計算機圖形學(xué)與圖像處理的融合課程方案

郭曉新

（吉林大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130012）

0 引 言

融合課程指將有關(guān)的教學(xué)科目合并起來成為一門新的教學(xué)科目的一種課程設(shè)計。計算機圖形學(xué)建立在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)之上,是一門內(nèi)容廣泛、實用性強、理論扎實的學(xué)科,它主要研究各種圖形數(shù)據(jù)表示算法及其相關(guān)理論。計算機圖形學(xué)在物理、工程、建筑學(xué)等很多領(lǐng)域內(nèi)得到應(yīng)用[1-3]。圖像處理是研究如何用計算機對圖像進(jìn)行分析,以達(dá)到所需結(jié)果的研究領(lǐng)域。計算機圖形學(xué)和圖像處理是密切相關(guān)的兩門課程,二者之間存在重疊領(lǐng)域。計算機圖形學(xué)和圖像處理是從事相關(guān)工作人員需要學(xué)習(xí)的兩門專業(yè)課程,掌握計算機圖形學(xué)與圖像處理的基本理論、算法及相應(yīng)的程序設(shè)計方法與技術(shù),并在此基礎(chǔ)上開展研究或開發(fā)工作,是對相關(guān)從業(yè)人員基本知識和能力的要求。

1 相關(guān)課程的關(guān)系

課程融合是學(xué)科發(fā)展趨勢。計算機圖形學(xué)與圖像處理這兩門課程之間存在相關(guān)性。研究計算機圖形學(xué)與其他相關(guān)課程之間的關(guān)系具有實際意義。計算機圖形學(xué)課程除了圖形學(xué)內(nèi)容之外,也涉及圖像合成等與圖像處理相關(guān)的內(nèi)容。計算機圖形學(xué)與圖像處理具有一些共同點和相似的內(nèi)容,兩者的密切關(guān)系為課程融合奠定了基礎(chǔ)[4-6]。表1列出了計算機圖形學(xué)與圖像處理之間的相關(guān)主題。表2列出了計算機圖形學(xué)或圖像處理研究方向的前沿問題。計算機圖形學(xué)和圖像處理兩者共同的前沿問題包括陰影和投影、小波方法、紋理分析與合成、圖像三維重建等。這些前沿問題的研究同樣依賴于計算機圖形學(xué)或圖像處理這兩個研究方向的融合,這也再次印證了融合課程的內(nèi)在合理性。

2 融合課程的優(yōu)勢

計算機圖形學(xué)和圖像處理結(jié)合起來形成融合課程比各自開設(shè)單獨課程具有優(yōu)勢,這些優(yōu)勢分別從教學(xué)資源整合和綜合素質(zhì)提高兩個方面得以體現(xiàn)。一方面,在課時數(shù)不斷削減的背景下,融合后的課程可避免課程內(nèi)容的重復(fù)講授以及課時和教學(xué)資源的浪費。另一方面, 融合課程內(nèi)容之間的理論關(guān)系需要較強的相關(guān)背景知識,這對教師的專業(yè)性和綜合性的理論知識和業(yè)務(wù)能力提出了更高的要求。融合課程方案能夠促進(jìn)教師進(jìn)一步提升自身對課程內(nèi)容的理解能力和把握能力,能夠從更高層次、從宏觀整體的角度來考慮課程內(nèi)容的安排與設(shè)置,能夠更系統(tǒng)完整地理順計算機圖形學(xué)和圖像處理之間的相互關(guān)系和區(qū)別。同時,計算機圖形學(xué)和圖像處理融合課程可以為學(xué)生提供解決實際應(yīng)用問題所需的綜合處理能力。很多應(yīng)用并非局限于單一的圖形或圖像處理,而是需要學(xué)生具有綜合性的圖形圖像處理能力。計算機圖形學(xué)和圖像處理的基本素質(zhì)對于程序員和圖形圖像設(shè)計人員來說都是至關(guān)重要的。單一課程教學(xué)模式無法全面培養(yǎng)學(xué)生實踐所需的綜合應(yīng)用能力。開展課程融合可以使學(xué)生能夠全面了解和掌握課程內(nèi)在聯(lián)系,使學(xué)生了解計算機圖形學(xué)和圖像處理算法工作原理,逐步掌握使用計算機圖形學(xué)和圖像處理軟件的能力,逐步掌握有效編輯圖形圖像內(nèi)容的能力。融合課程為相關(guān)知識的系統(tǒng)學(xué)習(xí)和全面掌握奠定了良好基礎(chǔ)。

表1 計算機圖形學(xué)和圖像處理相關(guān)主題

表2 計算機圖形學(xué)和圖像處理前沿問題

3 教學(xué)方案

3.1 課程目標(biāo)

通過圖形圖像處理理論與技術(shù)的學(xué)習(xí),學(xué)生掌握了圖形圖像的基本原理,進(jìn)而掌握圖形圖像應(yīng)用的專業(yè)處理方法,學(xué)生養(yǎng)成了利用相關(guān)知識完成圖形圖像建模與解決實際問題的能力。課程目標(biāo)的核心是講授能夠解決圖形圖像問題的方法,理論知識學(xué)習(xí)圍繞著圖形圖像問題來展開,為問題的解決提供適宜的模型和辦法,為培養(yǎng)學(xué)生具備解決圖形圖像問題的能力而服務(wù)。

3.2 前導(dǎo)課程

計算機圖形學(xué)和圖像處理都要求學(xué)生具有高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、離散數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)知識,同時為了完成課程實踐環(huán)節(jié),也需要程序設(shè)計的基礎(chǔ)知識。

3.3 后續(xù)課程

計算機圖形學(xué)和圖像處理融合課程能夠為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。后續(xù)課程包括虛擬現(xiàn)實、游戲編程、多媒體技術(shù)、計算機視覺、模式識別、計算機動畫、非照片真實感渲染技術(shù)等課程。

3.4 教學(xué)內(nèi)容

計算機圖形學(xué)課程內(nèi)容主要包括矢量圖元、曲線與曲面、半色調(diào)、圖形變換,而計算機圖形學(xué)和圖像處理融合課程則側(cè)重介紹傳統(tǒng)計算機圖形學(xué)和圖像處理課程的特定內(nèi)容。它并不涵蓋傳統(tǒng)課程的所有內(nèi)容,但卻包括兩門課程中共通的基礎(chǔ)內(nèi)容和形成一致觀點的內(nèi)容。表3列出了融合課程涵蓋的主要教學(xué)內(nèi)容。

教學(xué)內(nèi)容分為知識、能力和素質(zhì)培養(yǎng)3個方面。

(1)知識培養(yǎng):培養(yǎng)學(xué)生了解與掌握計算機圖形圖像理論知識、概念、圖形圖像處理的基本思想和原理以及與其他相關(guān)學(xué)科之間的關(guān)系,使學(xué)生對融合課程結(jié)構(gòu)和理論體系、對計算機圖形學(xué)和圖像處理涵蓋的研究內(nèi)容具有系統(tǒng)性、整體性的把握。

(2)能力培養(yǎng):培養(yǎng)學(xué)生對圖形圖像理論知識具備學(xué)以致用的能力,培養(yǎng)學(xué)生了解并掌握多種計算機圖形圖像工具、標(biāo)準(zhǔn)和基本技術(shù);學(xué)生在了解并掌握圖形圖像相關(guān)軟件工具以及支撐該軟件工具的相應(yīng)理論與方法的同時,具備正確使用并靈活運用圖形圖像工具的能力,實現(xiàn)圖形圖像的繪制與顯示。表4列出了一些主要的圖形圖像工具。

(3)素質(zhì)培養(yǎng):培養(yǎng)學(xué)生能夠利用計算機圖形學(xué)和圖像處理知識完成圖形圖像問題分析與建模,并解決實際問題。以圖形圖像方法和技術(shù)幫助學(xué)生設(shè)計問題的解決方案,學(xué)生能夠借助圖形圖像處理思維來解決不同領(lǐng)域的應(yīng)用問題。表5列出了學(xué)校實施的一些兼顧圖形圖像問題的大學(xué)生創(chuàng)新項目。

表3 融合課程涵蓋的主要教學(xué)內(nèi)容與課時分配

表4 圖形圖像工具

表5 兼顧圖形圖像問題的大學(xué)生創(chuàng)新項目示例

通過在相應(yīng)的教學(xué)環(huán)節(jié)上實施知識、能力和素質(zhì)3個方面的培養(yǎng),學(xué)生能夠做到以下幾點。

(1)理解和掌握計算機圖形學(xué)和圖像處理的基本概念、基本思想和原理以及與其他相關(guān)學(xué)科之間的關(guān)系;了解計算機圖形學(xué)和圖像處理在實踐中的各種應(yīng)用及發(fā)展動向,了解圖形系統(tǒng)硬件及其構(gòu)成、圖形顯示器的工作方式,了解圖形標(biāo)準(zhǔn);對圖形圖像處理課程結(jié)構(gòu)和理論體系具有系統(tǒng)性、整體性的把握,為圖形圖像處理方法和技術(shù)的學(xué)習(xí)打下理論基礎(chǔ)。

(2)全面系統(tǒng)地掌握圖形圖像處理的具體方法和技術(shù)。對圖形圖像處理涵蓋的研究內(nèi)容具有系統(tǒng)性、整體性的把握,為后續(xù)相關(guān)課程的深入學(xué)習(xí)打下方法和技術(shù)基礎(chǔ)。

(3)理解和掌握圖形圖像建模、生成和顯示的流程。使用程序設(shè)計語言,設(shè)計并實現(xiàn)圖形圖像處理的基本算法。能夠利用圖形圖像技術(shù)完成圖形圖像的繪制與顯示。

(4)結(jié)合理論和實踐環(huán)節(jié),獨立思考、獨立分析和解決圖形圖像問題。通過對各種算法的深入學(xué)習(xí)和扎實掌握,從而能夠針對實際問題的解決提出適宜的方法和模型,并加以實現(xiàn)。

3.5 課程設(shè)計

在教學(xué)實踐過程中開展課程設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié),讓學(xué)生在掌握圖形圖像處理基本原理的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提高實際應(yīng)用與程序設(shè)計能力,提升理論教學(xué)的效果,并體現(xiàn)計算機圖形學(xué)和圖像處理相互融合的特點。表6列出了課程設(shè)計安排。這些課程設(shè)計安排兼顧了計算機圖形學(xué)和圖像處理的教學(xué)內(nèi)容,同時也兼顧了矢量圖形和光柵圖像的分配比例,有利于進(jìn)一步加深對課程內(nèi)容相關(guān)性的理解。

表6 課程設(shè)計的主要內(nèi)容

4 結(jié) 語

交叉融合是學(xué)科發(fā)展趨勢,在課時數(shù)不斷削減的背景下,開展計算機圖形學(xué)和圖像處理融合課程研究具有重要意義。計算機圖形學(xué)和圖像處理課程融合有助于教學(xué)資源的整合,有助于學(xué)生圖形圖像實踐能力的培養(yǎng),有助于教師對課程整體理解能力的提升,有助于進(jìn)一步促進(jìn)相關(guān)前沿問題的研究與發(fā)展。

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