對(duì)獨(dú)立、不連貫，使得學(xué)生無(wú)法清晰地把握課程的總體結(jié)構(gòu)，因此需要對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新組織。以“基本圖形生成算法”一章為例，可利用以下方式進(jìn)行組織講解：

1.空間的三要素是點(diǎn)、線和面，任一直線和面都可由單一的像素點(diǎn)構(gòu)成；

2.直線、圓和橢圓可以通過(guò)掃描轉(zhuǎn)換的方式生成，生成過(guò)程中需要考慮邊寬；

3.多邊形（二維平面）可通過(guò)區(qū)域填充的方式生成，生成過(guò)程中需要考慮各像素的顏色；

4.由于會(huì)受到屏幕、視圖窗口等大小的限制，生成的點(diǎn)、線或者面可能超出邊界范圍，可通過(guò)裁剪的方式優(yōu)化圖形顯示；

5.由于受到顯示器分辨率的限制，使得圖形邊緣發(fā)生鋸齒狀形變，一味地通過(guò)提高顯示器分辨率解決這一問(wèn)題將會(huì)導(dǎo)致硬件的投入無(wú)限制地增加，因此可通過(guò)反走樣這一軟件方式優(yōu)化圖形顯示效果。

（二）教學(xué)方式的探索

為提高教學(xué)質(zhì)量，讓學(xué)生牢固地掌握知識(shí)結(jié)構(gòu)中重要的知識(shí)點(diǎn)，課堂授課必須采用多種形式。

1.多媒體教學(xué)

采用多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合的方式，充分發(fā)揮多媒體的優(yōu)勢(shì)，使得教學(xué)更形象生動(dòng)。例如，展示計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在各行各業(yè)應(yīng)用的圖片，播放基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬校園視頻，使得枯燥的“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”發(fā)展歷程介紹變成生動(dòng)的圖片和影像片段等。

2.對(duì)比式教學(xué)

對(duì)比式教學(xué)即對(duì)解決同一問(wèn)題的不同方法進(jìn)行比較，通過(guò)分析不同方法的異同點(diǎn)，加深學(xué)生對(duì)方法的理解。例如，可以比較Bezier及B樣條曲線曲面的基本概念、性質(zhì)和構(gòu)造公式，并采用圖示的方式比較它們的平滑效果和彎曲程度等。[3]

3.自主式學(xué)習(xí)

本科生已經(jīng)可以在老師的指導(dǎo)下自主地完成一部分學(xué)習(xí)任務(wù)。例如，在詳細(xì)介紹直線的生成算法后，老師和學(xué)生以問(wèn)答的形式完成圓的生成算法學(xué)習(xí)，并鼓勵(lì)學(xué)生課后自學(xué)橢圓的生成算法，下一次課由某位學(xué)生上臺(tái)講解，老師再對(duì)該算法的重要步驟進(jìn)行強(qiáng)調(diào)。通過(guò)自主式學(xué)習(xí)方式，其一能夠提高學(xué)生的自學(xué)能力，其二能夠加深學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解。

4.多學(xué)科相結(jié)合式教學(xué)

“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”和遙感圖形處理研究的內(nèi)容具有很大的差異?！坝?jì)算機(jī)圖形學(xué)”是研究怎樣利用計(jì)算機(jī)生成、處理和實(shí)現(xiàn)圖形的學(xué)科，而遙感影像處理則研究影像的量化、濾波、邊緣提取、特征增強(qiáng)等?！坝?jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程的學(xué)習(xí)如何為“遙感影像處理”等后續(xù)課程的學(xué)習(xí)做鋪墊，已成為開(kāi)設(shè)該課程的目的之一，因此需要在講授時(shí)將兩門(mén)課程的部分內(nèi)容相結(jié)合。以圖形裁剪為例：“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”中圖形裁剪即將超出顯示邊界的部分裁剪，保留顯示邊界內(nèi)的部分；而利用遙感影像進(jìn)行地圖顯示與漫游時(shí)，通常設(shè)置一個(gè)虛擬顯示區(qū)域，該區(qū)域通常比顯示區(qū)域大，主要考慮在影像漫游時(shí)讀取數(shù)據(jù)更快。

（三）上機(jī)實(shí)踐改革

利用OpenGL開(kāi)展“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”的實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生理解圖形學(xué)的相關(guān)知識(shí)、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及提升學(xué)生在圖形圖像方面的程序開(kāi)發(fā)能力都非常有好處。因此，將OpenGL函數(shù)庫(kù)引入“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”的上機(jī)實(shí)踐中，要求所有的上機(jī)實(shí)踐都在安裝了GLUT的Visual C++6.0環(huán)境下進(jìn)行。

由于“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程的上機(jī)實(shí)踐時(shí)間非常有限，不能全面而深入地講解OpenGL的技術(shù)框架及后續(xù)應(yīng)用，需要結(jié)合“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程中的相關(guān)圖形算法進(jìn)行有針對(duì)性的講解與上機(jī)實(shí)踐，具體需要注意以下兩個(gè)方面：

1.合理安排上機(jī)實(shí)踐內(nèi)容及時(shí)間

由于有限的上機(jī)時(shí)間，既不能跳過(guò)OpenGL編程初步又不能壓縮圖形算法的實(shí)踐時(shí)間，需對(duì)上機(jī)實(shí)踐項(xiàng)目做合理安排。

（1）該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：OpenGL的安裝；GLUT框架的使用；基本內(nèi)容講解；DDA、Bresenham 直線生成算法的實(shí)現(xiàn)；中點(diǎn)圓算法的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解OpenGL定義圖形的機(jī)制、GLUT框架的使用方法，驗(yàn)證課本中的DDA、Bresenham 直線生成算法以及中點(diǎn)圓算法并通過(guò)OpenGL GLUT框架的顯示回調(diào)函數(shù)進(jìn)行調(diào)用；

（2）該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：熟悉 OpenGL 中對(duì)顏色的設(shè)置；邊界填充算法的理解與實(shí)現(xiàn)；掃描線填充算法的理解與實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)2意在讓學(xué)生驗(yàn)證邊界填充算法和掃描線填充算法的編碼實(shí)現(xiàn)，通過(guò)逐點(diǎn)顯示區(qū)域填充更直觀地了解填充算法，體會(huì)填充算法的思想；

（3）該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：掌握 OpenGL 下的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放變換方法及組合變換；梁友棟-Barskey 線段裁減算法的實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)3意在讓學(xué)生驗(yàn)證平移、旋轉(zhuǎn)、縮放變換的原理，學(xué)習(xí) OpenGL 下的幾何變換函數(shù)glTranslate、glRotate和glScale等，然后驗(yàn)證梁友棟-Barskey 線段裁減算法并介紹OpenGL 中的裁剪窗口函數(shù)gluOrtho2D 與視區(qū)函數(shù) glViewport。

2.靈活調(diào)整學(xué)生上機(jī)實(shí)踐的難易

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程中有很多經(jīng)典算法，通過(guò)上機(jī)實(shí)踐能夠促進(jìn)學(xué)生理解算法的原理、累計(jì)圖形編程的技巧。[4]但是，冗長(zhǎng)的算法代碼、復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使得學(xué)生很難獨(dú)立地在有限的上機(jī)實(shí)踐時(shí)間中完成，如果學(xué)生畢業(yè)后從事“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”方面的軟件開(kāi)發(fā)等工作，也不再利用這類底層算法而是建立在高層API基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)。因此，可針對(duì)學(xué)生個(gè)人編程能力的差異，靈活地調(diào)整實(shí)踐內(nèi)容的難易程度，或者給出一個(gè)不完整的錯(cuò)誤程序讓學(xué)生進(jìn)行補(bǔ)充修改，提高他們的個(gè)人能力及主觀積極性。

三、結(jié)語(yǔ)

“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程的改革是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，改革實(shí)踐交替向前的過(guò)程。新技術(shù)的產(chǎn)生、交叉學(xué)科的發(fā)展等都將促進(jìn)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程的教學(xué)向著全新的方向發(fā)展。同時(shí)，教師也應(yīng)充分發(fā)揮自身的創(chuàng)造性，通過(guò)教學(xué)不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行突破創(chuàng)新，不斷地激發(fā)學(xué)生的潛能，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。

［參考文獻(xiàn)］

［1］段江.“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”教改研究與實(shí)踐［J］.計(jì)算機(jī)教育,2008（13）:80-82.

［2］張玉新,張?jiān)虑?卜治國(guó),等.“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”算法可視化教學(xué)研究與實(shí)現(xiàn)［J］. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（農(nóng)林教育版）,2009（11）:236-239.

［3］周芳芳,趙穎.高校“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”教學(xué)改革探索［J］.科技信息,2008（15）:11-14.

［4］袁國(guó)武,徐丹,趙楊.“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程改革經(jīng)驗(yàn)與探索［J］.教改縱橫, 2009（15）:29-32.

［責(zé)任編輯：鐘嵐］