計(jì)算機(jī)圖形學(xué)“體驗(yàn)式”教學(xué)體系的研究與實(shí)踐

摘 要： 針對計(jì)算機(jī)圖形學(xué)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在的問題，提出“體驗(yàn)式”教學(xué)改革新思路。新思路提出“編程實(shí)踐”、“圖形軟件應(yīng)用”和“理論學(xué)習(xí)”相結(jié)合的教學(xué)改進(jìn)方法，對實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重新作出設(shè)置與安排，最終構(gòu)建一個(gè)完整的圖形學(xué)“體驗(yàn)式”教學(xué)體系。實(shí)踐表明，該教學(xué)體系的應(yīng)用能較好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)和提高學(xué)生實(shí)踐操作能力。

關(guān)鍵詞： 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革； 體驗(yàn)式教學(xué)體系； 實(shí)踐操作能力

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2013）11-63-03

0 引言

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域中一門重要的學(xué)科，同時(shí)也是建立在傳統(tǒng)的圖學(xué)理論、應(yīng)用數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)上的一門綜合性交叉學(xué)科[1]。它利用計(jì)算機(jī)處理圖形信息（如圖形信息的表示、輸入輸出與顯示、圖形的幾何變換及人機(jī)交互繪圖等）[2]。在過去的幾十年里，圖形學(xué)在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫藝術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。作為實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新型人才過程中起著十分重要的作用?；诮陙碓趫D形學(xué)領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)的巨大變化及本?！皯?yīng)用型人才培養(yǎng)”模式[3-4]的確立，有必要對當(dāng)前的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程采取進(jìn)一步的改革措施，提升這門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)況分析

圖形學(xué)是一門實(shí)踐應(yīng)用型學(xué)科，雖然它的知識(shí)內(nèi)容相對于其他計(jì)算機(jī)專業(yè)課程而言比較難以理解，但其概念、邏輯關(guān)系等基本上源于對現(xiàn)實(shí)世界的抽象，在現(xiàn)實(shí)世界里都能比較容易地找到與之相對應(yīng)的原型[5]。熟練掌握圖形學(xué)技術(shù)能夠使用戶制作出令人賞心悅目的圖形效果。目前的圖形學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程還存在一些問題。

僅從算法驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的角度來組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)問題。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一門建立在算法基礎(chǔ)上的學(xué)科，掌握必要的算法知識(shí)是深入學(xué)習(xí)圖形學(xué)不可或缺的條件。所以，很多教師會(huì)選擇僅僅從算法編程驗(yàn)證的角度來組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)。這些算法的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)在一定程度上鍛煉了學(xué)生的編程能力，但對學(xué)生創(chuàng)新性思維的培養(yǎng)及解決實(shí)際問題的能力培養(yǎng)沒有顯著的成效。同時(shí)，對于數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)的學(xué)生而言，過分強(qiáng)調(diào)算法理論會(huì)影響學(xué)生學(xué)習(xí)圖形學(xué)的興趣和信心，這樣勢必會(huì)影響到最終的教學(xué)效果。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)脫離圖形學(xué)的實(shí)際應(yīng)用背景也是一個(gè)問題。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，很多教師沒有考慮到項(xiàng)目設(shè)置的實(shí)際應(yīng)用背景，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中，只會(huì)根據(jù)教師的要求，對一些關(guān)鍵算法進(jìn)行簡單的編程驗(yàn)證，教師沒有引導(dǎo)學(xué)生將所掌握的基本理論知識(shí)與相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域建立起聯(lián)系，這一做法極大地降低了實(shí)驗(yàn)課程對學(xué)生的吸引力，長此以往便會(huì)在學(xué)生心中形成圖形學(xué)“學(xué)為何用”的疑問。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的學(xué)習(xí)目標(biāo)是讓學(xué)生掌握及應(yīng)用本課程相關(guān)的算法技術(shù)來解決實(shí)際問題，但在以往的教學(xué)過程中我們發(fā)現(xiàn)，由于圖形學(xué)中的大部分算法技術(shù)描述比較抽象，理解難度較大，學(xué)生常常會(huì)產(chǎn)生畏難情緒。出于對以上因素的考慮，我們曾嘗試以“實(shí)踐引導(dǎo)理論”的方法來組織教學(xué)。譬如，在講解“紋理貼圖”這一理論知識(shí)點(diǎn)之前，首先在實(shí)驗(yàn)課堂上給學(xué)生演示在圖形軟件產(chǎn)品3D Max中如何調(diào)用紋理貼圖命令實(shí)現(xiàn)貼圖效果，同時(shí)讓學(xué)生觀察不同參數(shù)設(shè)置下的紋理映射效果，在此過程中，學(xué)生會(huì)產(chǎn)生如“各項(xiàng)參數(shù)具備什么作用”等疑問。接下來，教師繼續(xù)讓學(xué)生使用微軟圖形庫OpenGL結(jié)合Visual C++ 6.0[6]編程實(shí)現(xiàn)預(yù)定的紋理貼圖效果，再提出相同的疑問。帶著這些疑問，教師在課堂上為學(xué)生講解圖形學(xué)中“紋理映射”這一理論知識(shí)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生回到理論學(xué)習(xí)階段。

我們將以上方法總結(jié)為“編程實(shí)踐”、“圖形軟件應(yīng)用”和“理論學(xué)習(xí)”三結(jié)合法。三結(jié)合法中的“編程實(shí)踐”摒棄了傳統(tǒng)的“算法驗(yàn)證”環(huán)節(jié)，讓學(xué)生通過調(diào)用及組織OpenGL中的“圖形命令”實(shí)現(xiàn)預(yù)定的真實(shí)感圖形效果，使得學(xué)生直接面向可視化的算法結(jié)果，這一舉措讓學(xué)生從繁瑣低效的算法編程中徹底擺脫出來。此外，要求學(xué)生對三維動(dòng)畫及其制作軟件3D Max有基本的了解。由于三維動(dòng)畫的制作流程涉及了圖形學(xué)幾乎所有算法技術(shù)，而3D Max作為其基本實(shí)現(xiàn)工具實(shí)際上就是圖形學(xué)技術(shù)的軟件產(chǎn)品，它所包含的所有函數(shù)命令都是根據(jù)圖形學(xué)算法技術(shù)編寫而成的。學(xué)生通過調(diào)用3D Max中的諸多命令實(shí)現(xiàn)各種具備真實(shí)感的三維場景，這一過程讓學(xué)生直觀地了解到圖形學(xué)中抽象復(fù)雜的算法在實(shí)際生活中的應(yīng)用。

為了更好地將上述方法落實(shí)到教學(xué)過程中去，我們將三結(jié)合法中的“編程實(shí)踐”、“圖形軟件應(yīng)用”提取出來，并從實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置等方面對其進(jìn)行補(bǔ)充和完善，最終形成了一個(gè)完整的圖形學(xué)“體驗(yàn)式”教學(xué)體系。實(shí)踐證明通過該體系，學(xué)生可以真正地將理論和實(shí)踐融合到一起，極大地提高了學(xué)習(xí)興趣及學(xué)習(xí)效率。

3 “體驗(yàn)式”教學(xué)體系設(shè)置

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置

一個(gè)完善的圖形學(xué)“體驗(yàn)式”教學(xué)體系主要包括三個(gè)方面：OpenGL編程實(shí)踐、圖形軟件3D Max應(yīng)用及OpenGL結(jié)合3D Max實(shí)現(xiàn)三維交互技術(shù)。為了同時(shí)滿足以上三方面教學(xué)內(nèi)容的要求，我們在傳統(tǒng)的Visual C++ 6.0開發(fā)環(huán)境下引入了OpenGL[7]，所有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都是在安裝了GLUT的Visual C++ 6.0的環(huán)境下進(jìn)行。同時(shí)，每一臺(tái)學(xué)生機(jī)上也要安裝配置好3D Max應(yīng)用程序。

此外，為了方便指導(dǎo)學(xué)生完成3D Max應(yīng)用環(huán)節(jié)及三維交互技術(shù)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在教學(xué)安排上應(yīng)當(dāng)把計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和三維動(dòng)畫制作兩門課程放在同一學(xué)期內(nèi)，以便將三維動(dòng)畫制作課程中的部分授課環(huán)節(jié)納入到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中。這一舉措也順應(yīng)了近年來本校所一貫提倡的應(yīng)用型“課程整合”[8]大趨勢。

3.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)置

“體驗(yàn)式”教學(xué)體系的實(shí)踐過程包含以下三個(gè)環(huán)節(jié)：使用OpenGL基本圖形命令繪制及顯示圖形；使用3D Max基本圖形命令實(shí)現(xiàn)形體的三維建模；OpenGL結(jié)合3D Max實(shí)現(xiàn)三維仿真。

3.2.1 使用OpenGL基本圖形命令繪制及顯示圖形

采用OpenGL結(jié)合Visual C++ 6.0實(shí)現(xiàn)簡單圖形的繪制、變換及真實(shí)感顯示等功能，這一環(huán)節(jié)的設(shè)置讓學(xué)生從繁瑣的圖形學(xué)算法編程中擺脫出來，更多的接觸實(shí)際開發(fā)過程所使用的工具與開發(fā)環(huán)境。

3.2.2 使用3D Max基本圖形命令實(shí)現(xiàn)形體的三維建模

通過調(diào)用3D Max圖形命令來完成復(fù)雜模型（如三維場景中人物模型、動(dòng)物模型及器物模型）的真實(shí)感顯示，使學(xué)生直接面向圖形學(xué)的實(shí)際應(yīng)用過程。

3.2.3 OpenGL結(jié)合3D Max實(shí)現(xiàn)三維仿真

以圖形學(xué)軟件產(chǎn)品3D Max作為建模工具，結(jié)合OpenGL交互技術(shù)，完成自選課題。通過本環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以從更高層次上體驗(yàn)圖形學(xué)的實(shí)際應(yīng)用背景。

3.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置

根據(jù)如上實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在“體驗(yàn)式”教學(xué)模式下，我們將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為驗(yàn)證應(yīng)用型、提高應(yīng)用型及綜合設(shè)計(jì)型三個(gè)層次，下面結(jié)合實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)分別詳細(xì)介紹以上三種類型下的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分布。

3.3.1 驗(yàn)證應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程包含了多種算法原理的講解，針對復(fù)雜繁瑣的算法原理，我們摒棄了傳統(tǒng)的算法編程驗(yàn)證環(huán)節(jié)，直接讓學(xué)生使用OpenGL基本圖形命令實(shí)現(xiàn)基本圖元及組合圖元的繪制、圖元的幾何變換、圖形的真實(shí)感效果顯示等功能。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的算法技術(shù)主要涵蓋造型技術(shù)、變換技術(shù)、真實(shí)感圖形技術(shù)三個(gè)方面。結(jié)合圖形學(xué)算法技術(shù)內(nèi)容分布情況，我們將驗(yàn)證應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作如下設(shè)置。

⑴ 使用OpenGL圖形命令實(shí)現(xiàn)基本圖形的繪制。

⑵ 使用OpenGL圖形變換命令實(shí)現(xiàn)基本圖形的幾何變換及組合圖形的繪制。

⑶ 使用OpenGL顏色命令為圖形著色。

⑷ 使用OpenGL光照命令為圖形添加光照效果。

⑸ 使用OpenGL紋理映射命令為圖形添加紋理貼圖效果。

⑹ 使用OpenGL曲線、曲面函數(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的繪制。

⑺ 使用OpenGL實(shí)現(xiàn)形體隱藏面的消除。

⑻ 使用OpenGL實(shí)現(xiàn)圖形的融合、反走樣、霧化效果。

通過以上實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生可以直接面向可視化的算法技術(shù)成果，加深了他們對于圖形學(xué)實(shí)際應(yīng)用過程的認(rèn)識(shí)與體驗(yàn)。需要注意的是，在進(jìn)行以上實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之前，教師應(yīng)當(dāng)用2課時(shí)時(shí)間介紹OpenGL應(yīng)用概述，并指導(dǎo)學(xué)生完成Windows程序框架下OpenGL實(shí)驗(yàn)框架的搭建。

3.3.2 提高應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)

三維動(dòng)畫作為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，它的制作過程幾乎沿用了圖形學(xué)中所有的算法技術(shù)。作為目前比較前沿的計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用領(lǐng)域，三維動(dòng)畫成功的推出了許多優(yōu)秀的制作軟件（如3D Max、Alias、SOFTIMAGE等）。其中AUTODESK公司的3D Max以其著色速度快、色彩豐富等優(yōu)點(diǎn)得到廣大用戶的青睞。作為一種軟件產(chǎn)品，3D Max將動(dòng)畫制作過程中所要用到的功能進(jìn)行了分門別類的整理，其應(yīng)用程序中的每一條命令基本上都對應(yīng)了圖形學(xué)中的某一特定的算法技術(shù)。所以，可以通過調(diào)用3D Max圖形命令來完成復(fù)雜模型（如三維場景中人物模型、動(dòng)物模型及器物模型）的真實(shí)感顯示，使學(xué)生直接面向圖形學(xué)的實(shí)際應(yīng)用背景。出于以上因素的考慮，在“體驗(yàn)式”教學(xué)體系中，我們?yōu)樘岣邞?yīng)用型實(shí)驗(yàn)設(shè)置了如下內(nèi)容。

⑴ 使用3D Max繪制角色模型（包括人物模型、動(dòng)物模型）、器物模型及場景。

⑵ 在三維場景中實(shí)現(xiàn)角色及器物的顏色設(shè)置或幾何變換（平移、變比、旋轉(zhuǎn)、錯(cuò)切等）。

⑶ 為角色或器物表面定義材質(zhì)（如透明度、反光度及粗糙程度等），并為其添加紋理貼圖效果，形成具備真實(shí)感的表面細(xì)節(jié)和結(jié)構(gòu)。

⑷ 依照攝影原理，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部設(shè)置虛擬攝影機(jī)，調(diào)整鏡頭、“打上”光照，最終形成生動(dòng)逼真的場景畫面。

由于應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要涉及到三維動(dòng)畫制作及3D Max軟件的使用，結(jié)合當(dāng)前本校正在進(jìn)行的“課程整合”的需要，我們將圖形學(xué)實(shí)驗(yàn)構(gòu)成中的“提高應(yīng)用型”實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)納入到三維動(dòng)畫制作的部分實(shí)踐課程中去。這樣的融合一方面讓學(xué)生體驗(yàn)到圖形學(xué)算法技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用性，另一方面可以讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)課程之間存在的緊密聯(lián)系，為后續(xù)的專業(yè)課程學(xué)習(xí)增添信心。

3.3.3 綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)

雖然在OpenGL中容易實(shí)現(xiàn)各種圖形的變換、著色、光照、紋理等效果，但OpenGL只能繪制基本的圖形元素。盡管我們可以通過對這些基本圖形元素進(jìn)行組合變換得到較為復(fù)雜的圖形，但這樣的圖形繪制過程比較繁瑣，效果也差強(qiáng)人意。而3D Max作為一種比較前沿的圖形建模及動(dòng)畫制作軟件，方便建立各種復(fù)雜模型。在交互技術(shù)方面，雖然3D Max具備高質(zhì)量的建模效果，但是它沒有交互性，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。而OpenGL作為一個(gè)三維工具軟件包，在三維交互編程等方面提供了比較完善的機(jī)制。用戶可以通過OpenGL較容易地利用鼠標(biāo)、鍵盤進(jìn)行交互。

綜上所述，綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)可以選擇3D Max作為建模工具，結(jié)合OpenGL交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維仿真[9-10]。在“體驗(yàn)式”教學(xué)體系的實(shí)踐過程中，為了讓學(xué)生更快更好地完成自選課題，我們首先為學(xué)生設(shè)計(jì)了一項(xiàng)仿真示例“飛機(jī)模型的實(shí)時(shí)控制”。以下介紹具體過程。

⑴ 用3D Max建立飛機(jī)模型，本步驟要求實(shí)現(xiàn)飛機(jī)模型的基本造型及真實(shí)感效果。

⑵ 利用View 3ds將3D Max格式的三維模型轉(zhuǎn)換成OpenGL格式。

⑶ 在Visual C++ 6.0開發(fā)環(huán)境中，建立一個(gè)基于MFC的單文檔應(yīng)用程序，通過添加OpenGL相關(guān)庫、修改View類頭文件、添加View類消息函數(shù)等操作將飛機(jī)模型加載到OpenGL三維環(huán)境中。

⑷ 在三維環(huán)境中通過調(diào)用OpenGL相關(guān)命令調(diào)整飛機(jī)模型的尺寸、顯示角度等。

⑸ 當(dāng)飛機(jī)模型在OpenGL三維環(huán)境中按照預(yù)定效果正常顯示后，便可以通過鍵盤、鼠標(biāo)或者定時(shí)器實(shí)現(xiàn)飛機(jī)模型的實(shí)時(shí)控制。

按照以上步驟實(shí)現(xiàn)的飛機(jī)仿真系統(tǒng)，其結(jié)果分別如圖1（a）、圖1（b）所示。其中，天空是利用OpenGL中的貼圖方法加載到三維環(huán)境中去的，其動(dòng)畫效果通過紋理控制來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，通過鍵盤上的方向鍵可以實(shí)時(shí)控制飛機(jī)的飛行方向和飛行角度。

綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)采用“大案例”，讓學(xué)生獨(dú)立完成課題選定、素材搜集、內(nèi)容設(shè)計(jì)等工作，其過程涉及到OpenGL和3D Max兩方面技術(shù)的綜合運(yùn)用。目前，本校數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)正著力于“媒體類課程整合”工作，因此我們將圖形學(xué)的綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)納入到“綜合課程設(shè)計(jì)”的環(huán)節(jié)中，即：將圖形學(xué)課程設(shè)計(jì)與三維動(dòng)畫課程設(shè)計(jì)融為一體，讓學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中充分體驗(yàn)圖形學(xué)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的非凡魅力。

以上便是“體驗(yàn)式”教學(xué)體系中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的詳細(xì)介紹。在實(shí)際教學(xué)過程中，我們還將根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，適時(shí)對內(nèi)容作出新的調(diào)整。

4 結(jié)束語

針對計(jì)算機(jī)圖形學(xué)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法中普遍存在的問題，立足于“應(yīng)用型人才培養(yǎng)”模式，著力構(gòu)建一個(gè)圖形學(xué)“體驗(yàn)式”教學(xué)體系。為了滿足新的教學(xué)體系中“編程實(shí)踐”、“圖形軟件應(yīng)用”和“理論學(xué)習(xí)”三結(jié)合方法的需求，對實(shí)驗(yàn)的環(huán)境、環(huán)節(jié)及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重新作出設(shè)置與安排，最終構(gòu)建了一個(gè)完整的和完善的圖形學(xué)“體驗(yàn)式”教學(xué)體系。實(shí)踐表明，該體系的實(shí)施對加深課程理解、培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和提高教學(xué)質(zhì)量有著顯著的成效。在接下來的教學(xué)過程中，我們將繼續(xù)對“體驗(yàn)式”教學(xué)體系作進(jìn)一步的完善，在原有的圖形學(xué)實(shí)踐過程中，盡可能多地納入其他相關(guān)媒體技術(shù)類課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生在課程整合的過程中體會(huì)學(xué)為其用。

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