鐘若武 王惠平

摘要：計(jì)算機(jī)動(dòng)畫是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的熱門話題之一。三維圖形是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的核心技術(shù)。OpenGL作為各種計(jì)算機(jī)環(huán)境的三維應(yīng)用程序接口，可以更好地實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)畫編程。就我校結(jié)合OpenGL的《三維動(dòng)畫編程》課程的建設(shè)探索情況做了介紹，主要包括教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等各個(gè)方面。

關(guān)鍵詞：OpenGL；動(dòng)畫；編程；計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）28-0117-02

Exploration and Construction of 3D Animation Programming Combined with OpenGL

ZHONG Ruo-wu， WANG Hui-ping

（School of Information Science and Engineering， Shaoguan University， Shaoguan 512005， China）

Abstract： Computer animation is one of the hot topics of computer graphics. 3D graphics is the core technology of computer animation. OpenGL can realize 3D animation programming well as it is 3D API suitable for every kinds of computer environments. This article introduced the exploration and construction of 3D Animation Programming combined with OpenGL. It covered the teaching goal， teaching content， teaching modern， lab content， etc.

Key words： OpenGL； animation； programming； computer graphics； teaching

1 引言

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展最活躍、應(yīng)用最廣泛的分支之一[1]?？茖W(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、虛擬現(xiàn)實(shí)是近年來計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的三大熱門話題，而三維圖形是這三大熱門話題的核心技術(shù)[2]。當(dāng)前三維圖形在醫(yī)學(xué)、軍事、航空、航天、地質(zhì)勘探、藝術(shù)造型和文化娛樂等方面有著十分廣泛的應(yīng)用。

1992年，OpenGL正式成為各種計(jì)算機(jī)環(huán)境下的三維應(yīng)用程序接口。它具有使用簡(jiǎn)便、高效率、穩(wěn)定可靠、性能高、可擴(kuò)展移植、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，是唯一真正開放、獨(dú)立于供應(yīng)商、跨平臺(tái)的圖形開發(fā)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是圖形開發(fā)工作者必須掌握的開發(fā)工具[3]。而OpenGL圖形系統(tǒng)是指一個(gè)豐富的三維圖形函數(shù)庫(kù)，是圖形系統(tǒng)中的一個(gè)軟件接口，允許程序開發(fā)者創(chuàng)建一個(gè)交互性的程序，從而能夠產(chǎn)生三維移動(dòng)的物體的彩色圖像。它除了具有基本的OpenGL 函數(shù)以外，還能夠支持OpenGL實(shí)用庫(kù)、OpenGL輔助庫(kù)、Windows專用庫(kù)函數(shù)、Win32 API 函數(shù)等其他四類函數(shù)。它還可以有雙緩存的功能，主要應(yīng)用于制作動(dòng)畫[4]。

我校結(jié)合時(shí)代發(fā)展開設(shè)了《三維動(dòng)畫編程》這門課。本文介紹了我校結(jié)合OpenGL的《三維動(dòng)畫編程》課程的建設(shè)探索情況。

2 當(dāng)前課程現(xiàn)狀

我校計(jì)算機(jī)專業(yè)在大三上學(xué)期開設(shè)《三維動(dòng)畫編程》。該門課程是專業(yè)選修課，共計(jì)54學(xué)時(shí)，其中理論課40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課14學(xué)時(shí)。該門課程的內(nèi)容涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和編程知識(shí)，對(duì)學(xué)生前期的知識(shí)儲(chǔ)備和編程技能要求較高。由于課程屬于動(dòng)畫方面，學(xué)生普遍對(duì)該門課程具有濃厚的興趣。

3 結(jié)合OpenGL的三維動(dòng)畫編程課程建設(shè)思路

3.1 明確教學(xué)目標(biāo)

對(duì)于本門課程的建設(shè)，首先要明確教學(xué)目標(biāo)。經(jīng)過筆者深入思考與調(diào)研，確定本門課的教學(xué)目標(biāo)如下：

（1）知道《三維動(dòng)畫編程》這門課程的性質(zhì)、地位和價(jià)值。了解OpenGL的研究范圍、基本框架、研究方法和未來發(fā)展方向。

（2）學(xué)會(huì)用C語言調(diào)用OpenGL函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)畫的生成。

（3）掌握使用OpenGL繪制基本圖形、三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、顏色光照材質(zhì)、紋理映射、動(dòng)畫生成。

（4）了解OpenGL的使用圖形技巧，例如曲線的生成，特殊效果混合、霧化、抗鋸齒，片段測(cè)試。

（5）通過本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)達(dá)到用編程方法去實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)畫的效果。

3.2 設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容

理論教學(xué)內(nèi)容分為以下8講：

第1講為3D圖形學(xué)基本原理，主要介紹計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本原理、OpenGL的發(fā)展歷史，OpenGL的特點(diǎn)功能，OpenGL的操作步驟，課時(shí)為2學(xué)時(shí)。

第2講為OpenGL的空間繪制幾何物體，主要介紹繪制幾何點(diǎn)、繪制3D直線、繪制3D三角形、繪制其他多邊形、創(chuàng)建實(shí)心物體、法線向量，課時(shí)為6學(xué)時(shí)。

第3講為OpenGL坐標(biāo)變換，主要介紹視點(diǎn)變換、模型變換、投影變換、視口變換、裁剪變換、矩陣堆棧操作、顯示列表，課時(shí)為8學(xué)時(shí)。

第4講為OpenGL光照材質(zhì)的使用，主要介紹顏色的使用、光照的使用、材質(zhì)的使用，課時(shí)為8學(xué)時(shí)。

第5講為紋理貼圖，主要介紹位圖和圖像、紋理映射，課時(shí)為6學(xué)時(shí)。

第6講為特殊效果，主要介紹混合、霧化、抗鋸齒，課時(shí)為4學(xué)時(shí)。

第7講為曲線和曲面的繪制，主要介紹二維曲線的繪制、三維曲線的繪制、二維曲面的繪制、三維曲面的繪制、NURBS曲線和曲面的繪制、二次幾何體的繪制，課時(shí)為4學(xué)時(shí)。

第8講為片段測(cè)試，主要介紹裁剪測(cè)試、Alpha測(cè)試、模板測(cè)試、深度檢測(cè)，課時(shí)為2學(xué)時(shí)。

本門課程注重理論和實(shí)際相結(jié)合，在每一章的講解過程中精選案例，進(jìn)行案例教學(xué)。在每一章講完理論后，緊接著介紹如何采用OpenGL 進(jìn)行具體編程，使學(xué)生可以利用所學(xué)知識(shí)做出自己的圖形，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與編程能力。

3.3 確定教學(xué)模式

在教學(xué)模式選擇上，結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，筆者采用控制臺(tái)應(yīng)用程序結(jié)合OpenGL模式。這種模式較為簡(jiǎn)單。教師教學(xué)準(zhǔn)備方便，學(xué)生在掌握基本C語言編程知識(shí)和OpenGL實(shí)用程序工具包GLUT的窗口管理方法基礎(chǔ)上，可集中精力學(xué)習(xí)OpenGL的圖形繪制技術(shù)。學(xué)生學(xué)習(xí)理解容易、上手快，數(shù)學(xué)效果明顯。

VC++里采用控制臺(tái)應(yīng)用程序結(jié)合OpenGL的圖形編程模式實(shí)際上是一種用C語言調(diào)用OpenGL函數(shù)的面向過程的編程框架，其程序的基本結(jié)構(gòu)是定義窗口、清理窗口、繪制物體和結(jié)束運(yùn)行。

其基本步驟如下：

（1）定義窗口。

（2）清理窗口。

（3）繪制物體。

（4）結(jié)束運(yùn)行。

3.4 設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

《三維動(dòng)畫編程》是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。為了使學(xué)生能學(xué)以致用，真正掌握目前應(yīng)用廣泛的三維動(dòng)畫技術(shù)，做到與時(shí)俱進(jìn)，除了理論教學(xué)外，必須輔以足夠的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，著重培養(yǎng)學(xué)生的編程實(shí)現(xiàn)能力，使得學(xué)生學(xué)習(xí)該課程后能夠利用OpenGL進(jìn)行具體的三維圖形編程。筆者結(jié)合教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，對(duì)本門課做了實(shí)驗(yàn)設(shè)置。表1 所示的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置方案，不僅要求學(xué)生掌握基本算法，更注重學(xué)生能力的培養(yǎng)，包括學(xué)習(xí)應(yīng)用新技術(shù)的能力、綜合編程能力、分析問題的能力、解決問題的能力以及創(chuàng)新能力。在實(shí)驗(yàn)過程中注意控制實(shí)例的難易程度，讓學(xué)生直觀、輕松地理解每種模型的思路、效果，進(jìn)而領(lǐng)會(huì)對(duì)應(yīng)的編程算法[5]。

4 結(jié)論

本文介紹了我校結(jié)合OpenGL的《三維動(dòng)畫編程》課程的建設(shè)探索情況。本課程的教學(xué)目標(biāo)是既要講透基本原理，又能適當(dāng)融合當(dāng)前三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的最新發(fā)展，并結(jié)合具體實(shí)踐開展案例教學(xué)。本著這一目標(biāo)，我們?cè)O(shè)計(jì)了課程的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，確定了教學(xué)模式，希望學(xué)生學(xué)習(xí)完課程后能夠?qū)W到最新的三維動(dòng)畫技術(shù)，并能進(jìn)行具體的動(dòng)畫編程。

參考文獻(xiàn)：

[1]廖寧.泛在學(xué)習(xí)下獨(dú)立學(xué)院《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》混合式教學(xué)構(gòu)建源[J].高教學(xué)刊，2018（14）：127-128.

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[4]張燦.基于OpenGL實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)改革研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2012（8）：7826-7827.

[5]劉宇，王瑜蕾.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)選修課實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2018（6）：91-93.

【通聯(lián)編輯：王力】