計算機圖形學“體驗式”教學體系的研究與實踐

摘 要： 針對計算機圖形學傳統實驗教學過程中存在的問題，提出“體驗式”教學改革新思路。新思路提出“編程實踐”、“圖形軟件應用”和“理論學習”相結合的教學改進方法，對實驗環境、實驗環節及實驗內容重新作出設置與安排，最終構建一個完整的圖形學“體驗式”教學體系。實踐表明，該教學體系的應用能較好地激發學生的學習熱情，培養和提高學生實踐操作能力。

關鍵詞： 計算機圖形學； 實驗教學改革； 體驗式教學體系； 實踐操作能力

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

0 引言

計算機圖形學是計算機視覺領域中一門重要的學科，同時也是建立在傳統的圖學理論、應用數學及計算機科學基礎上的一門綜合性交叉學科[1]。它利用計算機處理圖形信息（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交互繪圖等）[2]。在過去的幾十年里，圖形學在計算機輔助設計與制造、計算機動畫藝術、虛擬現實等諸多領域得到了廣泛的應用。作為實踐教學的重要組成部分，實驗教學在培養實踐能力和創新型人才過程中起著十分重要的作用。基于近年來在圖形學領域內出現的巨大變化及本校“應用型人才培養”模式[3-4]的確立，有必要對當前的計算機圖形學實驗教學過程采取進一步的改革措施，提升這門課程的實驗教學水平。

1 實驗教學現況分析

圖形學是一門實踐應用型學科，雖然它的知識內容相對于其他計算機專業課程而言比較難以理解，但其概念、邏輯關系等基本上源于對現實世界的抽象，在現實世界里都能比較容易地找到與之相對應的原型[5]。熟練掌握圖形學技術能夠使用戶制作出令人賞心悅目的圖形效果。目前的圖形學實驗教學過程還存在一些問題。

僅從算法驗證性實驗的角度來組織實驗教學是一個問題。計算機圖形學是一門建立在算法基礎上的學科，掌握必要的算法知識是深入學習圖形學不可或缺的條件。所以，很多教師會選擇僅僅從算法編程驗證的角度來組織實驗教學。這些算法的驗證性實驗在一定程度上鍛煉了學生的編程能力，但對學生創新性思維的培養及解決實際問題的能力培養沒有顯著的成效。同時，對于數字媒體技術專業的學生而言，過分強調算法理論會影響學生學習圖形學的興趣和信心，這樣勢必會影響到最終的教學效果。

實驗教學脫離圖形學的實際應用背景也是一個問題。在設計實驗項目時，很多教師沒有考慮到項目設置的實際應用背景，學生在實驗的過程中，只會根據教師的要求，對一些關鍵算法進行簡單的編程驗證，教師沒有引導學生將所掌握的基本理論知識與相關應用領域建立起聯系，這一做法極大地降低了實驗課程對學生的吸引力，長此以往便會在學生心中形成圖形學“學為何用”的疑問。

2 實驗教學方法改革

計算機圖形學的學習目標是讓學生掌握及應用本課程相關的算法技術來解決實際問題，但在以往的教學過程中我們發現，由于圖形學中的大部分算法技術描述比較抽象，理解難度較大，學生常常會產生畏難情緒。出于對以上因素的考慮，我們曾嘗試以“實踐引導理論”的方法來組織教學。譬如，在講解“紋理貼圖”這一理論知識點之前，首先在實驗課堂上給學生演示在圖形軟件產品3D Max中如何調用紋理貼圖命令實現貼圖效果，同時讓學生觀察不同參數設置下的紋理映射效果，在此過程中，學生會產生如“各項參數具備什么作用”等疑問。接下來，教師繼續讓學生使用微軟圖形庫OpenGL結合Visual C++ 6.0[6]編程實現預定的紋理貼圖效果，再提出相同的疑問。帶著這些疑問，教師在課堂上為學生講解圖形學中“紋理映射”這一理論知識點，引導學生回到理論學習階段。

我們將以上方法總結為“編程實踐”、“圖形軟件應用”和“理論學習”三結合法。三結合法中的“編程實踐”摒棄了傳統的“算法驗證”環節，讓學生通過調用及組織OpenGL中的“圖形命令”實現預定的真實感圖形效果，使得學生直接面向可視化的算法結果，這一舉措讓學生從繁瑣低效的算法編程中徹底擺脫出來。此外，要求學生對三維動畫及其制作軟件3D Max有基本的了解。由于三維動畫的制作流程涉及了圖形學幾乎所有算法技術，而3D Max作為其基本實現工具實際上就是圖形學技術的軟件產品，它所包含的所有函數命令都是根據圖形學算法技術編寫而成的。學生通過調用3D Max中的諸多命令實現各種具備真實感的三維場景，這一過程讓學生直觀地了解到圖形學中抽象復雜的算法在實際生活中的應用。

為了更好地將上述方法落實到教學過程中去，我們將三結合法中的“編程實踐”、“圖形軟件應用”提取出來，并從實驗環境、實驗環節及實驗內容設置等方面對其進行補充和完善，最終形成了一個完整的圖形學“體驗式”教學體系。實踐證明通過該體系，學生可以真正地將理論和實踐融合到一起，極大地提高了學習興趣及學習效率。

3 “體驗式”教學體系設置

3.1 實驗環境設置

一個完善的圖形學“體驗式”教學體系主要包括三個方面：OpenGL編程實踐、圖形軟件3D Max應用及OpenGL結合3D Max實現三維交互技術。為了同時滿足以上三方面教學內容的要求，我們在傳統的Visual C++ 6.0開發環境下引入了OpenGL[7]，所有的實驗項目都是在安裝了GLUT的Visual C++ 6.0的環境下進行。同時，每一臺學生機上也要安裝配置好3D Max應用程序。

此外，為了方便指導學生完成3D Max應用環節及三維交互技術環節的實驗內容，在教學安排上應當把計算機圖形學和三維動畫制作兩門課程放在同一學期內，以便將三維動畫制作課程中的部分授課環節納入到計算機圖形學實驗教學過程中。這一舉措也順應了近年來本校所一貫提倡的應用型“課程整合”[8]大趨勢。

3.2 實驗環節設置

“體驗式”教學體系的實踐過程包含以下三個環節：使用OpenGL基本圖形命令繪制及顯示圖形；使用3D Max基本圖形命令實現形體的三維建模；OpenGL結合3D Max實現三維仿真。

3.2.1 使用OpenGL基本圖形命令繪制及顯示圖形

采用OpenGL結合Visual C++ 6.0實現簡單圖形的繪制、變換及真實感顯示等功能，這一環節的設置讓學生從繁瑣的圖形學算法編程中擺脫出來，更多的接觸實際開發過程所使用的工具與開發環境。

3.2.2 使用3D Max基本圖形命令實現形體的三維建模

通過調用3D Max圖形命令來完成復雜模型（如三維場景中人物模型、動物模型及器物模型）的真實感顯示，使學生直接面向圖形學的實際應用過程。

3.2.3 OpenGL結合3D Max實現三維仿真

以圖形學軟件產品3D Max作為建模工具，結合OpenGL交互技術，完成自選課題。通過本環節的學習，學生可以從更高層次上體驗圖形學的實際應用背景。

3.3 實驗內容設置

根據如上實驗環節設計相應的實驗內容，在“體驗式”教學模式下，我們將實驗內容分為驗證應用型、提高應用型及綜合設計型三個層次，下面結合實驗環節分別詳細介紹以上三種類型下的實驗內容分布。

3.3.1 驗證應用型實驗

計算機圖形學課程包含了多種算法原理的講解，針對復雜繁瑣的算法原理，我們摒棄了傳統的算法編程驗證環節，直接讓學生使用OpenGL基本圖形命令實現基本圖元及組合圖元的繪制、圖元的幾何變換、圖形的真實感效果顯示等功能。

計算機圖形學中的算法技術主要涵蓋造型技術、變換技術、真實感圖形技術三個方面。結合圖形學算法技術內容分布情況，我們將驗證應用型實驗內容作如下設置。

⑴ 使用OpenGL圖形命令實現基本圖形的繪制。

⑵ 使用OpenGL圖形變換命令實現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、曲面函數實現復雜曲面的繪制。

⑺ 使用OpenGL實現形體隱藏面的消除。

⑻ 使用OpenGL實現圖形的融合、反走樣、霧化效果。

通過以上實驗內容，學生可以直接面向可視化的算法技術成果，加深了他們對于圖形學實際應用過程的認識與體驗。需要注意的是，在進行以上實驗內容之前，教師應當用2課時時間介紹OpenGL應用概述，并指導學生完成Windows程序框架下OpenGL實驗框架的搭建。

3.3.2 提高應用型實驗

三維動畫作為計算機圖形學重要應用領域之一，它的制作過程幾乎沿用了圖形學中所有的算法技術。作為目前比較前沿的計算機視覺應用領域，三維動畫成功的推出了許多優秀的制作軟件（如3D Max、Alias、SOFTIMAGE等）。其中AUTODESK公司的3D Max以其著色速度快、色彩豐富等優點得到廣大用戶的青睞。作為一種軟件產品，3D Max將動畫制作過程中所要用到的功能進行了分門別類的整理，其應用程序中的每一條命令基本上都對應了圖形學中的某一特定的算法技術。所以，可以通過調用3D Max圖形命令來完成復雜模型（如三維場景中人物模型、動物模型及器物模型）的真實感顯示，使學生直接面向圖形學的實際應用背景。出于以上因素的考慮，在“體驗式”教學體系中，我們為提高應用型實驗設置了如下內容。

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

⑵ 在三維場景中實現角色及器物的顏色設置或幾何變換（平移、變比、旋轉、錯切等）。

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

⑷ 依照攝影原理，在計算機內部設置虛擬攝影機，調整鏡頭、“打上”光照，最終形成生動逼真的場景畫面。

由于應用型實驗內容主要涉及到三維動畫制作及3D Max軟件的使用，結合當前本校正在進行的“課程整合”的需要，我們將圖形學實驗構成中的“提高應用型”實驗環節納入到三維動畫制作的部分實踐課程中去。這樣的融合一方面讓學生體驗到圖形學算法技術的實際應用性，另一方面可以讓學生領會數字媒體技術專業課程之間存在的緊密聯系，為后續的專業課程學習增添信心。

3.3.3 綜合設計型實驗

雖然在OpenGL中容易實現各種圖形的變換、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行組合變換得到較為復雜的圖形，但這樣的圖形繪制過程比較繁瑣，效果也差強人意。而3D Max作為一種比較前沿的圖形建模及動畫制作軟件，方便建立各種復雜模型。在交互技術方面，雖然3D Max具備高質量的建模效果，但是它沒有交互性，無法實現實時控制。而OpenGL作為一個三維工具軟件包，在三維交互編程等方面提供了比較完善的機制。用戶可以通過OpenGL較容易地利用鼠標、鍵盤進行交互。

綜上所述，綜合設計型實驗可以選擇3D Max作為建模工具，結合OpenGL交互技術實現三維仿真[9-10]。在“體驗式”教學體系的實踐過程中，為了讓學生更快更好地完成自選課題，我們首先為學生設計了一項仿真示例“飛機模型的實時控制”。以下介紹具體過程。

⑴ 用3D Max建立飛機模型，本步驟要求實現飛機模型的基本造型及真實感效果。

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

⑶ 在Visual C++ 6.0開發環境中，建立一個基于MFC的單文檔應用程序，通過添加OpenGL相關庫、修改View類頭文件、添加View類消息函數等操作將飛機模型加載到OpenGL三維環境中。

⑷ 在三維環境中通過調用OpenGL相關命令調整飛機模型的尺寸、顯示角度等。

⑸ 當飛機模型在OpenGL三維環境中按照預定效果正常顯示后，便可以通過鍵盤、鼠標或者定時器實現飛機模型的實時控制。

按照以上步驟實現的飛機仿真系統，其結果分別如圖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境中去的，其動畫效果通過紋理控制來實現。同時，通過鍵盤上的方向鍵可以實時控制飛機的飛行方向和飛行角度。

綜合設計型實驗采用“大案例”，讓學生獨立完成課題選定、素材搜集、內容設計等工作，其過程涉及到OpenGL和3D Max兩方面技術的綜合運用。目前，本校數字媒體技術專業正著力于“媒體類課程整合”工作，因此我們將圖形學的綜合設計型實驗納入到“綜合課程設計”的環節中，即：將圖形學課程設計與三維動畫課程設計融為一體，讓學生在設計過程中充分體驗圖形學技術在實際應用中的非凡魅力。

以上便是“體驗式”教學體系中實驗內容的詳細介紹。在實際教學過程中，我們還將根據學生的實際情況，適時對內容作出新的調整。

4 結束語

針對計算機圖形學傳統實驗教學方法中普遍存在的問題，立足于“應用型人才培養”模式，著力構建一個圖形學“體驗式”教學體系。為了滿足新的教學體系中“編程實踐”、“圖形軟件應用”和“理論學習”三結合方法的需求，對實驗的環境、環節及實驗內容重新作出設置與安排，最終構建了一個完整的和完善的圖形學“體驗式”教學體系。實踐表明，該體系的實施對加深課程理解、培養學生學習興趣和提高教學質量有著顯著的成效。在接下來的教學過程中，我們將繼續對“體驗式”教學體系作進一步的完善，在原有的圖形學實踐過程中，盡可能多地納入其他相關媒體技術類課程的實驗內容，讓學生在課程整合的過程中體會學為其用。

參考文獻：

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