基于Matlab若干經典算法的可視化研究

湖南科技學院 王 濤 韓 芹 文 博 吳子凌

1.引言

隨著信息的增長和社會的發展，可視化技術有著越來越重要的意義。通過可視化技術可以清晰快速地獲取信息和知識，并更有助于學生的思考。可視化教育已經成為一個新興的研究領域[1]。在大學的課程中，算法課程是屬于比較抽象、復雜的課程，又是計算機專業的一門實踐性和綜合性很強的核心課程。為了在有限的課堂教學能獲得更好的教學效果，提高學生學習算法的積極性和主動性，本文采用了MATLAB軟件的GUI工具設計并實現了一套若干經典算法的可視化教學平臺，有助于學生對于算法的理解與應用，提高教學質量。

2.建立算法可視化功能模型

通過對學習《數學建模》、《算法設計與分析》、《數據結構》等專業核心課程的學生和教授這些課程的老師分別進行了調研，了解哪些算法對于學生來說學習時理解過于困難，而對于老師而言哪些算法在課堂上講解時效果不是很理想。結合這兩個方面，本系統選取了深度優先搜索算法、廣度優先搜索算法、Dijkstra算法、Prim算法、堆排序算法、快速排序算法、KMP算法、二分查找算法、動態規劃算法、BP神經網絡算法十個經典、有代表性的、難以理解的算法進行可視化研究。其中，每個算法作為一個模塊單獨進行設計，每個算法模塊包括的功能有算法簡介、算法分析、代碼實現、動畫演示、練習與提高和實際應用。

3.面向對象的GUI設計流程

Matlab中的GUIDE功能包括進行GUI面板設計和GUI組件回調程序編程。用戶只需通過鼠標將對象拖拽到目的區域即可快速地構建出GUI[2]。本文利用圖形用戶界面開發環境GUIDE，方便、快捷地創建了算法可視化平臺的GUI。該平臺既能向用戶展示算法的思想和方法，又能將算法分析過程以人機交互的動態方式演示出來，具有界面友好、操作簡單的特點。

GUI設計流程如下：（1）分析功能需求，明確設計任務。（2）繪出基本的用戶界面草圖，從學生和教師的角度進行審查。（3）打開MATLAB軟件，點擊工具欄中的GUIDE，制作GUI用戶操作界面。（4）添加所需控件，利用屬性編輯對話框進行屬性設置，完成界面的布局。（5）添加控件的回調函數，點擊運行，生成所需界面GUI，保存在FIG和M文件中[3]。

4.算法可視化平臺的實現

4.1 算法可視化平臺主界面

用戶進入主界面就能一目了然的看到十個經典算法目錄。每個算法對應一個按鈕，用戶只需點擊各個算法的按鈕即可進入到相應的算法可視化子界面。該界面主要由GUIDE工具集中的按鈕、坐標軸、靜態文本框等控件實現。在Matlab命令窗口中輸入GUIDE，打開界面編輯器（Layout Editor），從界面編輯器的左側控件中，選擇1個坐標軸（Axes）控件，1個文本標簽（Static Text）控件，10個按鈕(Push Button)控件，通過布置這些控件的位置和設置它們的屬性，完成主界面的設計。

4.2 算法可視化平臺子界面

本文以深度優先搜索算法子界面為例，說明其主要功能和實現方法。用戶點擊“深度優先搜索算法”按鈕就進入到如圖1所示的子界面。子界面包括算法簡介、算法分析、代碼實現、動畫演示、練習與提高以及實際應用6個按鈕，其設計過程與主界面的設計過程是類似的。用戶點擊“算法簡介”按鈕就會進入算法主要思想的顯示界面。其實現步驟如下：（1）首先將元件Axes平鋪于底部作為背景圖片，接著調整相應檢查器的OuterPosition設置其屬性值，使背景圖片以居中的效果顯示。（2）標題欄的設置。使用元件Static text，調整BackgroudColor的屬性，使顯示效果與背景更相符合。（3）文字面板的設置。以元件Panel作為面板部分，將元件Editable text覆蓋其上，文字部分的主體將顯示其中。（4）返回功能按鈕的制作。使用元件Button，重寫相應檢查器中的Title屬性，并編寫Callback函數，實現頁面跳轉功能。

圖1 深度優先搜索算法子模塊界面

用戶了解了算法的思想后，點擊“算法分析”按鈕進入算法分析界面查看算法實現的具體步驟，點擊“代碼實現”按鈕可以查看算法范例的程序代碼實現。為了進一步加深對算法的理解，用戶可以點擊“練習與提高”按鈕，針對給出的習題進行練習。同時，對于所學的算法如何學以致用，用戶還可以點擊“實際應用”按鈕進入相應界面，開闊視野，提高實際應用的能力。上述界面與算法簡介界面使用的控件和實現步驟都是相類似的。不同在于，每個界面對應顯示的文本內容不同而已。

本文具有特色的設計是實現了算法的動畫演示，有助于學生對于算法的理解與應用。用戶點擊“動畫演示”按鈕進入到如圖2所示界面。用戶在觀看動畫演示時可以通過點擊前進、后退、暫停等按鈕對算法實現的過程可以看得更為清楚，理解得更為透徹。

圖2 動畫演示

本文采用Flash動畫與MATLAB相結合來實現算法動畫演示功能。實現具體步驟如下：（1）使用Photoshop對圖像素材進行優化處理。（2）分析對象的構成及動態對象包括位移，節點和線段顏色的變化等，設置圖層的層疊關系。（3）設置場景舞臺的版面大小，把背景色設置為綠色，動畫以13幀播放效果最佳，將之前準備的素材文件逐一導入元件庫中。（4）利用補間動畫原理制作中間各幀，從而使動畫從一個關鍵幀自然過渡到另外一個關鍵幀。這里主要通過元素文字的移動變化來體現的。（5）通過在不同按鈕上定義不同的動作腳本來控制動畫的運行狀態[4]，如：在停止的按鈕上輸入：on (release) {_root.mc.stop();}；在快退的按鈕上輸入：on(release) {_root.mc.prevFrame();}表示回到動畫的上一楨；在快進的按鈕上輸入：on (release) {_root.mc.nextFrame(); }。

5.結語

本文利用Matlab軟件開發了一款包含十種經典的、具有代表性的算法可視化平臺。用戶通過該平臺不僅可以了解這十種算法的具體思想、實現步驟和實際應用，還可以通過動畫演示的方式學習和掌握算法的實現過程。該平臺打破了傳統學習算法的方式讓算法真正的“動起來”，同時也推進了討論式教學、案例教學、網課等教學方法和合作式教學方式，提高學生自主學習和獨立研究的能力。

[1]唐棣,郭禾.計算機圖形學算法可視化教學研究與實踐[J].電化教育研究,2009(01):93-98.

[2]秦襄培.MATLAB圖像處理與界面編程寶典[M].北京:電子工業出版社,2009.

[3]羅華飛.MATLAB GUI設計學習手記[M].北京:北京航空航天大學出版社,2011.

[4]余雨.算法可視化軟件設計中關鍵問題的研究[D].安徽理工大學,2016.