遙感專業(yè)“計算機圖形學”教學改革探討

劉婷婷 張洪艷

［摘要］“計算機圖形學”課程的教學和上機實踐能使學生全面地了解計算機圖形系統(tǒng)軟硬件技術，掌握圖形生成與處理技術的基礎知識、原理和方法，并培養(yǎng)學生利用計算機解決圖形問題的程序設計能力。

［關鍵詞］計算機圖形學遙感專業(yè)教學改革

［中圖分類號］G642.0［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2014）11-0138-02“計算機圖形學”是建立在傳統(tǒng)圖形學理論、現(xiàn)代數(shù)學和計算機等學科上的一門新興學科，并且隨著計算機軟硬件的發(fā)展而不斷拓展。[1]“計算機圖形學”的軟硬件已經(jīng)發(fā)展為一個巨大的產(chǎn)業(yè)，從事該行業(yè)研發(fā)的團隊也日漸龐大，因此“計算機圖形學”已成為計算機專業(yè)的必修課。同時，由于計算機圖形學應用范圍廣，也逐漸成為相關學科的必修或專業(yè)選修課程。

一、“計算機圖形學”課程的教學現(xiàn)狀

“計算機圖形學”內(nèi)容豐富、理論性強、算法體系龐大等特點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生學習該課程的積極性和主動性。同時，該課程是一門理論與實踐相結合的課程，僅重視理論講授而忽略了上機實踐，往往容易造成理論與實踐脫節(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)庫實現(xiàn)，如OpenGL、GDAL等，如果不有效利用這些函數(shù)庫則在一定程度上降低了編程的效率。

針對遙感專業(yè)的本科學生開設“計算機圖形學”這門課程，主要希望學生建立計算機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。然而，大部分遙感專業(yè)的本科生計算機基礎較差且編程能力較弱，使得對于“計算機圖形學”的一些方法、算法的理解較片面，理論算法無法利用編程實現(xiàn)，“計算機圖形學”與遙感影像的聯(lián)系無法建立。

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，針對“計算機圖形學”課程采用傳統(tǒng)的課堂講授理論，課下讓學生去做實驗的教學方式很難達到預期的教學效果，急切需要探討新的教學思路和教學方法。

二、“計算機圖形學”課程的教學改革

（一）教學內(nèi)容改革

國內(nèi)大部分教材的編排順序是從底層圖像輸入、顯示等設備、系統(tǒng)、標準、交互技術及用戶接口等內(nèi)容開始，然后過渡至基本圖形生成算法、曲線曲面等圖形繪制方法，最后介紹真實圖形的處理算法。雖然全書的知識結構是由底層至高層的學習過程，但是知識點相對獨立、不連貫，使得學生無法清晰地把握課程的總體結構，因此需要對課程的教學內(nèi)容進行重新組織。以“基本圖形生成算法”一章為例，可利用以下方式進行組織講解：

1.空間的三要素是點、線和面，任一直線和面都可由單一的像素點構成；

2.直線、圓和橢圓可以通過掃描轉換的方式生成，生成過程中需要考慮邊寬；

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

4.由于會受到屏幕、視圖窗口等大小的限制，生成的點、線或者面可能超出邊界范圍，可通過裁剪的方式優(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，一味地通過提高顯示器分辨率解決這一問題將會導致硬件的投入無限制地增加，因此可通過反走樣這一軟件方式優(yōu)化圖形顯示效果。

（二）教學方式的探索

為提高教學質量，讓學生牢固地掌握知識結構中重要的知識點，課堂授課必須采用多種形式。

1.多媒體教學

采用多媒體教學與傳統(tǒng)教學相結合的方式，充分發(fā)揮多媒體的優(yōu)勢，使得教學更形象生動。例如，展示計算機圖形學在各行各業(yè)應用的圖片，播放基于虛擬現(xiàn)實技術的虛擬校園視頻，使得枯燥的“計算機圖形學”發(fā)展歷程介紹變成生動的圖片和影像片段等。

2.對比式教學

對比式教學即對解決同一問題的不同方法進行比較，通過分析不同方法的異同點，加深學生對方法的理解。例如，可以比較Bezier及B樣條曲線曲面的基本概念、性質和構造公式，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.自主式學習

本科生已經(jīng)可以在老師的指導下自主地完成一部分學習任務。例如，在詳細介紹直線的生成算法后，老師和學生以問答的形式完成圓的生成算法學習，并鼓勵學生課后自學橢圓的生成算法，下一次課由某位學生上臺講解，老師再對該算法的重要步驟進行強調。通過自主式學習方式，其一能夠提高學生的自學能力，其二能夠加深學生對學習內(nèi)容的理解。

4.多學科相結合式教學

“計算機圖形學”和遙感圖形處理研究的內(nèi)容具有很大的差異?！坝嬎銠C圖形學”是研究怎樣利用計算機生成、處理和實現(xiàn)圖形的學科，而遙感影像處理則研究影像的量化、濾波、邊緣提取、特征增強等?！坝嬎銠C圖形學”課程的學習如何為“遙感影像處理”等后續(xù)課程的學習做鋪墊，已成為開設該課程的目的之一，因此需要在講授時將兩門課程的部分內(nèi)容相結合。以圖形裁剪為例：“計算機圖形學”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；而利用遙感影像進行地圖顯示與漫游時，通常設置一個虛擬顯示區(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讀取數(shù)據(jù)更快。

（三）上機實踐改革

利用OpenGL開展“計算機圖形學”的實驗，對學生理解圖形學的相關知識、提高學生的學習興趣及提升學生在圖形圖像方面的程序開發(fā)能力都非常有好處。因此，將OpenGL函數(shù)庫引入“計算機圖形學”的上機實踐中，要求所有的上機實踐都在安裝了GLUT的Visual C++6.0環(huán)境下進行。

由于“計算機圖形學”課程的上機實踐時間非常有限，不能全面而深入地講解OpenGL的技術框架及后續(xù)應用，需要結合“計算機圖形學”課程中的相關圖形算法進行有針對性的講解與上機實踐，具體需要注意以下兩個方面：

1.合理安排上機實踐內(nèi)容及時間

由于有限的上機時間，既不能跳過OpenGL編程初步又不能壓縮圖形算法的實踐時間，需對上機實踐項目做合理安排。

（1）該實驗內(nèi)容為：OpenGL的安裝；GLUT框架的使用；基本內(nèi)容講解；DDA、Bresenham 直線生成算法的實現(xiàn)；中點圓算法的實現(xiàn)。通過該實驗使學生了解OpenGL定義圖形的機制、GLUT框架的使用方法，驗證課本中的DDA、Bresenham 直線生成算法以及中點圓算法并通過OpenGL GLUT框架的顯示回調函數(shù)進行調用；

（2）該實驗內(nèi)容為：熟悉 OpenGL 中對顏色的設置；邊界填充算法的理解與實現(xiàn)；掃描線填充算法的理解與實現(xiàn)。實驗2意在讓學生驗證邊界填充算法和掃描線填充算法的編碼實現(xiàn)，通過逐點顯示區(qū)域填充更直觀地了解填充算法，體會填充算法的思想；

（3）該實驗內(nèi)容為：掌握 OpenGL 下的平移、旋轉、縮放變換方法及組合變換；梁友棟-Barskey 線段裁減算法的實現(xiàn)。實驗3意在讓學生驗證平移、旋轉、縮放變換的原理，學習 OpenGL 下的幾何變換函數(shù)glTranslate、glRotate和glScale等，然后驗證梁友棟-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.靈活調整學生上機實踐的難易

計算機圖形學課程中有很多經(jīng)典算法，通過上機實踐能夠促進學生理解算法的原理、累計圖形編程的技巧。[4]但是，冗長的算法代碼、復雜的數(shù)據(jù)結構使得學生很難獨立地在有限的上機實踐時間中完成，如果學生畢業(yè)后從事“計算機圖形學”方面的軟件開發(fā)等工作，也不再利用這類底層算法而是建立在高層API基礎上進行開發(fā)。因此，可針對學生個人編程能力的差異，靈活地調整實踐內(nèi)容的難易程度，或者給出一個不完整的錯誤程序讓學生進行補充修改，提高他們的個人能力及主觀積極性。

三、結語

“計算機圖形學”課程的改革是一個長期的過程，改革實踐交替向前的過程。新技術的產(chǎn)生、交叉學科的發(fā)展等都將促進“計算機圖形學”課程的教學向著全新的方向發(fā)展。同時，教師也應充分發(fā)揮自身的創(chuàng)造性，通過教學不斷地總結經(jīng)驗，進行突破創(chuàng)新，不斷地激發(fā)學生的潛能，提高學生學習的主觀能動性。

［參考文獻］

［1］段江.“計算機圖形學”教改研究與實踐［J］.計算機教育,2008（13）:80-82.

［2］張玉新,張月清,卜治國,等.“計算機圖形學”算法可視化教學研究與實現(xiàn)［J］. 河北農(nóng)業(yè)大學學報（農(nóng)林教育版）,2009（11）:236-239.

［3］周芳芳,趙穎.高?！坝嬎銠C圖形學”教學改革探索［J］.科技信息,2008（15）:11-14.

［4］袁國武,徐丹,趙楊.“計算機圖形學”實驗課程改革經(jīng)驗與探索［J］.教改縱橫, 2009（15）:29-32.

［責任編輯：鐘嵐］