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開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇計算機圖形學技術，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
【關鍵詞】圖形學 圖形圖像 處理技術
計算機技術在近年來的發展速度極為迅速，如今在各個領域中都應用了計算機技術。從20世紀50年代開始，人們開始利用計算機技術處理圖形，而隨著計算機技術的不斷發展與成熟，人們開始利用計算機技術處理圖形與圖像信息，隨著這種圖形與圖像處理技術的不斷成熟與完善，最終形成了備受人們重視的新型學科。這種計算機圖形學與圖形圖像處理技術的應用，對于各個領域的發展有很重要的意義，因此對計算機圖形學與圖形圖像處理技術進行研究分析，對各領域的發展非常重要。
1 計算機圖形學概述
1.1 計算機圖形學的主要內容
計算機圖形學中的研究內容包含了許多方面，其中包含了圖形硬件、圖形交互技術、曲面曲線建模、虛擬實現以及實物造型等。這是一種利用數學算法將相應二維與三維圖形轉化到計算機中顯示出來。計算機圖形學學科成立的主要目的是為了讓計算機轉換出來的圖像更加的真實，而要讓計算機轉化的圖形具備更強的真實感，就必須要建立圖形描述場景的幾何表示，從中計算出虛擬的光源、紋理以及材質屬性產生的效果。因此計算機圖形學與幾何設計學的聯系非常緊密。在計算機圖形學中，主要的研究內容包括幾何場景中的曲線曲面造型技術以及實體造型技術。而由計算機轉化出的圖形，通常都需要對圖形進行再一次的處理，因此計算機圖形學與相應的圖形圖像處理技術需要緊密聯系起來，這樣才能夠產生更好的圖形真實感。
1.2 圖形圖像處理技術的基本概念
圖形圖像處理技術主要是將數學描述中的幾何數據與幾何模型，用計算機技術將其進行相應的修改、存儲以及完善。其主要處理技術包括幾何變換、圖像數字化、建模造型設計、隱線與隱面的消除以及各種色彩設計等。在圖形與圖像處理技術中，通常需要用的計算機軟件包括一般的輔助設計軟件CAD、制造軟件CAM、輔助教育軟件CAI等，同時還需要應用相應的計算機藝術設計、模擬、動畫以及虛擬實現等知識技術領域。
1.3 計算機圖形系統與功能
計算機圖形系統主要由相應的硬件設備以圖形圖像軟件組成，計算機圖形系統中的硬件設備主要有圖形輸入、輸出設備以及相應的圖形處理設備。其中圖形處理設備是硬件設備中的核心，圖形處理設備的主要功能是存儲于處理圖形，同時也能夠完成圖形處理過程中復雜的函數計算，因此圖形處理設備也能夠減輕系統CPU的負擔，最終能夠將圖形系統的顯示速度與質量進行提升。圖形系統中的硬件輸入設備主要是鍵盤與鼠標，通過鼠標與鍵盤執行相應的命令來完成各種圖形的繪制，比如在輔助設計軟件CAD中就主要依靠這兩種硬件設備。而隨著計算機技術的不斷發展，如今的硬件設備還有空間球、數據手套、光筆以及觸摸屏等。圖形系統硬件設備中的圖形輸出設備主要是指系統中的顯示系統、繪圖系統等，顯示系統是為了讓圖形可以快速的生成與處理，而匯通系統則是為了讓圖形能夠永久的保存，如顯示器、繪圖儀以及打印機等。
圖形系統在設計與繪制各種圖形的過程中，必須具備輸入、輸出、存儲、對話以及計算等能力，因此圖形系統的功能主要包括：能夠輸入各種命令與幾何參數的輸入功能、能夠讓圖形保持顯示狀態且可永久保存的輸出功能、能夠存放所有幾何數據并能夠對數據進行維護與檢測的存儲功能、能夠進行人機通信的對話功能以及設計過程中需要的各種計算分析功能。
2 計算機圖形學與圖形圖像處理技術的應用
隨著計算機圖形學與圖形圖像處理技術不斷發展與成熟，這種技術應用開始在許多領域中進行了應用，其中主要的應用領域包括工業領域、商業領域、藝術領域等。
2.1 工業領域
工業領域是計算機圖像學與圖形圖像處理技術的主要應用領域之一，隨著現代工業的不斷發展，人們在制造各種精密的儀器以及設計各種機械產品的過程中，都需要應用計算機中的圖像學以及相應的圖形圖像處理技術，其中計算機輔助設計制造軟件CAD與CAM，已經在如今的工業領域中進行了廣泛應用，比如各種汽車、船舶以及飛機的設計制造，各種廠房的建造布局等，都需要應用計算機圖形學以及圖形圖像處理技術。如法國的空客飛機公司就是因為應用了CAD系統，對空客A300飛機的外形設計、內部組裝等進行了模擬，從而使得制造成本降低了30%以上。
2.2 商業領域
計算機圖形學與圖形圖像處理技術在商業領域中的應用主要包括各種廣告設計、游戲開發設計、動畫制作以及各種影視中的特技制作。人們可以利用計算機的圖形圖像處理技術將書法中的藝術添加到各種廣告設計中，比如在各種包裝中添加的廣告字體，通過計算機技術能夠將各種廣告字體變得新云流水，將字體的藝術性添加進去，可在很大程度上提升這種宣傳效果，在顧客心中留下深刻印象。還比如在影視行業中，同樣可以應用計算機圖形圖像處理技術，來制作各種特寫鏡頭，像各種驚險的特技效果以及各種大型建筑物的倒坍效果等。
2.3 藝術領域
計算機在藝術領域中的應用，是一種新興的學科，同時也是一種具有時代氣息的新型領域。計算機圖形學在藝術領域中的應用，正是計算機與藝術學結合的一種代表，這種結合可讓兩者皆得到發展與進步。通過計算機技術在藝術領域中完成各種藝術品的制造與設計，可以讓藝術品表現的更加完美，比如在在繪制二維與三維圖形時，可利用各種計算機軟件讓圖形變得更加完美精確，而在設計空間結構、體操舞蹈等藝術設計過程中，人們可以利用計算機的圖形圖像處理技術，在虛擬空間中讓其變得更加細膩、生動與自然，如計算機中的三維軟件3DMAX、Maya等。通過計算機圖形學來完成藝術設計，一般需要設計人員具備較高的藝術功底，同時也需要配置高端的硬件與軟件設備。
2.4 科學計算領域
人類在進行各種科學研究與計算分析的過程中，往往需要轉換大量的數據才能夠將相應的圖形與圖像轉換過來，并且對最后得到的圖像還有非常高的要求。通過計算機圖形圖像處理技術，能夠將讓各種虛擬的圖像更直觀的展現出來，同時也能夠幫助人們處理復雜的數據轉換，因此這種圖形圖像處理技術已經成功在各個科學研究領域中進行了應用。如在環境保護、生物分析等領域，人們通過計算機圖形圖像處理技術，可讓其中的各種圖像以及模型分析更加的生動，對科學研究有很重要的意義。
3 圖形與圖像的關系
圖形圖像處理技術中，圖形與圖像之間存在著一定的區別，但同時也存在一定的聯系。它們之間的區別包括數據來源、處理方法、理論基礎以及用途四個方面。數據來源中：圖像是來自客觀世界，而圖形來自主觀世界。處理方法中：圖像的處理方法是幾何修正以及圖像的各種變換、識別以及理解等。而圖形的處理方法是幾何變換以及圖形的各種修剪、消除以及隱藏等。在理論基礎上：圖像的主要理論基礎是以概率統計、模糊數學等相關理論作為理論基礎。而圖形時以計算幾何、樣條幾何等相關的理論做為理論基礎。最后的在用途上：圖像的處理用途主要是應用于工業、醫學等方面，而圖形處理則主要應用于動畫、藝術等方面。
隨著圖形圖像處理技術的不斷發展，圖形與圖像之間在各個方面也開始出現了一些聯系，并且兩者在一定條件下還能夠相互轉換，如圖1所示。圖形與圖像的模型轉換一般需要用到計算機的輔助幾何設計技術，如CAGD技術，利用這種計算機圖形圖像處理技術，能夠更加靈活的分析各種幾何形體，并且能夠將曲面與曲線中的各種數據擬合。
4 結語
伴隨著計算機圖形學與圖形圖像處理技術逐漸成熟，如今已應用到了我們的日常生活工作中，并且在多個領域中都需要應用這種先進的計算機技術。同時計算機圖形圖像的處理技術對各領域的發展也產生了很大的作用，這種技術能給創造出一個新奇的視覺效果，能給讓人們的設計能力以及創造力全面發揮出來。因此將讓計算機圖形學與圖形圖像處理技術融入到各個領域中，促進計算機圖形學與圖形圖像處理技術的發展有很重要的意義。
參考文獻
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[關鍵詞] 計算機圖形學；思維導圖；圖形學理論教學；圖形學實踐教學
[中圖分類號] G642 [文獻標志碼] A [文章編號] 1008-2549（2016） 07-0106-02
一 計算機圖形學課程教學中存在的問題
本科的計算機圖形學教學對數學理論有一定要求，往往體現為公式推導、演化等形式，同時也涉及算法設計及其代碼實現。而傳統計算機圖形學教學重點一般側重于考核學生對知識點的掌握，課程實踐所占比例較低。因此傳統的教學模式不適用于計算機圖形學課程，若仍沿用傳統教學模式，則不僅不利于維持學生的學習興趣，更不利于學生發現問題、解決問題以及創新能力的培養。
1 計算機圖形學教學內容與學生的學習興趣
傳統的計算機圖形學內容主要有：計算機圖形系統概述；二維圖形生成和變換技術；三維圖形生成和變換技術；真實感圖形生成技術；計算機動畫技術與實踐。該課程入門階段需要的數學知識主要涉及代數、三角學和線性代數，數學原理與圖形的結合在理論教學中占據了一定比重。
傳統的計算機圖形學教學目標是側重于培養學生對計算機圖形學理論知識的了解與掌握，在教學內容的設置上主要強調圖形學知識、概念的系統性與整體性，重點是概念解釋與原理講解，體現為大量的公式推導。
未進入圖形學教學前，學生們對該課程的理解大致分為兩類：一類認為該課程主要講述游戲開發。另一類認為是藝術設計。實際上，在本科階段開設的計算機圖形學課程，通常立足于計算機圖形學科的入門，教學內容主要是理解與掌握基本的圖形繪制原理及其實現算法，能進行基本圖形的程序設計。由此，學習內容的枯燥、教學內容與現實應用的巨大落差會導致部分學生的學習興趣隨課程的深入而有所下降。
2 計算機圖形學課程實驗的設置
計算機圖形學的實驗內容主要集中于基本圖形算法的實現，需要學生運用高級程序語言進行編程，然而作為專業基礎課程學習的此類高級程序設計課程，往往以基本知識、程序設計、數據組織三方面為主要內容，一般不涉及圖形庫編程接口（API）。這導致在本課程的實驗教學時，需要針對授課學生原先所學的高級程序語言，補充對應的圖形庫編程知識，這使得實際的有效實驗學時被縮減，而且增大了學生實現算法的難度，以至于進一步加劇了理論與實踐脫節的現象。
二 理論教學與實踐教學的改革方法與目標
我們在大學本科的第7個學期開設計算機圖形學課程，并將其分為理論課與實驗課兩門課程，兩門課程單獨核算成績。其中理論課為32學時，2.0學分；實驗課為16學時，0.5學分。在理論課程完成后開始實驗課程，計算機圖形學的實驗不再是傳統教學中對理論課知識點的簡單重復與驗證，而是對所學知識的綜合運用與深化。由此，需要合理選擇理論課教學內容，以完成與實驗課程的銜接。同時，設計合適的實驗項目使學生掌握課程基礎知識，提高學生的動手能力，以提升計算機圖形學的教學質量。
1 理論課教學內容的設計
計算機圖形學技術在快速的發展著，與之相適應，圖形學課程的教學也發生著變化。現階段，在計算機圖形學教學中主要有3種教學體系，大致分為：理論為主、編程為主、問題為主。其中，理論為主是傳統的教學體系，強調對計算機圖形學理論的理解與掌握，以公式推導為主要呈現方式，國內外此類教材有Floey的《計算機圖形學原理及實踐――C語言描述（原書第2版）》，孫家廣的《計算機圖形學》等。編程為主的教學體系側重于培養學生初步掌握一種典型的圖形學API，以圖形學使用者的角度講授計算機圖形學所需的理論與概念，去除非必需的數學原理與公式推導。國內外此類教材有Donald的《計算機圖形學（第四版）》，徐文鵬的《計算機圖形學基礎（OpenGL版）》等。問題為主教學體系的教學目標著重于培養利用計算機圖形學知識建立與用戶交流的能力，從而實現問題的圖形化建模并解決問題。相應的教學內容既涵蓋了圖形學中的基本概念和技術，也涉及了實現這些概念和技術的圖形學工具，然而重點在于介紹如何使用計算機圖形學知識來解決實際問題以及如何有效地進行結果展示，Steve Cunningham的《計算機圖形學》是此類教學體系的典型教材。此類問題為主的教學體系近年來在美國興起。
在我們的本科教學中，考慮到學生前期課程的設置與掌握情況，采用了結合OpenGL實現算法的編程為主的教學體系。在實際教學中，既要保證計算機圖形學基本概念、理論的完整講述，也為后續的實踐課程做鋪墊，有針對性地介紹圖形支撐軟件，使學生在掌握圖形學基本知識的同時，能夠在一定程度上自主實踐，保持與激發學生的學習興趣。
2 以思維導圖優化圖形學教學的實踐應用
思維導圖（又稱心智圖），是英國教育學家東尼?博贊在20世紀60年代創造的，它作為模擬放射性思維的圖形工具，能激發大腦的潛力。在人獲得信息后，進入大腦的信息以新的思想中心與其他信息建立關聯，形成向外發散的網狀結構。此后，每一個發散出的節點，又將作為新的中心，再次發散形成新連接。
3 實驗課教學內容的設計
計算機圖形學傳統教學中的實踐一般使用C++來實現相關算法，實現難度過大，導致學生沒有時間和興趣去完成。實踐教學的本意是對理論教學的鞏固、完善與提高，為實現理論與實踐教學的平穩銜接，我們在實踐教學環節中，采用OpenGL作為圖形算法接口，讓學生有針對性地完成若干實驗項目。
【關鍵詞】地學 計算機圖形學 教學改革
【基金項目】中國地質大學（武漢）教學研究項目，項目編號 200923。
【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）10-0144-02
一、引言
計算機圖形學是研究如何利用計算機顯示和處理圖形的原理、方法和技術的一門學科。除了是計算機與信息相關學科的一門專業必修課程外，它也是許多非計算機專業本科一項重要的專業限選/選修課程[1]。在以地學專業為主的中國地質大學（武漢），計算機圖形學教學也得到了相當的重視。以地空學院為例，其下屬的兩個專業地球物理與地球信息科學的教學大綱中都明確開設了這門課程。但與其他兄弟院系一樣，該課程教學中所達到的實際效果卻并不盡如人意。一方面，地質制圖以及地學數據的圖形表現等知識在學生本科畢業后從事的地學應用工作中占有重要成分；另一方面，傳統計算機圖形學本身所講述的內容又無法滿足地學專業工作、科研的需要[2]。隨著時間的推移，計算機圖形學課程所處的地位日漸尷尬，將其從教學計劃中取消固然不妥，但又確實達不到應有的效果。認真分析其原因主要有如下兩點：
1.從課程的定位來看，作為一門獨立學科，計算機圖形學本身定位于使用數學算法構造圖形的數學模型，并通過程序實現圖形的顯示和處理。數學建模與算法實現是計算機圖形學的核心與基礎[3]。該課程涉及的內容也非常之多，包括圖形生成技術，計算機輔助制圖，計算機視覺等部分[4]。然而作為一個主要培養地學領域人才的高等院校，計算機圖形學在地學領域的主要應用集中于數據制圖與數據可視化處理。即要求學生能夠具備一定計算機圖形學基礎知識，并能夠使用計算機對地學數據進行圖形繪制與表現，進一步生產出社會所需求的各種圖形產品包括二維地質圖以及三維造型，場景演示視頻等。因此可見，課程定位與專業需求存在著一定的差別。
2.從教學大綱與教學內容上來看，傳統計算機圖形學教學基本以清華大學孫家廣院士主編的《計算機圖形學》內容為范本。教學內容大部分重點集中于圖形生成算法，圖形標準、圖形交互、曲線曲面造型、真實感圖形生成與顯示算法等章節[5]。這其中的許多知識點都與地學專業應用無關。此外，地學專業的學生往往在離散數學、算法邏輯等方面基礎較為薄弱。這就導致授課老師要花更多的時間來將這些知識點講授清楚，但學生在學習過程中卻逐漸失去興趣。
上述主要原因使得我校地學相關專業中的計算機圖形學課程教學無法達到滿意的效果。特別是由于課程的一些內容或章節與專業的實際應用偏離太多，更造成了學生們應付考試，老師們照本宣科的現象。許多講授該課程的老師都或多或少的意識到了這一點，他們努力在教學過程中做出適當的調整，但卻苦于缺乏統一的指導思想。
基于此，在校方支持下，筆者與其他授課老師一起開展了面向地學專業的計算機圖形學教學改革活動。在這次改革中，老師們將自己的授課經歷進行了分享，并著重對地學相關專業計算機圖形學教學過程中的問題進行了總結，然后通過討論交流提出了一系列改革方案。最后將這些方案措施在教學活動中進行驗證。實踐證明，教改方案可以有效的激發學生的學習熱情，并引導他們將理論知識充分運用到實際問題中，有利于培養地學專業高素質人才[6]。
二、改革措施
首先，此次課程改革的目的很明確，即為地學或地學相關專業的學生量身打造適合他們需要的計算機圖形學課程。該課程的教學必須真正貼近專業的需要，不再流于形式，為學生將來的工作與研究深造打下良好的基礎。具體的改革措施總結如下：
1.深入了解我校地學專業相關院系的專業需求，討論并制訂面向地學領域的計算機圖形學教學大綱和教學計劃。傳統的計算機圖形學教學內容涉及到數學、物理、計算機等多個學科[7]。每個學科又涉及到一些相對抽象的理論與復雜算法實現。這些內容均使得地學專業的學生難以在短時間內掌握。此外，隨著技術的不斷發展，目前計算機圖形學的一些教學安排與現實也存在一定的脫節。如許多計算機圖形學的實習環節中會要求學生去實現基本圖形的生成算法，對許多非計算機專業本科生而言，這一做法的必要性值得商榷。因為就其專業應用領域，大部分的圖形生成算法實現都已經固化到了計算機硬件（顯卡、GPU）中，現實工作中極少場合需要編程實現這些已經非常成熟的算法[8]。
就地學專業以及大多數工科應用專業而言，計算機圖形學課程更多是為了直接滿足應用上的需要，而不是將其作為一個研究基礎。因此經過筆者及其他老師們的討論一致認為，對于我校地學類專業，計算機圖形學的課程教學應強調一個原則，即：突出重點，強調有用。借鑒華中科技大學機械科學與工程學院將計算機圖形學成功與機械制圖，機械輔助設計等方面知識緊密結合起來的寶貴經驗。決定將我校的計算機圖形學課程安排充分與地學中的地質制圖、GIS圖形標注與編輯、地球探測信息可視化等應用緊密結合起來，注重其實用性。
關鍵詞：圖形實時繪制自然景物仿真
計算機圖形學(ComputerGraphics，簡稱CG)是一種使用數學算法將二維或三維圖形轉化為計算機顯示器的柵格形式的科學。簡單地說，計算機圖形學的主要研究內容就是研究如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關原理與算法。圖形通常由點、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。從處理技術上來看，圖形主要分為兩類，一類是基于線條信息表示的，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等，另一類是明暗圖，也就是通常所說的真實感圖形。經過30多年的發展，計算機圖形學已成為計算機科學中最為活躍的分支之一，并得到廣泛的應用。本文將介紹計算機圖形學的研究內容、發展歷史，應用和圖形學前沿的方向。
1計算機圖形學的發展簡史
1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學院(MIT)旋風號—(Whirlwind)計算機的附件誕生了。該顯示器用一個類似示波的陰極射線管(CRT)來顯示一些簡單的圖形。在整個50年代，只有子管計算機，用機器語言編程，主要應用于科學計算，為這些計算機置的圖形設備僅具有輸出功能。計算機圖形學處于準備和醞釀時期并稱之為：“被動式”圖形學。1963年，伊凡•蘇澤蘭在麻省理工學院發表了名為《畫板》的博士論文，它標志著計算機圖形學的正式誕生。此前的計算機主要是符號處理系統，自從有了計算機圖形學，計算機可以部分地表現人的右腦功能了，計算機圖形學的建立意義重大。
2計算機圖形學的應用
2.1計算機輔助設計與制造
CAN/CAN是計算機圖形學在工業界最廣泛，最活躍的應用領域。計算機圖形學被用來進行土建工程，機械結構和產品的設計，包括設計飛機、汽車、船舶的外形和發電廠、化工廠等的布局以及電子線路、電子器件等。有時，著眼于產生工程和產品相應結構的精確圖形，然而更常用的是對所設計的系統，產品和工程的相關圖形進行人—機交互設計和修改，經過反復的選代設計，便可利用結果數據輸出零件表、材料單、加工流程和工藝卡，或者數據加工代碼的指令。在電子工業中，計算機圖形學應用到集成電路、印刷電路板，電子線路和網絡分析等方面的優勢十分明顯。在網絡環境下進行異地異構系統的協同設計，已成為CAD領域最熱門的課題之一。現代產品設計已不再是一個設計領域內孤立的技術問題，而是綜合了產品各個相關領域，相關過程，相關技術資源和相關組織形式的系統化工程。
CAD領域另一個非常重要的研究領域是基于工程圖紙的三維形體重建。三維形體重建是從二維信息中提取三維信息，通過對這些信息進行分類，綜合等一系列處理，在三維空間中重新構造出二維信息所對應的三維形體，恢復形體的點、線、面及其拓撲關素，從而實現形體的重建。
2.2科學計算可視化
目前科學計算可視化廣泛應用于醫學，流體力學，有限元分析，氣象分析當中。尤其在醫學領域，可視化有著廣闊的發展前途。依靠精密機械做腦部手術是目前醫學上很熱門的課題，而這些技術的實現的基礎則是可視化。當我們做腦部手術時，可視化技術技術將醫用CT掃描的數據轉化成圖象，使得醫生能夠看到并準確的判別病人的體內患處，然后通過碰撞檢測一類的技術實現手術效果的反饋，幫助醫生成功完成手術。我們利用了可視化技術。天氣氣象站將大量數據，通過可視化技術轉化成形象逼真的圖形后，經過仔細的分析就可以清晰的預見幾天后的天氣情況。
2.3圖形實時繪制與自然景物仿真
重現真實世界的場景叫做真實感繪制。真實感繪制主要是模擬真實物體的物理屬性，簡單的說就是物體的形狀，光學性質，表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置，遮擋關系等等。在自然景物仿真這項技術中我們需要過行消除隱藏線及面、明暗效應、顏色模型、紋理、光線跟蹤，輻射度等工作。這其中光照和表面屬性是最難摸擬的。而且還必須處理物體表面的明暗效應，以便用不同的色彩灰度來增加圖形的真實感。自然景物仿真在幾何圖形、廣告影視、指揮控制，科學計算等方面應用范圍很廣。除了建造計算機可實現的逼真物理模型外，真實感繪制還有一個研究重點是研究加速算法，力求能在最短的時間內繪制出最真實的場景。
2.4計算機動畫
隨著計算機圖形和計算機硬件的不斷發展，計算機動畫應運而生。事實上動畫也只是生成一幅幅靜態的圖象，但是每一幅都是對前一幅小部分修改，如何修改便是計算機動畫的研究內容，這樣，當這些連續播放時，整個場景就動起來。
早期的計算機動畫靈感來源于傳統的卡通片，在生成幾幅被稱作“關健幀”，連續播放時2個關健幀就被有機的結合起來了。計算機動畫內容豐富多彩，生成動畫的方法也多種多樣，比如基于特征的圖象變形，二維形狀混合，軸變形方法，三維自由形體變形等。近年來人們普遍將注意力轉向基于物理模型的計算機動畫生成方法。這是一種嶄新的方法，該方法大量運用彈性力學和流體力學的方程進行計算，力求使動畫過程體現出最適合真實世界的運動規律。然而要真正到達真實運動是很難的，比如人的行走或跑步，要實現很自然的人走路的畫面，計算機方程非常復雜和計算量極大，基于物理模型的計算機動畫還有許多內容需要進一步研究。
2.5計算機藝術
用計算機從事藝術創作，計算機圖形學除了廣泛用于藝術品的制造，如各種圖案、花紋及傳統的油畫、中國國畫等。還成功的用來制造廣告、動畫片甚至電影，其中有的影片還獲得了奧斯卡獎。這是電影界最高的殊榮。目前國內外不少人士正在研制人體模擬系統，這使得在不久的將來把歷史上早已去世的著名影視明星重新搬上新的影視片成為可能。這是一個傳統的藝術家無法實現也不可想象的。
關鍵詞：計算機圖形學；教學改革；實例教學；實踐教學
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）38-0051-02
《計算機圖形學》既是計算機科學研究領域中一門重要的學科，同時也是建立在傳統圖學、現代數學及計算機科學上的一門交叉學科。它已廣泛應用在于計算機輔助設計與制造、計算機輔助繪圖、計算機輔助教學、工業過程控制、計算機動畫藝術、科學計算可視化、人機交互和虛擬現實等諸多領域[1]。基于《計算機圖形學》領域的巨大發展和《計算機圖形學》課程教學中存在的諸多問題，有必要對該課程的教學進行改革，從而提升該課程的教學水平。《計算機圖形學》的研究內容主要包括圖形軟硬件、光柵圖形生成、真實感圖形計算與顯示、曲線曲面造型、人機交互技術、科學計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現實等[2]。
一、目前教學中存在的問題
《計算機圖形學》課程是一門理論與實踐結合性強的課程，這導致在實際教學過程中存在以下四個問題。
1.教與學的目的不統一。筆者通過教學過程中與學生的交流發現，大部分學生對本課程的理解不是很正確。他們之所以選修這門課程，主要是因為他們認為通過對《計算機圖形學》的學習可以處理漂亮的圖片、制作炫目的動畫和進行游戲編程等。然而該課程實際上是去探究實現這些操作的原理，是研究更本質的知識。學生一開始對該課程充滿好奇和期待，但隨著課程的深入講解，他們會感到本課程的理論知識枯燥，導致學習興趣不斷下降。
2.學生動手能力的不足。《計算機圖形學》這門課程要求學生具有較強的編程能力和動手能力，因為要掌握和實現一些圖形學基本算法。而在教學中發現，大部分學生的編程能力和動手能力都一般，很多任務不能正常完成，從而間接打擊了學生的積極性，使得他們對該課程的興趣與日遞減，最后轉為放棄學習。
3.課程設置不合理。《計算機圖形學》盡管是計算機科學的一門重要學科，但在計算機科學與技術專業并不是核心課程，因此在課程設置中只是將該課程作為高年級的方向選修課開設。很大部分選修學生不是真心想學習該課程，再加上這些學生對課程的理解也存在著偏頗。基于這個現狀，任課教師也就只能在實際授課時力求簡單，從而導致教師無法完成必需的教學內容。
4.實踐教學重視不夠。傳統教學模式只重視理論而忽視實踐，一方面表現在實踐課時安排上（本校課堂教學的課時是實踐教學的兩倍）；另一方面是開設的實驗更多的只是算法驗證性實驗。這使得原本很重要的實踐活動轉變為形式，這勢必阻礙學生運用所學圖形學理論知識提升其自身的創新能力。
二、教學改革具體措施
1.板書與多媒體相結合。多媒體教學作為現代教育的有效手段，確實具有傳統教學無法比擬的優勢，它信息量大、效率高、趣味性強，使教師的授課更便捷，讓算法的演示更形象具體，從而有利于激發學生的學習熱情，使教學效果達到最優化。因此，目前基本上所有的高校都采用多媒體方式進行授課。但其實對于圖形學這門課程，由于其涉及到大量的數學推導，比如，基本圖形的生成、圖形幾何變換和曲線曲面造型等，在多媒體教學的同時，需要運用板書進行相關數學推導，這可以使學生在教師板書的過程中學會思考，從而更好、更正確地理解各種圖形算法。
2.加強實例教學。由于圖形學課程需要掌握很多算法，因此在講解圖形學算法時，不能只講理論，這樣太空洞。應圍繞具體的實例進行教學，借助計算機技術（比如flash）對一些算法進行動畫模擬演示，從而使算法的描述更加形象化和具體化。這一方面有利于學生更快更好的掌握這些算法；另一方面也可以激發學生學習的熱情和積極性。比如，在講解“多邊形填充4連通邊界填充算法”時，利用flash演示像素入棧出棧原理，如圖1所示，更直觀地展示算法的基本思想，從而充分調動了學生的學習積極性，使其具備主動學習的能力。不過因為課時有限，演示實例不能太復雜，能把算法講解清楚即可。
3.加強實踐能力的培養。《計算機圖形學》理論和算法是比較深奧和難懂的，不是很容易掌握，但其實驗結果卻是直觀和生動的。該課程具有很強的實踐性和應用性，因此上機實驗是其重要環節。在教學過程中需要繼續加強學生實踐能力的培養，引導學生把所學的基本理論知識應用于實踐操作，不斷提高學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。《計算機圖形學》在本校的總學時數為48學時，其中的實驗課時數為14學時，這14個學時7次實驗基本能夠滿足課程實踐教學的需要。本課程的實驗根據難易程度可分為如下兩個層次[3]：①基本實驗。主要是為了鍛煉學生對算法的理解能力、算法到程序的轉換能力以及用VC編程實現算法的能力，主要包括基本圖形（直線、圓和橢圓）算法、線型和線寬的處理、字符的生成技術、線段的裁剪、二維和三維圖形的幾何變換和投影變換、曲線繪制等，要求學生能夠獨立完成。②綜合實驗。這類實驗包括多邊形裁剪算法、多邊形區域填充算法、區域圖案填充算法、多面體的消影、畫家隱面算法和Z-Buffer隱面算法等，它們無論從算法復雜性上還是程序編寫難度上都要高于基本實驗。可以考慮將學生分成若干小組，以小組的形式在規定的時間內完成。
參考文獻：
[1]陸楓，何云峰.計算機圖形學基礎（第2版）[M].北京：電子工業出版社，2011.
關鍵詞：計算機圖形學；實驗教學；教學改革
中圖分類號：TP391.41-4
計算機圖形學是研究通過計算機將數據轉換為圖形，并在專門顯示設備上顯示的原理、方法和技術的學科。從汽車的計算機輔助設計，到電視廣告、游戲，無一不應用計算機圖形生成技術。作為一門實踐性非常強的課程，與之配套的實驗教學環節顯得尤為重要。
1 實驗教學現狀
由于計算機圖形學是一門建立在多門學科之上的綜合叉學科，要求學生先修“程序設計”、“數據結構”等課程，課程中的許多算法抽象，原理難懂，實踐性強，學生在上課時看似聽懂算法原理，但面對具體問題則難以編程實現，致使學生的學習積極性隨著課程的推進而逐漸下降。傳統的“理論為主，實驗為輔”的教學模式，不僅使學生對于抽象的理論知識難以形成感性認識，還使學生無法將所學的原理和算法應用于實驗，容易產生學習挫敗感。
筆者認為該課程應理論與實驗并重，在理論教學的基礎上，應加強實驗教學環節。針對上述問題，建議實驗教學可從以下幾個方面進行改進。
2 實驗教學改革措施
2.1 合理設計實驗內容
《計算機圖形學》課程的理論內容包括基本圖形生成、曲線和曲面、圖形變換等。實驗教學中可根據教學進度安排六個實驗項目，分別是基本圖形生成算法程序設計、線寬與線型處理算法程序設計、區域填充算法程序設計、二維圖形裁剪算法程序設計、自由曲線繪制算法程序設計、二維圖形的幾何變換算法程序設計。
此外，為了讓學生能夠由淺入深地掌握教學內容，在實驗課程中還安排輔導性實驗和進階選做項目，譬如，在實驗課初始時安排熟悉使用VC中的MFC、OpenGL；在六個實驗項目之后安排三維圖形觀察、變換算法、分形幾何造型算法、自由曲面造型算法、真實感圖形繪制算法程序設計等項目，作為學生分組團隊選做項目。通過驗證性實驗和設計性實驗相結合，提高學生應用圖形學應用能力。
例如，在基本圖形生成算法程序設計的DDA直線生成算法實驗中，學生在了解了DDA直線生成的數學原理之后，新建一個Win32 Application的“Hello World”程序，工程命名為：DDA直線生成算法，打開DDA直線生成算法.cpp文件，加入如下代碼：
2.2 科學設計課堂活動
計算機圖形學實驗課與大多數實驗課類似，采用傳統的教學模式：先由教師設計好實驗的題目、內容和重點，然后學生上機編寫、調試代碼程序，同時教師輔導、答疑，最后學生撰寫實驗報告。該模式的弊端在于，由于大多數學校師生比不足，造成實驗課上老師只能解答主動提問的學生的問題，而部分學生特別是學習主動性不足的學生則在機房上網或對實驗任務無所適從，提不起興趣。不少學生的實驗報告也是敷衍了事，甚至互相抄襲，達不到課程的實踐效果。
為了培養學生的動手能力，除了安排個人上機實驗任務之外，教師還可以采用分組教學，團隊合作的形式組織教學。在實驗課上引入幾個難度相近的實驗項目，由學生自由分組，選題，完成實驗內容。教師參與學生的分析與討論，并適當給予修改意見。實驗完成后各組展示實驗結果，分組之間相互比較、評價，總結出同一問題的多種解決思路和算法。此外，在期末還可以安排學生分組完成綜合性較強的設計性實驗，要求設計出包含理論教學中有關算法原理的作品，并撰寫實驗報告和實驗心得。分組教學不僅激發了學生的學習興趣，讓學生從被動接受知識變為主動獲取知識，還增強了學生動手實踐能力和理論聯系實際的能力。
2.3 改進教學方法
目前，實驗課教學主要采用多媒體教學，實驗課在計算機實驗室進行。教師課前應收集或制作相關的教學資源，將抽象的算法原理與實際應用相結合，通過直觀的或動態的演示向學生介紹算法原理。例如，可以用Flas演示二維圖形的變換，三維圖形的變換過程可以投影用3D MAX軟件來演示。同時，還可以采用讓學生上講臺講課的方式開展教學。把講臺留給學生，讓學生備好課，以學生的角度介紹實驗內容，展示自己的實驗成果等，最后由老師進行補充或更正。這種教學方式一改老師完全主導實驗課堂的局面，充分調動了學生的學習積極性，讓學生善于思考，敢于創新，實驗課不再是老師對學生的單向交流的枯燥教學活動。
2.4 改革實驗考核方法
以往的計算機圖形學課程成績采用理論卷面考核成績為主、上機實踐成績為輔的考核方式。在強化實驗教學環節之后，為避免學生死記硬背算法原理，考完即忘，可將考核方式改為理論考試成績與實驗成績并重，即課程成績除了包含理論課的卷面成績之外，還包括實驗成績。實驗成績由個人獨立實驗部分和團隊分組實驗部分組成。個人獨立實驗部分要求完成圖形學基本算法的程序設計。教師根據學生的實驗完成情況給分。團隊分組實驗部分提供有一定難度的選做項目。團隊分組實驗部分的成績，由教師評分和各組學生代表評審小組的評分組成。
3 結束語
本文針對傳統的計算機圖形學實驗教學模式中存在的不足，提出了改進實驗教學的教學組織模式和教學方法，以課內理論知識為基礎，加強實驗實踐環節，發揮學生的學習主觀能動性，培養學生的動手實踐能力和創新能力，最終能夠運用所學算法理論分析問題和解決問題。
參考文獻：
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作者簡介：雷蕓（1979-），廣西南寧人，講師，研究方向：圖像處理、教育技術史。
1. 引言
隨著集成電路制造工藝的快速發展，圖形處理器(GPU，Graphics Processing Unit)作為計算機顯示系統的核心部件在最近幾年得到了飛速發展，眾多計算機圖形學應用得以迅速普及。這些應用表明，三維圖形生成和顯示技術將成為未來軟件產品能否成功的一個關鍵因素。計算機圖形學應成為計算機及其相關專業學生必須掌握的一門基礎專業課程。
目前，國內的計算機圖形學課程教學基本取材于幾本經典的教科書，這些教科書重點講述20世紀70年代、80年代的圖形技術，強調計算機圖形學的數學基礎。此外，國內計算機圖形學課程的從教人員年齡差別很大，大部分于20世紀80年代或90年代初從事該門課程的教學工作。由于成長環境的局限性和教學方法的沿襲，很多青年教師講授計算機圖形學課程時也強調圖形學的數學基礎，使得計算機圖形學成為計算機及其相關專業學生很難掌握的一門課程。這種強調數學基礎的教學方案適合數學基礎優秀的學生，對于數學功底一般的計算機類學生難以適用。雖然有教師從實用角度出發來講授計算機圖形學技術，但對理論基礎涉及較少，也難以深入，學生很難建立計算機圖形學這門學科的體系框架。
針對上述教學中的不足，我們在吸收美國知名大學在該門課程的教學經驗基礎上，制定了計算機圖形學的教學方案和實踐環節。通過與微軟亞洲研究院等工業界研究機構進行精品課程和科研項目交流與合作，進一步修訂了課程方案，強調培養學生的創新能力。我們還在教學過程中增加了面向學科前沿的內容，使學生能及時了解學科發展的最前沿，開闊視野，為從事科學研究打下良好的基礎。
2. 指導原則和教學目標
我們吸收了計算機圖形學領域國際頂尖大學（如Stanford、UC Berkeley、MIT、CMU、 Princeton、UIUC）教材選擇、實驗環節和課件的優點，通過與微軟亞洲研究院進行精品課程和研究項目資助活動，在CC2001、SE2004、SGE2004[CC2001][SE2004][SGE2004]的基礎上進一步修訂教學內容，使得它能夠反映工業界對人才的需求和學科最新進展。同時，授課內容也反映任課教師自己的研究方向和特色，用科研來促進教學和人才培養。
該課程主要面向復旦大學軟件學院高年級本科生，其教學目標要求與學院整個辦學思路和人才培養理念保持一致。計算機圖形學課程的教學目標包括三個層次。首先，通過本門課程的學習，學生可使用當代圖形API（如Direct3D、OpenGL等）編寫圖形應用程序，并將這類程序與其他應用相結合。其次，通過課程學習，學生不僅對計算機圖形學有一個全面、感性的認識，了解學科前沿，同時能夠理解和實現部分經典算法。再次，尋找一個可行解決方法對模型進行求解，利用解決方法對問題進行測試，驗證模型及其解決方案的正確性訓練學生以圖形作為工具，對實際問題進行可視分析、建模和求解技能。
盡管國際和國內計算機圖形學課程涉及的學生專業背景和從教人員背景具有很大差異，我們相信上述這種重實踐、求創新、著重培養解決問題能力的課程教學和人才培養模式都具有很大的參考價值。在保持上述教學和人才培養模式精髓前提下，從教人員可以根據具體情況來制定教學方案和實踐環節。
3．教學方案
我院計算機圖形學課程設置為2個學分，講授36學時。學分和學時數比國內和美國高校偏少，因此我們在教材選擇、教學內容和實踐環節等方面都進行了仔細思考和精心設計，來實現上述教學目標。
我們選擇Donald Hearn和M. Pauline Baker合著的《Computer Graphics with OpenGL》第三版作為教材[Hearn2003]。該教材取材豐富，以跨平臺的開放圖形庫OpenGL為基礎，介紹計算圖形學的基礎理論、基本概念和基本算法。學生可將教材示例程序在PC上運行，從而獲得對教學內容的直觀理解。由于這本教材的理論講解不夠深入，我們推薦[Moller2002][Foley97]作為參考書，并指定[Woo97] 作為必讀資料，通過熟悉OpenGL編程接口規范并進行應用程序編寫，讓學生對圖形學基礎理論、基本概念和基本算法有深入理解。
考慮到計算機圖形學課程涉及領域較多，我們沒有采用雙語教學，而是以中文講授課程，但使用英文教材、英文課件和板書，而且作業和考試也采用英文命題。在教學方面，我們借鑒美國優秀大學的先進教育方法，主講教師上課主要側重課程的要點、難點和方法以及理念，具體細節要求學生課后學習和實踐。這種授課方法要求學生在課后自學來強化對基本概念、基礎理論和算法的理解和掌握，有效地彌補了學時的不足。同時，我們借鑒國外大學經驗，為該課程配備3名教學助理(Teaching Assistant―TA)，達到了平均20名學生配備一名TA。TA和主講教師一起，根據課程內容和學生反饋意見設計作業(Homework)和實習項目(Project)，并通過多種方式給予學生指導和幫助。
該門課程的教學內容涵蓋了ACM SIGGRAPH和Eurographics教育委員會推薦方案的絕大部分內容[SGE2004]，同時考慮到軟件工業的特點、工業界需求和學院的科研特色，我們還增加了該學科的最新進展的相關內容，具體教學安排如下。
第一講為引言。首先介紹計算機圖形學的研究內容、應用領域、典型圖形系統的構成和獲得ACM 圖靈獎(Turning Award)的兩位圖形學者。接著，講述圖形系統的輸入設備和顯示設備。然后，以圖形繪制為主線，回顧真實感和非真實感圖形的歷史，直到目前最熱門的表面細節繪制、基于圖像的繪制和基于相機陣列的繪制技術。
第二講主要介紹二維圖形技術。以畫直線算法為例，講解光柵圖形與矢量圖形的不同之處。介紹曲線離散為多個直線段的思想和原理，從而完成曲線繪制。通過多邊形掃描轉化和種子添充算法，介紹簡單二維幾何圖形的光柵化技術。
第三講重點講述幾何變換。包括物體的平移、旋轉、錯切、縮放變換；幾何變換的矩陣表示形式和多個變換的復合方法，重點解釋齊次坐標引入的必要性。最后，以場景圖(Scene Graph)為例, 介紹變換的層次控制方法。
第四講和第五講圍繞圖形繪制流水線，講述繪制流水線涉及的每個環節。包括物體的多邊形表示方法、模型變換、取景變換、投影變換、視口變換、二維幾何元語裁剪等多個關鍵步驟和算法。
第六講為場景消隱技術。介紹了背面剔除、畫家算法等物體空間隱藏面去除算法，以及多個圖像空間消隱算法，如Z-buffer、面積細分、光線投射(Ray casting)、BSP樹等。
關鍵詞：圖形學；發展；應用
一、計算機圖形學的發展
計算機圖形學是利用計算機研究圖形的表示、生成、處理，顯示的科學。經過30多年的發展，計算機圖形學已成為計算機科學中最為活躍的分支之一，并得到廣泛的應用。1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學院（MIT）旋風一號——（Whirlwind）計算機的附件誕生．該顯示器用一個類似示波器的陰極射線管（CRT）來顯示一些簡單的圖形。在整個50年代，只有電子管計算機，用機器語言編程，主要應用于科學計算，為這些計算機配置的圖形設備僅具有輸出功能。計算機圖形學處于準備和醞釀時期，并稱之為：“被動式”圖形學。
二、計算機圖形學在曲面造型技術中的應用
曲面造型技術是計算機圖形學和計算機輔助幾何設計的一項重要內容，主要研究在計算機圖象系統的環境下對曲面的表示、設計、顯示和分析。它肇源機、船舶的外形放樣工藝，經三十多年發展，現在它已經形成了以Bezier和B樣條方法為代表的參數化特征設計和隱式代數曲面表示這兩類方法為主體，以插值（Intmpolation）、擬合（Fitting）、逼近（Ap-proximation）這三種手段為骨架的幾何理論體系。隨著計算機圖形顯示對于真實性、實時性和交互性要求的日益增強，隨著幾何設計對象向著多樣性、特殊性和拓撲結構復雜性靠攏的趨勢的日益明顯，隨著圖形工業和制造工業邁向一體化、集成化和網絡化步伐的日益加快，隨著激光測距掃描等三維數據采樣技術和硬件設備的日益完善，曲面造型在近幾年來得到了長足的發展。
2．1從研究領域來看，曲面造型技術已從傳統的研究曲面表示、曲面求交和曲面拼接，擴充到曲面變形、曲面重建、曲面簡化、曲面轉換和曲面位差。
曲面變形（DeformationorShapeBlending）：傳統的非均勻有理B樣條（NURBS）曲面模型，僅允許調整控制頂點或權因子來局部改變曲面形狀，至多利用層次細化模型在曲面特定點進行直接操作；一些簡單的基于參數曲線的曲面設計方法，如掃掠法（Sweeping），蒙皮法（skinning），旋轉法和拉伸法，也僅允許調整生成曲線來改變曲面形狀。計算機動畫業和實體造型業迫切需要發展與曲面表示方式無關的變形方法或形狀調配方法，于是產生了自由變形（fFD）法，基于彈性變形或熱彈性力學等物理模型（原理）的變形法，基于求解約束的變形法，基于幾何約束的變形法等曲面變形技術和基于多面體對應關系或基于圖象形態學中Minkowski和操作的曲面形狀調配技術。
2．2從表示方法來看，以網格細分（Sub-division）為特征的離散造型與傳統的連續造型相比，大有后來居上的創新之勢。而且，這種曲面造型方法在生動逼真的特征動畫和雕塑曲面的設計加工中如魚得水，得到了高度的運用。
三、在計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）的應用
這是一個最廣泛，最活躍的應用領域。計算機輔助設計（ComputerAidedDesign，CAD）是利用計算機強有力的計算功能和高效率的圖形處理能力，輔助知識勞動者進行工程和產品的設計與分析，以達到理想的目的或取得創新成果的一種技術。它是綜合了計算機科學與工程設計方法的最新發展而形成的一門新興學科。計算機輔助設計技術的發展是與計算機軟件、硬件技術的發展和完善，與工程設計方法的革新緊密相關的。采用計算機輔助設計已是現代工程設計的迫切需要。CAD技術目前已廣泛應用于國民經濟的各個方面，其主要的應用領域有以下幾個方面。
3.1制造業中的應用。CAD技術已在制造業中廣泛應用，其中以機床、汽車、飛機、船舶、航天器等制造業應用最為廣泛、深入。眾所周知，一個產品的設計過程要經過概念設計、詳細設計、結構分析和優化、仿真模擬等幾個主要階段。同時，現代設計技術將并行工程的概念引入到整個設計過程中，在設計階段就對產品整個生命周期進行綜合考慮。當前先進的CAD應用系統已經將設計、繪圖、分析、仿真、加工等一系列功能集成于一個系統內。現在較常用的軟件有UGII、I-DEAS、CATIA、PRO/E、Euclid等CAD應用系統，這些系統主要運行在圖形工作站平臺上。在PC平臺上運行的CAD應用軟件主要有Cimatron、Solidwork、MDT、SolidEdge等。由于各種因素，目前在二維CAD系統中Autodesk公司的AutoCAD占據了相當的市場。
3．2工程設計中的應用。CAD技術在工程領域巾的應用有以下幾個方面：①建筑設計，包括方案設計、三維造型、建筑渲染圖設計等。②結構設計，包括有限元分析、結構平面設計、框/排架結構計算和分析等。③設備設計，包括水、電、暖各種設備及管道設計。④城市規劃、城市交通設計，如城市道路、高架、輕軌等。⑤市政管線設計，如自來水、污水排放、煤氣等。⑥交通工程設計，如公路、橋梁、鐵路等。⑦水利工程設計，如大壩、水渠等。⑧其他工程設計和管理，如房地產開發及物業管理、工程概預算等。
3．3電氣和電子電路方面的應用。CAD技術最早曾用于電路原理圖和布線圖的設計工作。目前，CAD技術已擴展到印刷電路板的設計（布線及元器件布局），并在集成電路、大規模集成電路和超大規模集成電路的設計制造中大顯身手，并由此大大推動了微電子技術和計算及技術的發展。
3．4仿真模擬和動畫制作。應用CAD技術可以真實地模擬機械零件的加工處理過程、飛機起降、船舶進出港口、物體受力破壞分析、飛行訓練環境、作戰方針系統、事故現場重現等現象。在文化娛樂界已大量利用計算機造型仿真出逼真的現實世界中沒有的原始動物、外星人以及各種場景等，并將動畫和實際背景以及演員的表演天衣無縫地合在一起，在電影制作技術上大放異彩，拍制出一個個激動人心的巨片。:
3．5其他應用。CAD技術除了在上述領域中的應用外，在輕工、紡織、家電、服裝、制鞋、醫療和醫藥乃至體育方面都會用到CAD技術。CAD標準化體系進一步完善；系統智能化成為又一個技術熱點；集成化成為CAD技術發展的一大趨勢；科學計算可視化、虛擬設計、虛擬制造技術是CAD技術發展的新趨向。
CG的由來
CG是英語Computer Graphics的縮寫，是一種使用數學算法將二維或三維圖形轉化為計算機顯示器的柵格形式的科學。簡單地說，計算機圖形學的主要研究內容就是研究如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關原理與算法。
利用計算機技術進行視覺設計和生產。它既包括技術也包括藝術，幾乎涵蓋了利用計算機技術進行的所有的視覺藝術創作活動，如平面設計、網頁設計、三維動畫、影視特效、多媒體技術，以及計算機輔助設計的建筑設計等。現在CG的概念正在擴大，已經形成一個可觀的經濟產業，我們提到CG時，一般可以指以下四個主要領域：CG藝術與設計、游戲軟件、動畫、漫畫。
CG動畫指電腦制作動畫，就是電腦原先就制作好了的動畫，主機只需要播放就可以了。跟它相對應的是即時演算動畫，是一段程序需要主機進行計算才能播放出的動畫。一般來說，CG動畫的畫面要比即時演算的強上不少，占用的空間也比即時演算的要少。但是CG動畫缺少變化性，無法即時更改動作。
在電影特技中的應用
計算機動畫的一個重要應用就是制作電影特技 可以說電影特技的發展和計算機動畫的發展是相互促進的。1987年由著名的計算機動畫專家塔爾曼夫婦領導的MIRA 實驗室制作了一部七分鐘的計算機動畫片《相會在蒙特利爾》 再現了國際影星瑪麗蓮·夢露的風采。1988年，美國電影《誰陷害了兔子羅杰》（Who Framed Roger Rabbit？）中二維動畫人物和真實演員的完美結合，令人瞠目結舌、嘆為觀止 其中用了不少計算機動畫處理。1991年美國電影《終結者II：世界末日》展現了奇妙的計算機技術。此外，還有《侏羅紀公園》（Jurassic Park）、《獅子王》、《玩具總動員》（Toy Story）等。
行業趨勢
計算機圖形學狹義上是一種研究基于物理定律、經驗方法以及認知原理，使用各種數學算法處理二維或三維圖形數據，生成可視數據表現的科學。它是計算機科學的一個分支領域與應用方向，主要關注數字合成與操作視覺的圖形內容。廣義上來看，計算機圖形學不僅包含了從三維圖形建模、繪制到動畫的過程，同時也包括了對二維矢量圖形以及圖像視頻融合處理的研究。計算機圖形學經過將近40年的發展，已進入了較為成熟的發展期。目前，其主要應用領域包括計算機輔助設計與加工，影視動漫，軍事仿真，醫學圖像處理，氣象、地質、財經和電磁等的科學可視化等。由于計算機圖形學在這些領域的成功運用，特別是在迅猛發展的動漫產業中，帶來了可觀的經濟效益。動漫產業是目前各國優先發展的綠色產業，具有高科技、高投入與高產出等特點。據統計，截至2009年3月，美國動畫夢工廠所拍攝的三維動畫片《怪物史萊克II》在預算為1.5億美元的情況下，獲得了超過9.2億的全球累計票房。而我國在2008年度共制作完成的國產電視動畫片249部，計131042分鐘，與2007年度相比增加了近28%。另一方面，由于這些領域應用的推動，也給計算機圖形學的發展提供了新的發展機遇與挑戰。
圖形渲染是整個圖形學發展的核心。在計算機輔助設計，影視動漫以及各類可視化應用中都對圖形渲染結果的高真實感提出了很高的要求。同時，由于顯示設備的快速發展，人們要求能提供高清分辨率（1920x1080），進一步要能達到數字電影所能播放的4K分辨率（4096x2060）；色彩的動態范圍也希望從原來每個通道的8Bit提高到10bit及以上。雖然已有的圖形學方法已經能較為真實地再現各類視覺效果，然而為了能提供高分辨率高動態的渲染效果，必須消耗非常可觀的計算能力。一幀精美的高清分辨率圖像，單機渲染往往需要耗費數小時至數十小時。為此，傳統方法主要采用分布式系統，將渲染任務分配到集群渲染節點中。即使這樣，也需要使用上千臺計算機，耗費數月時間才能完成一部標準90分鐘長度的影片渲染。
計算機圖形學在追求真實感方向的研究發展已進入一個發展的平臺期，基本上各種真實感特效在不計較計算代價的前提下均能較好得以重現。然而，人們創造和生成圖片的終極目的不僅僅是展現真實的世界，更重要的是表達所需要傳達的信息。例如，在一個所需要描繪的場景中每個對象和元素都有其相關需要傳達的信息，可根據重要度不同可采用不同的繪制策略來進行分層渲染再加以融合，最終合成具有一定表意性的圖像。為此，研究者已經開始研究如何與圖像處理、人工智能、心理認知等領域相結合，探索合適表意性圖形生成方法。而這一技術趨勢的興起，實際上延續了已有的非真實感繪制研究中的若干進展，必將在未來有更多的發展。
總 結
CG技術隨著計算機技術的發展，開始為影視視覺服務，從最早pixar開始運用電腦將手繪的二維動畫往三維CG動畫發展，影視動畫就開始蓬勃發展，從1995年pixar公司的《玩具總動員》成功上映，到2011年《變形金剛3》《怪物史瑞克3》站上電影票房之巔。無不預示著電影動畫的發展前景。而中國第一部全三維動畫電影有環球數碼制作的《魔比斯環》在2006年成功上映奠定了中國CG影視的第一步，到今中國CG不斷發展，衍生出很多CG影視公司，拉動了整個產業的發展和就業。未來中國CG動畫還將蓬勃發展。
（作者單位：遼寧科技大學）
作者簡介：
關鍵詞：IPR-CDIO；計算機圖形學；做中學；教材建設
CDIO(Conceive、Design、Implement、Operate，即構思、設計、實現、運行)是國外高等工科教育的一種創新模式。它以產品從研發到運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間存在有機聯系的方式學習工程[1]。CDIO因其具有與社會需要一致性、國際先進性、實踐可操作性、全面系統性和普遍適應性等特點而被國際上多所院校所采納，其先進的教育理念已被中國高等工程教育界所接受，有近40所高校正在中國化試點，浙江萬里學院是其中之一。我們學習CDIO教育理念，結合多年的改革實踐，創新地提出了IPR-CDIO(Interest、Perseverance、Responsibility，即興趣、毅力、責任)教育思路，即將學生的探索熱情與興趣、持之以恒的精神和社會責任感的培養，融入到不同級別項目研發過程[2]。通過項目構思和設計，培養學生的創新意識和創新思維，通過項目的實現和測試運行，培養學生的專業技能，同時借助項目團隊式組織形式、角色化任務分工，激發學生的參與興趣，鍛煉其團隊合作和溝通交流能力，培養其責任感。IPR-CDIO教育宗旨與國家教育方針一致，與“十二五”高等教育重點工作、卓越人才培養目的是完全吻合。
課程是人才培養的基本單元，IPR-CDIO教育理念必須通過各門課程來實施，因此課程設計非常關鍵。根據課程地位和性質整合知識點，我們設計出能培養學生知識學習、技能訓練、素質成長于一體的小項目，設計為完成項目、訓練IPR素質而采用的教學方法，并使課程知識內容、項目實施、教學方法、教材選擇有機融合，形成一體化的課程教學體系。下面以計算機圖形學為例，說明如何基于IPR-CDIO理念進行課程設計、教學實施及教材建設。
1基于IPR-CDIO理念的課程設計
IPR-CDIO強調以興趣為先，社會責任與工程能力訓練為本。計算機圖形學作為高年級學生的專業應用性課程，因其算法較為繁雜、學科交叉性強、編程技術需求高而成為計算機專業學生的難點課程，加上后續的畢業實習、畢業設計、就業等因素影響，教與學都難以實施。但是課程本身的實用性和趣味性比較強，如果設計與引導好，既可激發學生的學習熱情，又對后續的實習、設計或就業產生積極推進作用。
課程前端基礎是具有“程序設計基本能力”，目標是“圖形算法原理理解、編程實現及綜合應用能力培養”，體系以實現目標為主線，借助知識框架構建知識體系，通過項目實施過程完成能力培養途徑，使得知識學習、項目訓練、能力培養融為一體。其教學體系如圖1所示。
圖1基于IPR-CDIO理念的計算機圖形學教學體系
其中，課程教學內容抽取了核心知識框架：課程概述(地位、性質、用途、目標)、二維圖形核心知識、三維圖形設計核心知識、真實感圖形處理原理等。這些知識的理解是支撐CDIO項目實施的基礎。同時，課程設計了兩個綜合性項目：一是“計算機圖形學的應用研究與綜述”，鼓勵學生以小組為單位查閱文獻資料，對圖形技術在某一領域的應用發展情況進行綜述，撰寫提交綜述報告。目的是激發學生對某領域的研究興趣，同時鍛煉文獻綜述的寫作能力，為畢業設計中的文獻綜述奠定基礎；二是“基于圖形技術的作品設計”，要求每組完成一個完整的CDIO項目過程，即從需求分析(C)、方案設計(D)、代碼編寫(I)，到作品測試(O)、答辯驗收。目的是訓練學生按照軟件工程的思想經受一次項目研發歷程，并體會過程中的合作精神、責任意識及成就感。
課程項目設計是IPR-CDIO教學實施的核心，針對不同性質和級別的課程，項目內涵不一樣，前沿領域的研究、核心算法的分析與實現、模擬小項目實施、綜合課程知識的作品等，均可成為項目；課程級項目也要有研究的內涵，具有啟發引導的目的和意義，而且要大小適中，太大了難以完成，會挫傷學生學習的興趣，太小了又起不到訓練的作用。科學合理的項目設計一定是經過課程組精心研究、多輪實踐而逐漸形成。
2教學實施
教學方法是激發學生興趣的源泉。CDIO倡導“做中學”教學法，目的是調動學生學習的主動性、積極性和創新性。美國著名哲學家、教育學家和心理學家杜威指出：“從做中學是比從聽中學更好的學習方法”，“學與做相結合的教育將會取代傳授他人學問的被動的教育[3]”。CDIO項目設計的目的就是將學生分成小組置于“做項目”的情景之中，為了完成課程學習任務，他們必須去做，去學習探索，去討論解決問題，在堅持完成整個項目生命周期的過程中，達到項目實施能力和IPR素養的鍛煉與提高。
在第一次課堂教學中要講述課程教學目標、布置項目任務、公布評價指標、設計學生分組等環節，充分展示課程學習藍圖，激發學生想“做”的愿望和興趣，抓住興奮點。該課程在項目實施過程中，設有幾次大討論：應用綜述、需求分析、方案設計、作品預演、結果匯報等，使所有學生都有展示、表達的機會，特別是最后的作品匯報中，完全模擬畢業設計答辯過程，全體課程組教師和部分學生代表作為評委，目的是鍛煉學生對問題的描述水平，口頭表達及應變能力。
CDIO把“不求人人成功，但求人人進步”作為教學所追求的一種境界，同時也將之作為教學評價的目標和尺度[2]。以各個小組在達成目標過程中的表現與效果作為評價與獎勵的標準，這種機制可以把個人之間的競爭轉化為小組之間的競爭，從而促使小組內部的合作，增強成員的責任感。
計算機圖形學設計了如表1所示的多元評價指標，即評價內容、主體及方法都是多元化的。從表中看出項目合作過程的成績占總成績的70%，有50%的成績是對整個小組進行評價，促進學生增強團隊協作精神和集體榮譽意識。
這種多元評價方式，杜絕了部分學生靠投機取巧獲取高分的現象，有利于促進學生自覺地參與小組項目合作過程，腳踏實地完成自己的任務，有利于增強學生的自信心和小組集體榮譽感，促進學生反思不足、認識差距，不斷進步與發展。
教師(或工程師)在課程項目實施過程中，主要起引導或指導作用。針對項目實現中涉及的數學知識、編程技巧、藝術修養等，教師首先鼓勵學生自主學習、小組討論，或與相關專業同學協作等方式去解決問題，通過做中學、在討論中成長的教學方法，鍛煉學生自主解決問題的能力，最后教師要給予評價、總結與后續提升的引導，促進學生向更高的目標邁進。
3教材建設
課程教學改革的最好成果是教材，良好的教材又能喚起學習欲望、提示探究課題、引導學習方法、促進個性發展、鞏固知識掌握等。教材內容必須具備“易用、時新、精煉、適用”的特點。即教材內容能反映本學科基本原理、思想、技術和方法在相關現實領域的典型應用，展示具體環境、條件、方法和效果，培養學生根據現實問題選擇合適的科學理論、概念、思想、技術和方法去分析、解決實際問題的意識和能力[4]；教材內容要及時反映本學科的最新發展、最新技術成就及其最新應用，保證學生“學以致用”；教材內容要精煉，緊密結合人才培養及課程教學目標的需求，精選有益于學生后續學習與發展的核心知識和技能要點，優化整合、去粗取精、詳略得當；教材內容與課程教學目標、教學改革思路以及教學對象相適宜，例子要具體實用，而且具有引導啟發性，使學生能夠“看得見、摸得著”，且能促進學生“深下去、見成效”。
多年來，老師對計算機圖形學教材的選擇一直比較困難。最早是從國外引進原版教材，然后是由孫家廣教授編寫、清華大學出版社的《計算機圖形學》一版、二版、三版、新版，幾乎統領了國內該課程的教材，直至現在還是考研的參考書，后有潘云鶴院士的《計算機圖形學――原理、方法及應用》經典教材等等，這些教材普遍特點是內容非常系統、內容描述全面，頁碼較多。其主要思想是以理論原理、算法分析為重點，較少的算法實現例子也是偽碼說明，使得數學基礎較差、編程能力不強的普通高校學生望而生畏，不適合作為他們的教材使用。后來有一些薄本教材面市，但大多以算法實現為主，書內大多是程序代碼，相當于程序設計類教材，也不適用。
課程組編寫的講義經過幾年使用后，于2008年由機械工業出版社正式出版，書名為《計算機圖形學基礎及實用教程》，被多所院校所選用。目前，借助于寧波市特色教材項目資助，我們正在對這本教材進行改編，知識點更加優化，將前期不太系統的案例進行集成等。該書特點是基于CDIO工程教育理念，設計一個完整的案例――圖形學算法實現系統，該系統以分散的形式貫穿于整個章節，串起課程的核心理論知識點及算法實現的技術要點；學生通過實驗訓練，又可將分散的系統進行集成。每章的知識與算法實現自成一體，目的是使學生借助于教材的引導進行“學中做”，將主要章節的實驗都完成時，系統的完整性就體現出來了，使得學生體會到“做中學”所帶來的成就感。而且在每章之后都有帶提示和引導的“超越與提高”，目的是啟發學生深入探究下去，鍛煉其自主學習意識與創新能力。
該教材有效推進了以CDIO教育理念指導的課程教學改革，有效地將理論知識與實驗項目、知識學習與項目研發、自主學習與小組研討有機結合。對基于項目的一體化教學起到了有力的支撐作用，學生從簡單的模仿、模擬入手，由少及多地對原系統進行改進，最后達到自主設計，完成一個獨立的系統研發作品，并作為課程學習考核的主要依據，大大激發了學生的學習創作熱情，取得了良好的教學成效。
4結語
CDIO式項目化訓練在計算機專業已經實施五年，教學效果明顯，學生的自主學習能力、創新意識、項目研發與設計能力等都得到加強，極大地鍛煉了學生的合作意識、溝通交流能力，畢業生就業質量普遍提高。就計算機圖形學課程而言，我們將IPR-CDIO
項目融入課程教學的全過程已經4屆，在畢業設計中有40余人次選擇與圖形學相關的課題，做出了30余件畢業設計作品，有的作品成為教學案例，有的作品成為學生就業的敲門磚，有作品獲得了省、市級學科競賽獎，有的學生在教師指導下發表了論文等。大多數畢業生在上海、杭州等大型軟件公司做游戲開發、動畫設計工作，有些已經成為項目經理、部門負責人，還有已遠涉日本從事外包軟件設計等工作。
計算機圖形學教學改革，不僅挖掘了課程本身的效力，培養出高質量的學生，而且也促進了該課程的有效建設。課程性質從選修到必修，再到核心；課程立項為校級精品建設；課程組成員職稱與學歷不斷提升，科研和教研能力較強，主持國家級自然科學基金項目1項、省級和市級3項，主持省教學成果二等獎1項、科研成果三等獎1項。該課程改革大力推進了計算機專業的改革與發展，在學校創新實驗區的基礎上，我院計算機專業被立為教育部CDIO課題組的試點專業、浙江省軟件服務外包試點專業。
總之，IPR-CDIO教學思想已經深入到多門課程教學，計算機圖形學只是其中的一例，隨著課程教學改革的深入開展，基于能力和素質培養為目標的IPR-CDIO教學理念必將體現出其科學性、實用性、先進性與推廣性，我們將堅持不懈，為探索培養社會必需的優秀人才而努力。
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Reform of Curriculum and Textbooks Based on IPR-CDIO
――An Example of Computer Graphics
WANG Renfang, LI Jifang, CHAI Bencheng
(College of Computer Science and Information Technology, Zhejiang Wanli University, Ningbo 315100, China)
Abstract: Computer Graphics teaching is difficult. According to IPR-CDIO education concept, the methods have been maked a detailed analysis by this article in teaching system design, teaching process implemened and corresponding textbooks construction. This teaching pattern has achieved good teaching effect .
關鍵詞：計算機圖形學；教學模式；能力導向；教學改革
1研究背景
計算機圖形學是計算機科學領域中一個重要而又年輕的學科，它是隨著計算機硬件特別是圖形顯示設備的發展而逐漸產生發展起來的。該學科主要研究利用計算機顯示、生成和處理圖形的基本原理、方法和技術，涉及數學、物理、計算機、心理學等多個學科的交叉融合，相關問題的討論往往涉及比較復雜的算法和比較抽象的理論[1]。因此，該課程具有較強的綜合性、理論性和實踐性。
筆者將“以能力為導向”的教學理念融入計算機圖形學教學實踐過程中，研究如何恰當地組織教學內容，有效調整教學模式，高效運用教學手段，合理分配實驗環節，使學生從“要我學”的被動接受知識型學習模式轉變到“我要學”的主動學習型模式。在基本理論和基本技能培養的基礎上，更進一步加強實踐動手能力和創新能力的培養，達到知識傳授和能力培養的有效結合。實踐證明，通過一系列改革，我校在提高教學質量，培養學生能力方面都取得了較好成果。
2教學現狀
由于計算機圖形學具有廣泛的應用領域，且該課程名稱本身具有吸引力，很多學生在剛剛接觸這門課時有極大的興趣，特別是影視動畫和游戲愛好者，都抱著極大的期望，幻想能通過該課程的學習制作精美動畫，開發精彩的游戲。然而，在后續的學習過程中，學生的積極性和主動性逐漸消失，學習的信心所剩無幾，最終導致整個學習過程變為被動接受。究其原因，主要有以下幾點。
1) 學科本身難度較大。計算機圖形學是建立在傳統的圖學理論、現代數學和計算機科學基礎上的一門新興學科，涉及多個學科的相關知識，學科交叉繁雜，且新的應用領域又不斷拓展，使該學科內容豐富、算法眾多、理論性和實踐性較強。而當前的教科書大多以基礎原理和理論講解為主，詳細展示了多種算法的推導、優化和發展過程，對這些內容的理解需要學生有很好的工科基礎，特別是數學基礎，也需要教師在講課過程中有清晰的思路和清楚的表達。即便是這樣，也往往造成課堂教學枯燥無味，而學生也經常被這些算法所困擾，產生畏懼心理。
2) 教學觀念落后。傳統的教學觀念強調知識傳授，看重學生對知識點的掌握、重難點的理解。因此，教師備課時往往根據知識點來安排課堂內容，對大綱中要求的章節重要知識點作較詳細的講解。這樣很容易形成滿堂灌的課堂局面，學生也自然而然地習慣了老師講到哪兒就聽到哪兒，聽到哪兒就學到哪兒，學習主動性和積極性基本喪失。如果學生課下不看書復習，即使每節課的知識點掌握了，也很難完整理解整個知識結構，很難融會貫通所學知識，對知識的理
解只能停留在“只見樹木，不見森林”的層面。教學觀念的落后也會導致較落后的實驗教學，大部分實驗停留在算法驗證性實驗上，不能激發學生的興趣和主動思考問題、解決問題的科學探索激情。
3) 考核方式單一。“以知識為導向”的傳統教學觀念也導致了考核方式具有單一性，主要以理論考試為主，試題形式主要是填空、選擇、判斷、名詞解釋、簡答、計算等，試題內容要求盡可能多地涵蓋大綱中的知識點。這常常導致學生把大量的精力和時間放在對基本概念和基礎知識的理解和記憶上，考試成績高的學生，有可能動手能力差。因此，這種考核方式無法真正考核學生對知識的掌握及應用能力，也不利于學生創新意識的培養。有些教師也將實驗成績按比例添加到總成績中，但對實驗過程沒有好的管理方法，也很難對學生進行客觀評價。
4) 現狀分析。通過以上分析，我們可以得知，計算機圖形學若仍采用傳統的課堂上講授理論，課下讓學生做實驗的教學方式，很難達到預期的教學效果，不利于學生各方面能力的培養，有悖于新時期的人才培養目標。因此，探討新的教學思路和教學方法，就成了廣大教師需要研究的重點內容。
3教學觀念改革
在信息技術飛速發展的今天，培養單純技能型人才已不適應社會需求，市場經濟的發展需要大批具有一定創造性的專業人才。因此，教師要在教學過程中轉變思想認識，更新教學觀念，改變傳統教學方式，注重學生合理的智能結構培養，使學生在學習知識的同時提高運用知識、更新知識、擴展知識的能力[2]。
1) 教學重點從傳授知識轉向能力培養。就計算機圖形學課程而言，學生能力的培養主要體現在邏輯思維能力、實際動手能力和應用創新能力等方面。邏輯思維能力主要體現在形數轉換的能力方面，即對具體對象的幾何信息進行分析、抽象和歸類，建立對象的數學模型，最后再轉化成一定的數據結構形式。實際動手能力是指編程能力和實際操作能力，能熟練編寫程序，處理復雜的圖形問題和結構問題，能夠進行簡單系統的設計開發。應用創新能力指創造性能力，是在掌握理論的基礎上有所創新，體現為在解決實際問題上有獨到見解[3]。此外，教師還可應用靈活的教學手段培養學生的工程應用能力、團隊協作能力、信息檢索和組織能力、表達能力、專業外語應用能力等。
2) 課堂教學模式由傳授方式轉向引導方式。在課堂教學過程中，為了給學生提供積極思維和主動思維的時間、空間和條件，教師要在“導”字上下功夫，使課堂的教學過程演變成學習知識、啟發思維的引導過程，形成探究性學習風氣，使學生逐漸接受和喜歡“積累知識―積極思考―主動創新”的新型學習模式[3]。
4教學內容和方法改革
基于能力培養的教學觀念，在教學過程中，我們設計了一個小型“虛擬魚建模”項目實例，該項目的設計與實現可以分解成多個步驟，而每一個步驟都對應相應的教學內容。因此，可將該項目作為一根主線貫穿在所有的教學內容中。
4.1理論教學
1) 內容組織。
我們以“虛擬魚”為主線，使其貫穿于整個教學內容。要讓計算機“逼真”地模擬虛擬魚的水底世界，模擬過程可用圖形流水線給出，如圖1所示[4]。教師依次講解流水線上的每一步涉及的相關理論知識，并將相關技術處理的動態效果實時展示出來，讓學生清楚地了解每堂課所講的理論知識在整個課程中的作用、地位，以及以該理論為基礎的程序或軟件所能完成的功能、任務。這樣，在整個學習過程中，學生有較高的學習興趣和熱情，同時會有清晰的學習思路和學習目標，不會感到混亂無序。
因此，采用實例教學和圖形流水線順序組織課程內容，符合學生理解問題的邏輯順序，有利于學生理解課程的知識結構，便于他們掌握各知識點間的關系，可以解決“只見樹木，不見森林”的問題，使學生始終保持思路清晰，提高學習效果。
在講解每個理論知識點時，教師也可結合它們在圖形編程(如OpenGL)和圖形制作軟件(如3D max等) 中的應用來講解。如講授光照處理時，教師可以先給學生演示3D max 里面制作光源的過程，重點讓學生觀察不同參數選擇產生的不同光照效果。同時教師可以提出疑問，如“各個參數起到什么作用”、“表示什么含義”等，讓學生思考。然后，教師演示OpenGL中的光照程序和效果，再提出同樣的問題。帶著這些問題，教師引導學生回到光照模型的理論學習階段，學生的學習目標就更加明確了，學習效率和興趣也自然提高了，也就解決了學生諸如“學這個有什么用”、 “為什么要那樣計算”、“參數到底表示什么”等疑問。因此，在理論課堂上加入實際應用環節，讓學生看到理論和實際的融合點，會起到事半功倍的作用，也讓學生感到學有所用。筆者常常在CG的第一課時就給學生布置自學3D max的要求，因為應用軟件的學習能促進他們更深入地理解理論知識。而后續的大部分課堂幾乎包括了應用部分和理論部分的講解，如圖2所示。雖然應用部分的講解只占10～15分鐘左右的課堂時間，但起到了非常大的作用。
2) 教學過程設計。
教學內容的學習分為5個環節，如圖3所示。上完緒論課后，教師便給學生演示虛擬魚系統，使學生對用程序編寫出來的栩栩如生、悠然自得、游來游去的小魚產生極大的興趣。教師接下來對該系統進行簡要介紹，分解步驟，從而打開學生學習CG的大門，而每一個步驟的引入將引導學生充分學習相關的理論知識。因此，在每一次理論課前，教師都要布置相關步驟的學習任務，如小魚的曲面構造、紋理映射等；學生通過自學、查閱資料，對問題進行分析探討；上課時，教師先讓學生自由發言，說出自己的想法和思考，再由教師講解相關內容；隨后，學生將自學和聽課中發現的問題與教師進行進一步交流探討；最后，教師提出下一步驟的任務。如此循環，不僅能使學生對每堂課所學的知識有深入的理解和認識，明白該節課內容在整個課程中的地位，還能使學生學習的知識具有系統性、連貫性和完整性。通過具體應用實例的剖析和教師的“導”，學生對每一部分內容的學習都經過了一番努力思考，這樣的知識一定會記憶深刻。因此，這種教師“導”，學生“學”的教學過程，既豐富了學生的思維過程，又給予他們主動學習、理論結合實際的基點，便于激發學生學習和思考的積極性和主動性，自然也能培養學生主動學習、獨立思考問題和解決問題等各方面的能力。
4.2實驗教學
作為實踐教學的最重要組成部分，實驗教學在培養實踐能力和創新精神人才中有著十分重要的作用。傳統的實驗教學內容大多為算法的驗證性實驗或圖形庫的應用實驗，這些實驗在一定程度上鍛煉了學生的編程能力和基礎應用能力，但對學生綜合應用理論知識能力、創新性思維能力和解決實際問題能力的培養非常欠缺。本教學改革以培養學生解決實際問題能力和創新能力為主導思想，結合我校的學科專業特色和需求，綜合多門課程知識，大力開展綜合性設計性實驗，培養學生的動手實踐能力、創新意識，提高學生的綜合素質。
1) 實驗內容安排。我們將實驗分為基礎性、綜合性、設計性和創新性四個層次，分別培養學生的基本技能、綜合設計和創新等各方面的能力，如圖4所示。其中，基礎驗證性實驗由學生在開放實驗室自行完成，教師負責檢查；綜合、設計性實驗由教師提供多組選題，學生自由選擇，按項目管理方式對學生進行分組管理，要求學生團結協作，合理分工，共同完成各個模塊，實現實驗所要求的預期功能；創新性實驗為學有余力的學生提供一個創新平臺，將結合我校特色專業和多門學科知識點進行綜合性、創新性實驗，如虛擬植物建模、虛擬動物仿真等。
2) 實驗考核方式。為加強對實驗的過程管理，我們采用實際工程運作中的項目經理負責制度。在綜合實驗過程中，我們將學生分成項目小組，小組成員扮演不同的角色，在項目經理的組織下共同完成項目的設計與實現。在項目設計和實施、驗收過程中，由項目組選派或教師隨機抽選一名學生進行匯報答辯，其成績作為小組成績。在學生的最終成績評定時，以項目小組為單位，學生的成績由個人、整個團隊成員、項目經理和教師多方面決定，得分內容由實驗設計、實驗過程、實驗成果、實驗報告等幾部分的得分組成。這種管理方式在訓練學生實踐動手能力的同時，也加強了對學生團隊協作和組織協調能力的培養。
5結語
計算機圖形技術的不斷發展，要求計算機圖形學課程的內容要不斷更新，教學手段、教學模式也要不斷改進。“以能力為導向”的教學模式，改變了傳統教學方法的弊端，能激發學生的創新思維和動手能力，能培養學生主動學習的能力，將“注入式教學”變為“啟發式教學”，為培養適應社會需求的科技人才奠定了基礎。
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Teaching Reform of Ability Oriented in Computer Graphic
PENG Hui, LIU Shanmei, ZHAI Ruifang
(College of Basic Sciences, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China )
關鍵詞：計算機圖形技術 動畫產業 概述 趨勢
中圖分類號：F062.5 文獻標識碼：A
文章編號：1004-4914（2012）03-122-02
一、計算機圖形技術概述
計算機圖形學作為計算機科學與技術學科的一個獨立分支已經歷了近50年的發展歷程。目前，計算機圖形學已是一門成熟的技術，成為當代幾乎所有科學和工程技術領域用來加強信息理解和傳遞的技術和工具。經歷了近40年的發展歷程，計算機圖形學在圖形基礎算法、圖形軟件與圖形硬件等方面都取得了長足的進步。隨著計算機圖形學理論、方法的不斷完善，軟件、硬件技術的不斷發展，它的應用領域也必將越來越廣。1962年，美國麻省理工學院林肯實驗室的Ivan.E.Sutherland首次使用了“Computer Graphics”這一術語，證明交互式計算機圖形學是一個可行且有用的研究領域，從而確定了計算機圖形學作為一個嶄新的科學分支的地位，奠定了計算機圖形學的基礎。
二、計算機圖形技術發展加快動畫制作的無紙化趨勢
動畫這種藝術形式自從產生以來，其發展便一直與人們不斷提高的欣賞需求和科學技術的發展緊密相連。從單純的形象動作演變到有完整的故事情節，從早期的無聲字幕提示到有對白有配樂；從只有黑白兩色到彩色圖像，從二維平面到三維立體空間，從傳統的視聽方式到全息的4D感官享受。傳統的動畫制作形式由于其自身存在的相對局限性，已經越來越難以適應行業的發展速度與市場的漸漸擴張的需求。“無紙化”制作已經成為動畫發展的必然趨勢。
動畫“無紙化”是指整個動畫制作流程全部采用計算機圖形技術實現的制作方式，包括前期的美術設定、分鏡頭繪制，中期的原畫、動畫制作；后期的特效添加等等全部在計算機上進行操作。“無紙化”動畫得以實施的工作形式為：“數位板(壓感筆)+計算機+CG相應軟件，具有低成本、小風險、易修改、畫面品質精良、輸出便捷、易上手等優點，目前已經廣泛應用于動畫產業鏈條的相關行業，如影視、娛樂、游戲、展示，建筑、網絡等。
1.計算機圖形技術發展對于二維動畫發展的影響。由于動畫制作有別于真實的表演拍攝，熒幕前相對于觀眾的一秒，對于動畫制作人員卻意味著一個多人團隊細分到24幀畫面的辛勤勞動，動畫片的預算是需要精確到每一秒的，劇本中的每一句臺詞，人物附加的一個道具，甚至人物設定中衣服多出來的一條紋樣，都會成為增加預算增加工作量的因素。由于這樣的局限性，早期的動畫形象多趨向極簡的造型，藝術風格也稍顯單調。隨著動畫產業的快速發展，觀眾的觀賞趣味也被漸漸提高，之前傳統的藝術形式與制作方法也越發難以適應市場要求。傳統二維動畫的人物動作與場景都是繪制在透明的“賽璐璐”片上的，繪制的時候需要動畫師下筆準確，其修改起來是較不方便的，隨后進行疊加拍攝，再將拍攝的底片進行沖印，最后將沖印好的拷貝剪輯成片。整個過程需要多人長期的磨合協作，一旦其中某一個環節出現問題將會對整個制作過程產生連帶性的影響。
隨著計算機圖形技術的快速發展，計算機造型技術與真實感圖形繪制技術漸漸被應用到二維動畫的制作流程當中，目前業內最專業的數位板和壓感筆供應商當屬總部設在日本的wacom公司，其產品自研發以來，一直致力于追求更真實更精準的真實繪畫感，按照不同專業程度的人群提供不同檔次價位的產品。其中最為專業的繪圖板“影拓”系列面向資深的CG業內人員，其壓感已經做到2048級，精密靈敏，手感幾乎可以與傳統紙上繪畫相媲美。具備相應美術功底的人員經過軟件學習配合以數位板可以創作出幾乎任何美術風格的作品。
由于借助了計算機進行圖像處理，原來需要人工重復繪制的工作可以由計算機運算自動生成，在矢量二維動畫軟件中，人物、景物、道具都可以以“元件”的方式存在，動畫師只需要將不同圖形做成元件，并分類保存在虛擬的“元件庫”中，今后所有涉及到該圖形的內容就可以直接從庫中調用，大大節省了時間和預算。
2.計算機圖形技術發展對于三維動畫發展的影響。計算機動畫CG技術（Computer Graphics）的應用早已不僅僅局限在“動畫片”這個相對狹義的范圍內，而是滲透到更加廣泛的影視特效、交互展示、教學培訓等諸多方向，涉及到的行業也包括：電影電視、網絡、音像制品、印刷、玩具、服裝、電子產品、教育、醫療、軍事等等。
1995年11月，皮克斯公司與迪斯尼公司聯合制作的《玩具總動員》在北美上映，這部完全由計算機制作的動畫影片成為了動畫史上又一座里程碑式的作品。這是一部耗時4年花費過億的大投資商業動畫長片，其中每一幀畫面制作時間都耗時4至13人工小時不等，整個團隊工作系統由87臺雙CPU和30臺4CPU的Sparc工作站組成，還有一臺Sparc1000服務器。在《玩具總動員》上映（1995）之前，迪斯尼一直是美國動畫電影的唯一制作商。而《玩具總動員》的成功推出，無疑改寫了娛樂產業的歷史，好萊塢從此誕生了完整的動畫產業。觀眾們在81分鐘的時間內體驗到前所未有的真實感與視覺沖擊特效，而這一切，竟然全部是由計算機制作的虛擬圖像。這種身臨其境的真實感是傳統二維動畫所無法給予的，從該部影片獲得成功之后，以皮克斯公司為領軍的動畫產業開始進入到一個前所未有的繁榮時期。
動作捕捉技術（Motion capture）是由動作捕捉系統識別表演者行動位置，隨即經過計算機處理后輸出可以在虛擬動畫中應用的數據。當數據被計算機識別后，動畫師就在計算機生成的場景中調試動作控制鏡頭，動作捕捉技術的應用，提高了制作效率，降低了制作成本，增強動作的真實感。隨著技術的進一步成熟，動作捕捉技術得到越來越廣泛的應用。2010年上映的《阿凡達》和2011年上映的《丁丁歷險記》這兩部大獲成功的商業動畫長篇，代表著動作捕捉技術與最頂尖的CG數碼藝術的完美融合。《阿凡達》給觀眾制造出一個近乎完美的虛擬世界，但卻又是如此的真實。按照拍攝比例，時長160分鐘的《阿凡達》每幀畫面平均耗費4萬個人工小時，60%內容靠CG(Computer Graphic)合成，40%靠演員演繹。
云計算（cloud computing），是近年來新興的一種基于互聯網的計算方式，通過這種方式，共享的軟硬件資源和信息可以按需提供給計算機和其他設備。云計算的核心思想，是將大量用網絡連接的計算資源統一管理和調度，構成一個計算資源池向用戶按需服務。這項技術的開發，實現了資源的合理配置，減少了不必要的重復投資。一些制作團隊的硬件配置無法承擔某些超大運算，通過云計算的方式可以節約成本，對于項目的預算也能有效控制。
3.計算機圖形技術發展對于獨立動畫發展的影響
由于傳統商業動畫制作所需的成本較高，需要相當可觀的人力、財力。任何投入到制作中的成本總是希望最終會得到收益的，這就像是一道無形的高門檻，讓許多實力并不雄厚但卻非常有創新意識的相對較小的制作團隊、獨立動畫人或在校學生對動畫產業望塵莫及，很難形成百花齊放，百家爭鳴的健康發展的形勢。隨著計算機圖形技術的不斷發展，不斷完善的動畫制作軟件和更為便捷，更為多樣化的新型傳播媒體無疑為這些獨立的動畫制作人提供了強大的支持。
三、計算機圖形技術在動畫傳播媒介方面帶來的革新
隨著計算機圖形技術的不斷發展，人們接觸信息資訊的方式由傳統的電視、報紙、出版物、廣播、手機通訊等有局限性的傳媒方式向更加自由的網絡傳媒方式發展。傳統意義上的傳播媒介具有相對的時間與空間的限制性，隨著家庭計算機和網絡的普及，利用網絡作為傳媒方式的靈活性和機動性是其它媒介所無法達到的，它打破時間空間限制，受眾可在任何有網絡覆蓋的地域在第一時間得到其所需資訊。網絡傳媒是未來傳媒的主發展平臺。網絡的飛速發展正在逐漸改變傳統動畫品牌的推廣方式。有趣的作品通過網站媒介很快傳播擴散，給經濟實力一般但具有創新開發能力的企業提供了很多機會。雖然依靠網絡傳播也會產生諸多如版權糾紛的問題，但總體看來，終究是利大于弊的。以騰訊動漫網站為例，其中包括熱門動畫在線觀看、動畫表情下載、原創漫畫展示、動畫名家博客等詳盡的分區，借助網站宣傳的不僅有國內外的大型動畫企業，也有動畫工作室，甚至是獨立動畫創作人，他們將作品或最新資訊從網站公開，接受網友的欣賞與評論，通過博客轉載與微博轉發的形式迅速以網狀的形式傳播出去。
網絡傳媒是一種更為精確的傳播模式，在強大的搜索引擎和信息分類篩選的協助下，定位相應的受眾人群并非一件難事。借助網絡推廣動畫產品是高效的，有的放矢的，而對于潛在客戶方面來說，在網絡上篩選信息也較傳統的獲取信息方式來的更為快捷更靈活更豐富。隨著計算機圖形技術的不斷開發，手機也從曾經功能單一的通訊工具演變成集語音通信和多媒體通信相結合的新一代移動通信系統，利用3G手機網絡傳播動畫也逐漸成為動畫傳播媒介中重要一部分。手機動漫指借助動畫技術、為漫畫添加動態效果和聲音配樂，以手機Meticulous為播放、運營載體，同時采用FLASH技術制作，通過移動互聯網提供下載、播放、轉發等功能的一種服務，其最大的特點就是便攜性，可以隨時隨地觀看。
四、計算圖形形技術對于動畫營銷的推動
動畫產業的贏利模式需要依靠動畫產品的附加價值，即需要依靠開發動畫衍生產品如玩具、服裝、文具、食品等產品的銷售來獲得贏利。開發衍生產品的思路要從策劃方案就開始同步進行，事先不考慮如何形成產業鏈，不考慮如何擴大動畫片的影響，最終必定不會在商業上獲得成功。構建一條完整的動漫產業鏈條，應該在以品牌為依托，以原創為動力，以市場為導向的基礎上，重點加強衍生產品開發和動漫產品銷售的渠道建設，逐漸形成一條從電視節目制作―衍生產品開發―營銷渠道建設的完整動漫產業運作模式。
隨著家庭計算機與網絡的普及，電子產品軟硬件的不斷升級，網絡和新一代移動通信系統已經與人們的生活工作息息相關，市場對于不同形式的動畫產品的需求量也日益增大，早已不僅僅局限于動畫片本身。比如動漫游戲、地產類多媒體、建筑動畫漫游、教學模擬、博物館虛擬展廳、娛樂互動、4D電影、大型場館激光動畫表演等，針對不同受眾的不同需求，為其量身定制動畫產品。在開發實體衍生產品方面，計算機圖形技術的廣泛應用也大大提高了產品質量與工作效率。三維動畫技術的不斷發展，打破了二維動畫的局限，讓衍生產品從平面到立體變得越來越多樣化。設計人員與模型師會共同完成人物、道具的立體模型，包括詳盡的轉面細節，然而這樣的立體模型不但是動畫片中的角色，更是開發衍生產品的模板。以2010年皮克斯公司的《玩具總動員3》為例，其衍生相關產品包括玩具、家具、滑板、計算器等。據Panjiva貿易公司的統計，在2010年內的40部重磅大片中，《玩具3》的衍生產品銷量高居第一。
我國上世紀60年代，被譽為中國動畫黃金時代涌現出的許多動畫片，在畫面效果與藝術造詣上獲得了世界的肯定，成為世界公認的中國動畫學派。那些深入人心的動漫形象身上都蘊含著巨大的商業價值，但是在作品成功公映之后，相關衍生產品的開發似乎戛然而止。與美國、日本等動畫產業高度發達的國家相比，我們在衍生產品開發上做的遠遠不夠。
五、計算機圖形技術的發展對民族動畫的推動和發展
2012年1月11日，上影集團用3D技術全新包裝《大鬧天宮》3D版本即將橫空出世，旨在“激活經典”，成為新時代華語動畫電影的一根“定海神針”。在不改變原作的基礎上呈現三維立體效果，畫面高寬比也由4:3轉為16:9，這意味著大量的場景需要進行添加繪制，其工作難度可想而知。這絕不僅僅是對于經典的重復翻拍，而是最先進的計算機圖形技術與傳統經典完美結合后帶來的全新演繹，這是大膽的創新，有魄力的改革。
將我國傳統藝術形式與CG技術相結合，是近年來動畫行業內的熱點研究課題。隨著數碼繪畫產品性能的提升，各種二維、三維CG軟件的的更新和動畫創作人員的不斷探索，傳統水墨畫、民間剪紙、民間皮影、民間雕刻等古老的藝術又被賦予了新的生命力。以CG水墨動畫為例，利用三維動畫軟件創作出來的水墨動畫較傳統水墨動畫來說，更富有靈動的空間感，并且有效節約了制作成本，為水墨動畫這一特殊的藝術品牌拓寬市場擴大生產提供強大的推動力。
綜上所述，動畫產業從產生到發展再到基本成形，每個階段都與當時科學技術的發展緊密相連，自從計算機圖形技術發展壯大且被廣泛應用于各行各業以來，動畫產業也進入到一個高速多元的發展階段。計算機圖形技術的每一次革新取得的成就必定會對動畫產業造成突破性的影響。動畫產業的從業者，一方面要時時關注計算機圖形技術發展的趨勢，一方面也要不斷學習所處行業的專業技能，將二者完美的融合在一起，從而更好的推進動畫產業向前發展。
參考文獻：
1.何援軍.計算機圖形學，機械工業出版社,2009
2.孫立軍，俞劍紅.中國動畫產業年報（2008-2009）京華出版社, 2011
3.盧斌.動漫藍皮書:中國動漫產業發展報告(2011)社會科學文獻出版社,2011
