时间：2023-09-15 17:30:48
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇计算机图形学技术，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
【关键词】图形学 图形图像 处理技术
计算机技术在近年来的发展速度极为迅速，如今在各个领域中都应用了计算机技术。从20世纪50年代开始，人们开始利用计算机技术处理图形，而随着计算机技术的不断发展与成熟，人们开始利用计算机技术处理图形与图像信息，随着这种图形与图像处理技术的不断成熟与完善，最终形成了备受人们重视的新型学科。这种计算机图形学与图形图像处理技术的应用，对于各个领域的发展有很重要的意义，因此对计算机图形学与图形图像处理技术进行研究分析，对各领域的发展非常重要。
1 计算机图形学概述
1.1 计算机图形学的主要内容
计算机图形学中的研究内容包含了许多方面，其中包含了图形硬件、图形交互技术、曲面曲线建模、虚拟实现以及实物造型等。这是一种利用数学算法将相应二维与三维图形转化到计算机中显示出来。计算机图形学学科成立的主要目的是为了让计算机转换出来的图像更加的真实，而要让计算机转化的图形具备更强的真实感，就必须要建立图形描述场景的几何表示，从中计算出虚拟的光源、纹理以及材质属性产生的效果。因此计算机图形学与几何设计学的联系非常紧密。在计算机图形学中，主要的研究内容包括几何场景中的曲线曲面造型技术以及实体造型技术。而由计算机转化出的图形，通常都需要对图形进行再一次的处理，因此计算机图形学与相应的图形图像处理技术需要紧密联系起来，这样才能够产生更好的图形真实感。
1.2 图形图像处理技术的基本概念
图形图像处理技术主要是将数学描述中的几何数据与几何模型，用计算机技术将其进行相应的修改、存储以及完善。其主要处理技术包括几何变换、图像数字化、建模造型设计、隐线与隐面的消除以及各种色彩设计等。在图形与图像处理技术中，通常需要用的计算机软件包括一般的辅助设计软件CAD、制造软件CAM、辅助教育软件CAI等，同时还需要应用相应的计算机艺术设计、模拟、动画以及虚拟实现等知识技术领域。
1.3 计算机图形系统与功能
计算机图形系统主要由相应的硬件设备以图形图像软件组成，计算机图形系统中的硬件设备主要有图形输入、输出设备以及相应的图形处理设备。其中图形处理设备是硬件设备中的核心，图形处理设备的主要功能是存储于处理图形，同时也能够完成图形处理过程中复杂的函数计算，因此图形处理设备也能够减轻系统CPU的负担，最终能够将图形系统的显示速度与质量进行提升。图形系统中的硬件输入设备主要是键盘与鼠标，通过鼠标与键盘执行相应的命令来完成各种图形的绘制，比如在辅助设计软件CAD中就主要依靠这两种硬件设备。而随着计算机技术的不断发展，如今的硬件设备还有空间球、数据手套、光笔以及触摸屏等。图形系统硬件设备中的图形输出设备主要是指系统中的显示系统、绘图系统等，显示系统是为了让图形可以快速的生成与处理，而汇通系统则是为了让图形能够永久的保存，如显示器、绘图仪以及打印机等。
图形系统在设计与绘制各种图形的过程中，必须具备输入、输出、存储、对话以及计算等能力，因此图形系统的功能主要包括：能够输入各种命令与几何参数的输入功能、能够让图形保持显示状态且可永久保存的输出功能、能够存放所有几何数据并能够对数据进行维护与检测的存储功能、能够进行人机通信的对话功能以及设计过程中需要的各种计算分析功能。
2 计算机图形学与图形图像处理技术的应用
随着计算机图形学与图形图像处理技术不断发展与成熟，这种技术应用开始在许多领域中进行了应用，其中主要的应用领域包括工业领域、商业领域、艺术领域等。
2.1 工业领域
工业领域是计算机图像学与图形图像处理技术的主要应用领域之一，随着现代工业的不断发展，人们在制造各种精密的仪器以及设计各种机械产品的过程中，都需要应用计算机中的图像学以及相应的图形图像处理技术，其中计算机辅助设计制造软件CAD与CAM，已经在如今的工业领域中进行了广泛应用，比如各种汽车、船舶以及飞机的设计制造，各种厂房的建造布局等，都需要应用计算机图形学以及图形图像处理技术。如法国的空客飞机公司就是因为应用了CAD系统，对空客A300飞机的外形设计、内部组装等进行了模拟，从而使得制造成本降低了30%以上。
2.2 商业领域
计算机图形学与图形图像处理技术在商业领域中的应用主要包括各种广告设计、游戏开发设计、动画制作以及各种影视中的特技制作。人们可以利用计算机的图形图像处理技术将书法中的艺术添加到各种广告设计中，比如在各种包装中添加的广告字体，通过计算机技术能够将各种广告字体变得新云流水，将字体的艺术性添加进去，可在很大程度上提升这种宣传效果，在顾客心中留下深刻印象。还比如在影视行业中，同样可以应用计算机图形图像处理技术，来制作各种特写镜头，像各种惊险的特技效果以及各种大型建筑物的倒坍效果等。
2.3 艺术领域
计算机在艺术领域中的应用，是一种新兴的学科，同时也是一种具有时代气息的新型领域。计算机图形学在艺术领域中的应用，正是计算机与艺术学结合的一种代表，这种结合可让两者皆得到发展与进步。通过计算机技术在艺术领域中完成各种艺术品的制造与设计，可以让艺术品表现的更加完美，比如在在绘制二维与三维图形时，可利用各种计算机软件让图形变得更加完美精确，而在设计空间结构、体操舞蹈等艺术设计过程中，人们可以利用计算机的图形图像处理技术，在虚拟空间中让其变得更加细腻、生动与自然，如计算机中的三维软件3DMAX、Maya等。通过计算机图形学来完成艺术设计，一般需要设计人员具备较高的艺术功底，同时也需要配置高端的硬件与软件设备。
2.4 科学计算领域
人类在进行各种科学研究与计算分析的过程中，往往需要转换大量的数据才能够将相应的图形与图像转换过来，并且对最后得到的图像还有非常高的要求。通过计算机图形图像处理技术，能够将让各种虚拟的图像更直观的展现出来，同时也能够帮助人们处理复杂的数据转换，因此这种图形图像处理技术已经成功在各个科学研究领域中进行了应用。如在环境保护、生物分析等领域，人们通过计算机图形图像处理技术，可让其中的各种图像以及模型分析更加的生动，对科学研究有很重要的意义。
3 图形与图像的关系
图形图像处理技术中，图形与图像之间存在着一定的区别，但同时也存在一定的联系。它们之间的区别包括数据来源、处理方法、理论基础以及用途四个方面。数据来源中：图像是来自客观世界，而图形来自主观世界。处理方法中：图像的处理方法是几何修正以及图像的各种变换、识别以及理解等。而图形的处理方法是几何变换以及图形的各种修剪、消除以及隐藏等。在理论基础上：图像的主要理论基础是以概率统计、模糊数学等相关理论作为理论基础。而图形时以计算几何、样条几何等相关的理论做为理论基础。最后的在用途上：图像的处理用途主要是应用于工业、医学等方面，而图形处理则主要应用于动画、艺术等方面。
随着图形图像处理技术的不断发展，图形与图像之间在各个方面也开始出现了一些联系，并且两者在一定条件下还能够相互转换，如图1所示。图形与图像的模型转换一般需要用到计算机的辅助几何设计技术，如CAGD技术，利用这种计算机图形图像处理技术，能够更加灵活的分析各种几何形体，并且能够将曲面与曲线中的各种数据拟合。
4 结语
伴随着计算机图形学与图形图像处理技术逐渐成熟，如今已应用到了我们的日常生活工作中，并且在多个领域中都需要应用这种先进的计算机技术。同时计算机图形图像的处理技术对各领域的发展也产生了很大的作用，这种技术能给创造出一个新奇的视觉效果，能给让人们的设计能力以及创造力全面发挥出来。因此将让计算机图形学与图形图像处理技术融入到各个领域中，促进计算机图形学与图形图像处理技术的发展有很重要的意义。
参考文献
[1]田亮.浅析计算机图形学的应用及其发展[J]. 民营科技，2013（01）：113-115.
[2]柳海兰.浅谈计算机图形学的发展及应用[J].电脑知识与技术，2012（05）：66-98.
[3]慕乾华.计算机图形学在实践中的应用[J].价值工程，2014（02）：33-45.
[4]孔德慧，孙艳丰，李敬华.利用概念图技术改进计算机图形学教学[J].计算机教育，2011（06）：251-260.
[5]田海山，何援军，蔡鸿明.基于点的计算机图形学综述[J].系统仿真学报，2012（02）：65-78.
[关键词] 计算机图形学；思维导图；图形学理论教学；图形学实践教学
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 1008-2549（2016） 07-0106-02
一 计算机图形学课程教学中存在的问题
本科的计算机图形学教学对数学理论有一定要求，往往体现为公式推导、演化等形式，同时也涉及算法设计及其代码实现。而传统计算机图形学教学重点一般侧重于考核学生对知识点的掌握，课程实践所占比例较低。因此传统的教学模式不适用于计算机图形学课程，若仍沿用传统教学模式，则不仅不利于维持学生的学习兴趣，更不利于学生发现问题、解决问题以及创新能力的培养。
1 计算机图形学教学内容与学生的学习兴趣
传统的计算机图形学内容主要有：计算机图形系统概述；二维图形生成和变换技术；三维图形生成和变换技术；真实感图形生成技术；计算机动画技术与实践。该课程入门阶段需要的数学知识主要涉及代数、三角学和线性代数，数学原理与图形的结合在理论教学中占据了一定比重。
传统的计算机图形学教学目标是侧重于培养学生对计算机图形学理论知识的了解与掌握，在教学内容的设置上主要强调图形学知识、概念的系统性与整体性，重点是概念解释与原理讲解，体现为大量的公式推导。
未进入图形学教学前，学生们对该课程的理解大致分为两类：一类认为该课程主要讲述游戏开发。另一类认为是艺术设计。实际上，在本科阶段开设的计算机图形学课程，通常立足于计算机图形学科的入门，教学内容主要是理解与掌握基本的图形绘制原理及其实现算法，能进行基本图形的程序设计。由此，学习内容的枯燥、教学内容与现实应用的巨大落差会导致部分学生的学习兴趣随课程的深入而有所下降。
2 计算机图形学课程实验的设置
计算机图形学的实验内容主要集中于基本图形算法的实现，需要学生运用高级程序语言进行编程，然而作为专业基础课程学习的此类高级程序设计课程，往往以基本知识、程序设计、数据组织三方面为主要内容，一般不涉及图形库编程接口（API）。这导致在本课程的实验教学时，需要针对授课学生原先所学的高级程序语言，补充对应的图形库编程知识，这使得实际的有效实验学时被缩减，而且增大了学生实现算法的难度，以至于进一步加剧了理论与实践脱节的现象。
二 理论教学与实践教学的改革方法与目标
我们在大学本科的第7个学期开设计算机图形学课程，并将其分为理论课与实验课两门课程，两门课程单独核算成绩。其中理论课为32学时，2.0学分；实验课为16学时，0.5学分。在理论课程完成后开始实验课程，计算机图形学的实验不再是传统教学中对理论课知识点的简单重复与验证，而是对所学知识的综合运用与深化。由此，需要合理选择理论课教学内容，以完成与实验课程的衔接。同时，设计合适的实验项目使学生掌握课程基础知识，提高学生的动手能力，以提升计算机图形学的教学质量。
1 理论课教学内容的设计
计算机图形学技术在快速的发展着，与之相适应，图形学课程的教学也发生着变化。现阶段，在计算机图形学教学中主要有3种教学体系，大致分为：理论为主、编程为主、问题为主。其中，理论为主是传统的教学体系，强调对计算机图形学理论的理解与掌握，以公式推导为主要呈现方式，国内外此类教材有Floey的《计算机图形学原理及实践――C语言描述（原书第2版）》，孙家广的《计算机图形学》等。编程为主的教学体系侧重于培养学生初步掌握一种典型的图形学API，以图形学使用者的角度讲授计算机图形学所需的理论与概念，去除非必需的数学原理与公式推导。国内外此类教材有Donald的《计算机图形学（第四版）》，徐文鹏的《计算机图形学基础（OpenGL版）》等。问题为主教学体系的教学目标着重于培养利用计算机图形学知识建立与用户交流的能力，从而实现问题的图形化建模并解决问题。相应的教学内容既涵盖了图形学中的基本概念和技术，也涉及了实现这些概念和技术的图形学工具，然而重点在于介绍如何使用计算机图形学知识来解决实际问题以及如何有效地进行结果展示，Steve Cunningham的《计算机图形学》是此类教学体系的典型教材。此类问题为主的教学体系近年来在美国兴起。
在我们的本科教学中，考虑到学生前期课程的设置与掌握情况，采用了结合OpenGL实现算法的编程为主的教学体系。在实际教学中，既要保证计算机图形学基本概念、理论的完整讲述，也为后续的实践课程做铺垫，有针对性地介绍图形支撑软件，使学生在掌握图形学基本知识的同时，能够在一定程度上自主实践，保持与激发学生的学习兴趣。
2 以思维导图优化图形学教学的实践应用
思维导图（又称心智图），是英国教育学家东尼・博赞在20世纪60年代创造的，它作为模拟放射性思维的图形工具，能激发大脑的潜力。在人获得信息后，进入大脑的信息以新的思想中心与其他信息建立关联，形成向外发散的网状结构。此后，每一个发散出的节点，又将作为新的中心，再次发散形成新连接。
3 实验课教学内容的设计
计算机图形学传统教学中的实践一般使用C++来实现相关算法，实现难度过大，导致学生没有时间和兴趣去完成。实践教学的本意是对理论教学的巩固、完善与提高，为实现理论与实践教学的平稳衔接，我们在实践教学环节中，采用OpenGL作为图形算法接口，让学生有针对性地完成若干实验项目。
【关键词】地学 计算机图形学 教学改革
【基金项目】中国地质大学（武汉）教学研究项目，项目编号 200923。
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）10-0144-02
一、引言
计算机图形学是研究如何利用计算机显示和处理图形的原理、方法和技术的一门学科。除了是计算机与信息相关学科的一门专业必修课程外，它也是许多非计算机专业本科一项重要的专业限选/选修课程[1]。在以地学专业为主的中国地质大学（武汉），计算机图形学教学也得到了相当的重视。以地空学院为例，其下属的两个专业地球物理与地球信息科学的教学大纲中都明确开设了这门课程。但与其他兄弟院系一样，该课程教学中所达到的实际效果却并不尽如人意。一方面，地质制图以及地学数据的图形表现等知识在学生本科毕业后从事的地学应用工作中占有重要成分；另一方面，传统计算机图形学本身所讲述的内容又无法满足地学专业工作、科研的需要[2]。随着时间的推移，计算机图形学课程所处的地位日渐尴尬，将其从教学计划中取消固然不妥，但又确实达不到应有的效果。认真分析其原因主要有如下两点：
1.从课程的定位来看，作为一门独立学科，计算机图形学本身定位于使用数学算法构造图形的数学模型，并通过程序实现图形的显示和处理。数学建模与算法实现是计算机图形学的核心与基础[3]。该课程涉及的内容也非常之多，包括图形生成技术，计算机辅助制图，计算机视觉等部分[4]。然而作为一个主要培养地学领域人才的高等院校，计算机图形学在地学领域的主要应用集中于数据制图与数据可视化处理。即要求学生能够具备一定计算机图形学基础知识，并能够使用计算机对地学数据进行图形绘制与表现，进一步生产出社会所需求的各种图形产品包括二维地质图以及三维造型，场景演示视频等。因此可见，课程定位与专业需求存在着一定的差别。
2.从教学大纲与教学内容上来看，传统计算机图形学教学基本以清华大学孙家广院士主编的《计算机图形学》内容为范本。教学内容大部分重点集中于图形生成算法，图形标准、图形交互、曲线曲面造型、真实感图形生成与显示算法等章节[5]。这其中的许多知识点都与地学专业应用无关。此外，地学专业的学生往往在离散数学、算法逻辑等方面基础较为薄弱。这就导致授课老师要花更多的时间来将这些知识点讲授清楚，但学生在学习过程中却逐渐失去兴趣。
上述主要原因使得我校地学相关专业中的计算机图形学课程教学无法达到满意的效果。特别是由于课程的一些内容或章节与专业的实际应用偏离太多，更造成了学生们应付考试，老师们照本宣科的现象。许多讲授该课程的老师都或多或少的意识到了这一点，他们努力在教学过程中做出适当的调整，但却苦于缺乏统一的指导思想。
基于此，在校方支持下，笔者与其他授课老师一起开展了面向地学专业的计算机图形学教学改革活动。在这次改革中，老师们将自己的授课经历进行了分享，并着重对地学相关专业计算机图形学教学过程中的问题进行了总结，然后通过讨论交流提出了一系列改革方案。最后将这些方案措施在教学活动中进行验证。实践证明，教改方案可以有效的激发学生的学习热情，并引导他们将理论知识充分运用到实际问题中，有利于培养地学专业高素质人才[6]。
二、改革措施
首先，此次课程改革的目的很明确，即为地学或地学相关专业的学生量身打造适合他们需要的计算机图形学课程。该课程的教学必须真正贴近专业的需要，不再流于形式，为学生将来的工作与研究深造打下良好的基础。具体的改革措施总结如下：
1.深入了解我校地学专业相关院系的专业需求，讨论并制订面向地学领域的计算机图形学教学大纲和教学计划。传统的计算机图形学教学内容涉及到数学、物理、计算机等多个学科[7]。每个学科又涉及到一些相对抽象的理论与复杂算法实现。这些内容均使得地学专业的学生难以在短时间内掌握。此外，随着技术的不断发展，目前计算机图形学的一些教学安排与现实也存在一定的脱节。如许多计算机图形学的实习环节中会要求学生去实现基本图形的生成算法，对许多非计算机专业本科生而言，这一做法的必要性值得商榷。因为就其专业应用领域，大部分的图形生成算法实现都已经固化到了计算机硬件（显卡、GPU）中，现实工作中极少场合需要编程实现这些已经非常成熟的算法[8]。
就地学专业以及大多数工科应用专业而言，计算机图形学课程更多是为了直接满足应用上的需要，而不是将其作为一个研究基础。因此经过笔者及其他老师们的讨论一致认为，对于我校地学类专业，计算机图形学的课程教学应强调一个原则，即：突出重点，强调有用。借鉴华中科技大学机械科学与工程学院将计算机图形学成功与机械制图，机械辅助设计等方面知识紧密结合起来的宝贵经验。决定将我校的计算机图形学课程安排充分与地学中的地质制图、GIS图形标注与编辑、地球探测信息可视化等应用紧密结合起来，注重其实用性。
关键词：图形实时绘制自然景物仿真
计算机图形学(ComputerGraphics，简称CG)是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是基于线条信息表示的，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类是明暗图，也就是通常所说的真实感图形。经过30多年的发展，计算机图形学已成为计算机科学中最为活跃的分支之一，并得到广泛的应用。本文将介绍计算机图形学的研究内容、发展历史，应用和图形学前沿的方向。
1计算机图形学的发展简史
1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院(MIT)旋风号—(Whirlwind)计算机的附件诞生了。该显示器用一个类似示波的阴极射线管(CRT)来显示一些简单的图形。在整个50年代，只有子管计算机，用机器语言编程，主要应用于科学计算，为这些计算机置的图形设备仅具有输出功能。计算机图形学处于准备和酝酿时期并称之为：“被动式”图形学。1963年，伊凡•苏泽兰在麻省理工学院发表了名为《画板》的博士论文，它标志着计算机图形学的正式诞生。此前的计算机主要是符号处理系统，自从有了计算机图形学，计算机可以部分地表现人的右脑功能了，计算机图形学的建立意义重大。
2计算机图形学的应用
2.1计算机辅助设计与制造
CAN/CAN是计算机图形学在工业界最广泛，最活跃的应用领域。计算机图形学被用来进行土建工程，机械结构和产品的设计，包括设计飞机、汽车、船舶的外形和发电厂、化工厂等的布局以及电子线路、电子器件等。有时，着眼于产生工程和产品相应结构的精确图形，然而更常用的是对所设计的系统，产品和工程的相关图形进行人—机交互设计和修改，经过反复的选代设计，便可利用结果数据输出零件表、材料单、加工流程和工艺卡，或者数据加工代码的指令。在电子工业中，计算机图形学应用到集成电路、印刷电路板，电子线路和网络分析等方面的优势十分明显。在网络环境下进行异地异构系统的协同设计，已成为CAD领域最热门的课题之一。现代产品设计已不再是一个设计领域内孤立的技术问题，而是综合了产品各个相关领域，相关过程，相关技术资源和相关组织形式的系统化工程。
CAD领域另一个非常重要的研究领域是基于工程图纸的三维形体重建。三维形体重建是从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类，综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关素，从而实现形体的重建。
2.2科学计算可视化
目前科学计算可视化广泛应用于医学，流体力学，有限元分析，气象分析当中。尤其在医学领域，可视化有着广阔的发展前途。依靠精密机械做脑部手术是目前医学上很热门的课题，而这些技术的实现的基础则是可视化。当我们做脑部手术时，可视化技术技术将医用CT扫描的数据转化成图象，使得医生能够看到并准确的判别病人的体内患处，然后通过碰撞检测一类的技术实现手术效果的反馈，帮助医生成功完成手术。我们利用了可视化技术。天气气象站将大量数据，通过可视化技术转化成形象逼真的图形后，经过仔细的分析就可以清晰的预见几天后的天气情况。
2.3图形实时绘制与自然景物仿真
重现真实世界的场景叫做真实感绘制。真实感绘制主要是模拟真实物体的物理属性，简单的说就是物体的形状，光学性质，表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置，遮挡关系等等。在自然景物仿真这项技术中我们需要过行消除隐藏线及面、明暗效应、颜色模型、纹理、光线跟踪，辐射度等工作。这其中光照和表面属性是最难摸拟的。而且还必须处理物体表面的明暗效应，以便用不同的色彩灰度来增加图形的真实感。自然景物仿真在几何图形、广告影视、指挥控制，科学计算等方面应用范围很广。除了建造计算机可实现的逼真物理模型外，真实感绘制还有一个研究重点是研究加速算法，力求能在最短的时间内绘制出最真实的场景。
2.4计算机动画
随着计算机图形和计算机硬件的不断发展，计算机动画应运而生。事实上动画也只是生成一幅幅静态的图象，但是每一幅都是对前一幅小部分修改，如何修改便是计算机动画的研究内容，这样，当这些连续播放时，整个场景就动起来。
早期的计算机动画灵感来源于传统的卡通片，在生成几幅被称作“关健帧”，连续播放时2个关健帧就被有机的结合起来了。计算机动画内容丰富多彩，生成动画的方法也多种多样，比如基于特征的图象变形，二维形状混合，轴变形方法，三维自由形体变形等。近年来人们普遍将注意力转向基于物理模型的计算机动画生成方法。这是一种崭新的方法，该方法大量运用弹性力学和流体力学的方程进行计算，力求使动画过程体现出最适合真实世界的运动规律。然而要真正到达真实运动是很难的，比如人的行走或跑步，要实现很自然的人走路的画面，计算机方程非常复杂和计算量极大，基于物理模型的计算机动画还有许多内容需要进一步研究。
2.5计算机艺术
用计算机从事艺术创作，计算机图形学除了广泛用于艺术品的制造，如各种图案、花纹及传统的油画、中国国画等。还成功的用来制造广告、动画片甚至电影，其中有的影片还获得了奥斯卡奖。这是电影界最高的殊荣。目前国内外不少人士正在研制人体模拟系统，这使得在不久的将来把历史上早已去世的著名影视明星重新搬上新的影视片成为可能。这是一个传统的艺术家无法实现也不可想象的。
关键词：计算机图形学；教学改革；实例教学；实践教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）38-0051-02
《计算机图形学》既是计算机科学研究领域中一门重要的学科，同时也是建立在传统图学、现代数学及计算机科学上的一门交叉学科。它已广泛应用在于计算机辅助设计与制造、计算机辅助绘图、计算机辅助教学、工业过程控制、计算机动画艺术、科学计算可视化、人机交互和虚拟现实等诸多领域[1]。基于《计算机图形学》领域的巨大发展和《计算机图形学》课程教学中存在的诸多问题，有必要对该课程的教学进行改革，从而提升该课程的教学水平。《计算机图形学》的研究内容主要包括图形软硬件、光栅图形生成、真实感图形计算与显示、曲线曲面造型、人机交互技术、科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等[2]。
一、目前教学中存在的问题
《计算机图形学》课程是一门理论与实践结合性强的课程，这导致在实际教学过程中存在以下四个问题。
1.教与学的目的不统一。笔者通过教学过程中与学生的交流发现，大部分学生对本课程的理解不是很正确。他们之所以选修这门课程，主要是因为他们认为通过对《计算机图形学》的学习可以处理漂亮的图片、制作炫目的动画和进行游戏编程等。然而该课程实际上是去探究实现这些操作的原理，是研究更本质的知识。学生一开始对该课程充满好奇和期待，但随着课程的深入讲解，他们会感到本课程的理论知识枯燥，导致学习兴趣不断下降。
2.学生动手能力的不足。《计算机图形学》这门课程要求学生具有较强的编程能力和动手能力，因为要掌握和实现一些图形学基本算法。而在教学中发现，大部分学生的编程能力和动手能力都一般，很多任务不能正常完成，从而间接打击了学生的积极性，使得他们对该课程的兴趣与日递减，最后转为放弃学习。
3.课程设置不合理。《计算机图形学》尽管是计算机科学的一门重要学科，但在计算机科学与技术专业并不是核心课程，因此在课程设置中只是将该课程作为高年级的方向选修课开设。很大部分选修学生不是真心想学习该课程，再加上这些学生对课程的理解也存在着偏颇。基于这个现状，任课教师也就只能在实际授课时力求简单，从而导致教师无法完成必需的教学内容。
4.实践教学重视不够。传统教学模式只重视理论而忽视实践，一方面表现在实践课时安排上（本校课堂教学的课时是实践教学的两倍）；另一方面是开设的实验更多的只是算法验证性实验。这使得原本很重要的实践活动转变为形式，这势必阻碍学生运用所学图形学理论知识提升其自身的创新能力。
二、教学改革具体措施
1.板书与多媒体相结合。多媒体教学作为现代教育的有效手段，确实具有传统教学无法比拟的优势，它信息量大、效率高、趣味性强，使教师的授课更便捷，让算法的演示更形象具体，从而有利于激发学生的学习热情，使教学效果达到最优化。因此，目前基本上所有的高校都采用多媒体方式进行授课。但其实对于图形学这门课程，由于其涉及到大量的数学推导，比如，基本图形的生成、图形几何变换和曲线曲面造型等，在多媒体教学的同时，需要运用板书进行相关数学推导，这可以使学生在教师板书的过程中学会思考，从而更好、更正确地理解各种图形算法。
2.加强实例教学。由于图形学课程需要掌握很多算法，因此在讲解图形学算法时，不能只讲理论，这样太空洞。应围绕具体的实例进行教学，借助计算机技术（比如flash）对一些算法进行动画模拟演示，从而使算法的描述更加形象化和具体化。这一方面有利于学生更快更好的掌握这些算法；另一方面也可以激发学生学习的热情和积极性。比如，在讲解“多边形填充4连通边界填充算法”时，利用flash演示像素入栈出栈原理，如图1所示，更直观地展示算法的基本思想，从而充分调动了学生的学习积极性，使其具备主动学习的能力。不过因为课时有限，演示实例不能太复杂，能把算法讲解清楚即可。
3.加强实践能力的培养。《计算机图形学》理论和算法是比较深奥和难懂的，不是很容易掌握，但其实验结果却是直观和生动的。该课程具有很强的实践性和应用性，因此上机实验是其重要环节。在教学过程中需要继续加强学生实践能力的培养，引导学生把所学的基本理论知识应用于实践操作，不断提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。《计算机图形学》在本校的总学时数为48学时，其中的实验课时数为14学时，这14个学时7次实验基本能够满足课程实践教学的需要。本课程的实验根据难易程度可分为如下两个层次[3]：①基本实验。主要是为了锻炼学生对算法的理解能力、算法到程序的转换能力以及用VC编程实现算法的能力，主要包括基本图形（直线、圆和椭圆）算法、线型和线宽的处理、字符的生成技术、线段的裁剪、二维和三维图形的几何变换和投影变换、曲线绘制等，要求学生能够独立完成。②综合实验。这类实验包括多边形裁剪算法、多边形区域填充算法、区域图案填充算法、多面体的消影、画家隐面算法和Z-Buffer隐面算法等，它们无论从算法复杂性上还是程序编写难度上都要高于基本实验。可以考虑将学生分成若干小组，以小组的形式在规定的时间内完成。
参考文献：
[1]陆枫，何云峰.计算机图形学基础（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2011.
关键词：计算机图形学；实验教学；教学改革
中图分类号：TP391.41-4
计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。从汽车的计算机辅助设计，到电视广告、游戏，无一不应用计算机图形生成技术。作为一门实践性非常强的课程，与之配套的实验教学环节显得尤为重要。
1 实验教学现状
由于计算机图形学是一门建立在多门学科之上的综合叉学科，要求学生先修“程序设计”、“数据结构”等课程，课程中的许多算法抽象，原理难懂，实践性强，学生在上课时看似听懂算法原理，但面对具体问题则难以编程实现，致使学生的学习积极性随着课程的推进而逐渐下降。传统的“理论为主，实验为辅”的教学模式，不仅使学生对于抽象的理论知识难以形成感性认识，还使学生无法将所学的原理和算法应用于实验，容易产生学习挫败感。
笔者认为该课程应理论与实验并重，在理论教学的基础上，应加强实验教学环节。针对上述问题，建议实验教学可从以下几个方面进行改进。
2 实验教学改革措施
2.1 合理设计实验内容
《计算机图形学》课程的理论内容包括基本图形生成、曲线和曲面、图形变换等。实验教学中可根据教学进度安排六个实验项目，分别是基本图形生成算法程序设计、线宽与线型处理算法程序设计、区域填充算法程序设计、二维图形裁剪算法程序设计、自由曲线绘制算法程序设计、二维图形的几何变换算法程序设计。
此外，为了让学生能够由浅入深地掌握教学内容，在实验课程中还安排辅导性实验和进阶选做项目，譬如，在实验课初始时安排熟悉使用VC中的MFC、OpenGL；在六个实验项目之后安排三维图形观察、变换算法、分形几何造型算法、自由曲面造型算法、真实感图形绘制算法程序设计等项目，作为学生分组团队选做项目。通过验证性实验和设计性实验相结合，提高学生应用图形学应用能力。
例如，在基本图形生成算法程序设计的DDA直线生成算法实验中，学生在了解了DDA直线生成的数学原理之后，新建一个Win32 Application的“Hello World”程序，工程命名为：DDA直线生成算法，打开DDA直线生成算法.cpp文件，加入如下代码：
2.2 科学设计课堂活动
计算机图形学实验课与大多数实验课类似，采用传统的教学模式：先由教师设计好实验的题目、内容和重点，然后学生上机编写、调试代码程序，同时教师辅导、答疑，最后学生撰写实验报告。该模式的弊端在于，由于大多数学校师生比不足，造成实验课上老师只能解答主动提问的学生的问题，而部分学生特别是学习主动性不足的学生则在机房上网或对实验任务无所适从，提不起兴趣。不少学生的实验报告也是敷衍了事，甚至互相抄袭，达不到课程的实践效果。
为了培养学生的动手能力，除了安排个人上机实验任务之外，教师还可以采用分组教学，团队合作的形式组织教学。在实验课上引入几个难度相近的实验项目，由学生自由分组，选题，完成实验内容。教师参与学生的分析与讨论，并适当给予修改意见。实验完成后各组展示实验结果，分组之间相互比较、评价，总结出同一问题的多种解决思路和算法。此外，在期末还可以安排学生分组完成综合性较强的设计性实验，要求设计出包含理论教学中有关算法原理的作品，并撰写实验报告和实验心得。分组教学不仅激发了学生的学习兴趣，让学生从被动接受知识变为主动获取知识，还增强了学生动手实践能力和理论联系实际的能力。
2.3 改进教学方法
目前，实验课教学主要采用多媒体教学，实验课在计算机实验室进行。教师课前应收集或制作相关的教学资源，将抽象的算法原理与实际应用相结合，通过直观的或动态的演示向学生介绍算法原理。例如，可以用Flas演示二维图形的变换，三维图形的变换过程可以投影用3D MAX软件来演示。同时，还可以采用让学生上讲台讲课的方式开展教学。把讲台留给学生，让学生备好课，以学生的角度介绍实验内容，展示自己的实验成果等，最后由老师进行补充或更正。这种教学方式一改老师完全主导实验课堂的局面，充分调动了学生的学习积极性，让学生善于思考，敢于创新，实验课不再是老师对学生的单向交流的枯燥教学活动。
2.4 改革实验考核方法
以往的计算机图形学课程成绩采用理论卷面考核成绩为主、上机实践成绩为辅的考核方式。在强化实验教学环节之后，为避免学生死记硬背算法原理，考完即忘，可将考核方式改为理论考试成绩与实验成绩并重，即课程成绩除了包含理论课的卷面成绩之外，还包括实验成绩。实验成绩由个人独立实验部分和团队分组实验部分组成。个人独立实验部分要求完成图形学基本算法的程序设计。教师根据学生的实验完成情况给分。团队分组实验部分提供有一定难度的选做项目。团队分组实验部分的成绩，由教师评分和各组学生代表评审小组的评分组成。
3 结束语
本文针对传统的计算机图形学实验教学模式中存在的不足，提出了改进实验教学的教学组织模式和教学方法，以课内理论知识为基础，加强实验实践环节，发挥学生的学习主观能动性，培养学生的动手实践能力和创新能力，最终能够运用所学算法理论分析问题和解决问题。
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作者简介：雷芸（1979-），广西南宁人，讲师，研究方向：图像处理、教育技术史。
1. 引言
随着集成电路制造工艺的快速发展，图形处理器(GPU，Graphics Processing Unit)作为计算机显示系统的核心部件在最近几年得到了飞速发展，众多计算机图形学应用得以迅速普及。这些应用表明，三维图形生成和显示技术将成为未来软件产品能否成功的一个关键因素。计算机图形学应成为计算机及其相关专业学生必须掌握的一门基础专业课程。
目前，国内的计算机图形学课程教学基本取材于几本经典的教科书，这些教科书重点讲述20世纪70年代、80年代的图形技术，强调计算机图形学的数学基础。此外，国内计算机图形学课程的从教人员年龄差别很大，大部分于20世纪80年代或90年代初从事该门课程的教学工作。由于成长环境的局限性和教学方法的沿袭，很多青年教师讲授计算机图形学课程时也强调图形学的数学基础，使得计算机图形学成为计算机及其相关专业学生很难掌握的一门课程。这种强调数学基础的教学方案适合数学基础优秀的学生，对于数学功底一般的计算机类学生难以适用。虽然有教师从实用角度出发来讲授计算机图形学技术，但对理论基础涉及较少，也难以深入，学生很难建立计算机图形学这门学科的体系框架。
针对上述教学中的不足，我们在吸收美国知名大学在该门课程的教学经验基础上，制定了计算机图形学的教学方案和实践环节。通过与微软亚洲研究院等工业界研究机构进行精品课程和科研项目交流与合作，进一步修订了课程方案，强调培养学生的创新能力。我们还在教学过程中增加了面向学科前沿的内容，使学生能及时了解学科发展的最前沿，开阔视野，为从事科学研究打下良好的基础。
2. 指导原则和教学目标
我们吸收了计算机图形学领域国际顶尖大学（如Stanford、UC Berkeley、MIT、CMU、 Princeton、UIUC）教材选择、实验环节和课件的优点，通过与微软亚洲研究院进行精品课程和研究项目资助活动，在CC2001、SE2004、SGE2004[CC2001][SE2004][SGE2004]的基础上进一步修订教学内容，使得它能够反映工业界对人才的需求和学科最新进展。同时，授课内容也反映任课教师自己的研究方向和特色，用科研来促进教学和人才培养。
该课程主要面向复旦大学软件学院高年级本科生，其教学目标要求与学院整个办学思路和人才培养理念保持一致。计算机图形学课程的教学目标包括三个层次。首先，通过本门课程的学习，学生可使用当代图形API（如Direct3D、OpenGL等）编写图形应用程序，并将这类程序与其他应用相结合。其次，通过课程学习，学生不仅对计算机图形学有一个全面、感性的认识，了解学科前沿，同时能够理解和实现部分经典算法。再次，寻找一个可行解决方法对模型进行求解，利用解决方法对问题进行测试，验证模型及其解决方案的正确性训练学生以图形作为工具，对实际问题进行可视分析、建模和求解技能。
尽管国际和国内计算机图形学课程涉及的学生专业背景和从教人员背景具有很大差异，我们相信上述这种重实践、求创新、着重培养解决问题能力的课程教学和人才培养模式都具有很大的参考价值。在保持上述教学和人才培养模式精髓前提下，从教人员可以根据具体情况来制定教学方案和实践环节。
3．教学方案
我院计算机图形学课程设置为2个学分，讲授36学时。学分和学时数比国内和美国高校偏少，因此我们在教材选择、教学内容和实践环节等方面都进行了仔细思考和精心设计，来实现上述教学目标。
我们选择Donald Hearn和M. Pauline Baker合著的《Computer Graphics with OpenGL》第三版作为教材[Hearn2003]。该教材取材丰富，以跨平台的开放图形库OpenGL为基础，介绍计算图形学的基础理论、基本概念和基本算法。学生可将教材示例程序在PC上运行，从而获得对教学内容的直观理解。由于这本教材的理论讲解不够深入，我们推荐[Moller2002][Foley97]作为参考书，并指定[Woo97] 作为必读资料，通过熟悉OpenGL编程接口规范并进行应用程序编写，让学生对图形学基础理论、基本概念和基本算法有深入理解。
考虑到计算机图形学课程涉及领域较多，我们没有采用双语教学，而是以中文讲授课程，但使用英文教材、英文课件和板书，而且作业和考试也采用英文命题。在教学方面，我们借鉴美国优秀大学的先进教育方法，主讲教师上课主要侧重课程的要点、难点和方法以及理念，具体细节要求学生课后学习和实践。这种授课方法要求学生在课后自学来强化对基本概念、基础理论和算法的理解和掌握，有效地弥补了学时的不足。同时，我们借鉴国外大学经验，为该课程配备3名教学助理(Teaching Assistant―TA)，达到了平均20名学生配备一名TA。TA和主讲教师一起，根据课程内容和学生反馈意见设计作业(Homework)和实习项目(Project)，并通过多种方式给予学生指导和帮助。
该门课程的教学内容涵盖了ACM SIGGRAPH和Eurographics教育委员会推荐方案的绝大部分内容[SGE2004]，同时考虑到软件工业的特点、工业界需求和学院的科研特色，我们还增加了该学科的最新进展的相关内容，具体教学安排如下。
第一讲为引言。首先介绍计算机图形学的研究内容、应用领域、典型图形系统的构成和获得ACM 图灵奖(Turning Award)的两位图形学者。接着，讲述图形系统的输入设备和显示设备。然后，以图形绘制为主线，回顾真实感和非真实感图形的历史，直到目前最热门的表面细节绘制、基于图像的绘制和基于相机阵列的绘制技术。
第二讲主要介绍二维图形技术。以画直线算法为例，讲解光栅图形与矢量图形的不同之处。介绍曲线离散为多个直线段的思想和原理，从而完成曲线绘制。通过多边形扫描转化和种子添充算法，介绍简单二维几何图形的光栅化技术。
第三讲重点讲述几何变换。包括物体的平移、旋转、错切、缩放变换；几何变换的矩阵表示形式和多个变换的复合方法，重点解释齐次坐标引入的必要性。最后，以场景图(Scene Graph)为例, 介绍变换的层次控制方法。
第四讲和第五讲围绕图形绘制流水线，讲述绘制流水线涉及的每个环节。包括物体的多边形表示方法、模型变换、取景变换、投影变换、视口变换、二维几何元语裁剪等多个关键步骤和算法。
第六讲为场景消隐技术。介绍了背面剔除、画家算法等物体空间隐藏面去除算法，以及多个图像空间消隐算法，如Z-buffer、面积细分、光线投射(Ray casting)、BSP树等。
关键词：图形学；发展；应用
一、计算机图形学的发展
计算机图形学是利用计算机研究图形的表示、生成、处理，显示的科学。经过30多年的发展，计算机图形学已成为计算机科学中最为活跃的分支之一，并得到广泛的应用。1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（MIT）旋风一号——（Whirlwind）计算机的附件诞生．该显示器用一个类似示波器的阴极射线管（CRT）来显示一些简单的图形。在整个50年代，只有电子管计算机，用机器语言编程，主要应用于科学计算，为这些计算机配置的图形设备仅具有输出功能。计算机图形学处于准备和酝酿时期，并称之为：“被动式”图形学。
二、计算机图形学在曲面造型技术中的应用
曲面造型技术是计算机图形学和计算机辅助几何设计的一项重要内容，主要研究在计算机图象系统的环境下对曲面的表示、设计、显示和分析。它肇源机、船舶的外形放样工艺，经三十多年发展，现在它已经形成了以Bezier和B样条方法为代表的参数化特征设计和隐式代数曲面表示这两类方法为主体，以插值（Intmpolation）、拟合（Fitting）、逼近（Ap-proximation）这三种手段为骨架的几何理论体系。随着计算机图形显示对于真实性、实时性和交互性要求的日益增强，随着几何设计对象向着多样性、特殊性和拓扑结构复杂性靠拢的趋势的日益明显，随着图形工业和制造工业迈向一体化、集成化和网络化步伐的日益加快，随着激光测距扫描等三维数据采样技术和硬件设备的日益完善，曲面造型在近几年来得到了长足的发展。
2．1从研究领域来看，曲面造型技术已从传统的研究曲面表示、曲面求交和曲面拼接，扩充到曲面变形、曲面重建、曲面简化、曲面转换和曲面位差。
曲面变形（DeformationorShapeBlending）：传统的非均匀有理B样条（NURBS）曲面模型，仅允许调整控制顶点或权因子来局部改变曲面形状，至多利用层次细化模型在曲面特定点进行直接操作；一些简单的基于参数曲线的曲面设计方法，如扫掠法（Sweeping），蒙皮法（skinning），旋转法和拉伸法，也仅允许调整生成曲线来改变曲面形状。计算机动画业和实体造型业迫切需要发展与曲面表示方式无关的变形方法或形状调配方法，于是产生了自由变形（fFD）法，基于弹性变形或热弹性力学等物理模型（原理）的变形法，基于求解约束的变形法，基于几何约束的变形法等曲面变形技术和基于多面体对应关系或基于图象形态学中Minkowski和操作的曲面形状调配技术。
2．2从表示方法来看，以网格细分（Sub-division）为特征的离散造型与传统的连续造型相比，大有后来居上的创新之势。而且，这种曲面造型方法在生动逼真的特征动画和雕塑曲面的设计加工中如鱼得水，得到了高度的运用。
三、在计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）的应用
这是一个最广泛，最活跃的应用领域。计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）是利用计算机强有力的计算功能和高效率的图形处理能力，辅助知识劳动者进行工程和产品的设计与分析，以达到理想的目的或取得创新成果的一种技术。它是综合了计算机科学与工程设计方法的最新发展而形成的一门新兴学科。计算机辅助设计技术的发展是与计算机软件、硬件技术的发展和完善，与工程设计方法的革新紧密相关的。采用计算机辅助设计已是现代工程设计的迫切需要。CAD技术目前已广泛应用于国民经济的各个方面，其主要的应用领域有以下几个方面。
3.1制造业中的应用。CAD技术已在制造业中广泛应用，其中以机床、汽车、飞机、船舶、航天器等制造业应用最为广泛、深入。众所周知，一个产品的设计过程要经过概念设计、详细设计、结构分析和优化、仿真模拟等几个主要阶段。同时，现代设计技术将并行工程的概念引入到整个设计过程中，在设计阶段就对产品整个生命周期进行综合考虑。当前先进的CAD应用系统已经将设计、绘图、分析、仿真、加工等一系列功能集成于一个系统内。现在较常用的软件有UGII、I-DEAS、CATIA、PRO/E、Euclid等CAD应用系统，这些系统主要运行在图形工作站平台上。在PC平台上运行的CAD应用软件主要有Cimatron、Solidwork、MDT、SolidEdge等。由于各种因素，目前在二维CAD系统中Autodesk公司的AutoCAD占据了相当的市场。
3．2工程设计中的应用。CAD技术在工程领域巾的应用有以下几个方面：①建筑设计，包括方案设计、三维造型、建筑渲染图设计等。②结构设计，包括有限元分析、结构平面设计、框/排架结构计算和分析等。③设备设计，包括水、电、暖各种设备及管道设计。④城市规划、城市交通设计，如城市道路、高架、轻轨等。⑤市政管线设计，如自来水、污水排放、煤气等。⑥交通工程设计，如公路、桥梁、铁路等。⑦水利工程设计，如大坝、水渠等。⑧其他工程设计和管理，如房地产开发及物业管理、工程概预算等。
3．3电气和电子电路方面的应用。CAD技术最早曾用于电路原理图和布线图的设计工作。目前，CAD技术已扩展到印刷电路板的设计（布线及元器件布局），并在集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路的设计制造中大显身手，并由此大大推动了微电子技术和计算及技术的发展。
3．4仿真模拟和动画制作。应用CAD技术可以真实地模拟机械零件的加工处理过程、飞机起降、船舶进出港口、物体受力破坏分析、飞行训练环境、作战方针系统、事故现场重现等现象。在文化娱乐界已大量利用计算机造型仿真出逼真的现实世界中没有的原始动物、外星人以及各种场景等，并将动画和实际背景以及演员的表演天衣无缝地合在一起，在电影制作技术上大放异彩，拍制出一个个激动人心的巨片。:
3．5其他应用。CAD技术除了在上述领域中的应用外，在轻工、纺织、家电、服装、制鞋、医疗和医药乃至体育方面都会用到CAD技术。CAD标准化体系进一步完善；系统智能化成为又一个技术热点；集成化成为CAD技术发展的一大趋势；科学计算可视化、虚拟设计、虚拟制造技术是CAD技术发展的新趋向。
CG的由来
CG是英语Computer Graphics的缩写，是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。
利用计算机技术进行视觉设计和生产。它既包括技术也包括艺术，几乎涵盖了利用计算机技术进行的所有的视觉艺术创作活动，如平面设计、网页设计、三维动画、影视特效、多媒体技术，以及计算机辅助设计的建筑设计等。现在CG的概念正在扩大，已经形成一个可观的经济产业，我们提到CG时，一般可以指以下四个主要领域：CG艺术与设计、游戏软件、动画、漫画。
CG动画指电脑制作动画，就是电脑原先就制作好了的动画，主机只需要播放就可以了。跟它相对应的是即时演算动画，是一段程序需要主机进行计算才能播放出的动画。一般来说，CG动画的画面要比即时演算的强上不少，占用的空间也比即时演算的要少。但是CG动画缺少变化性，无法即时更改动作。
在电影特技中的应用
计算机动画的一个重要应用就是制作电影特技 可以说电影特技的发展和计算机动画的发展是相互促进的。1987年由著名的计算机动画专家塔尔曼夫妇领导的MIRA 实验室制作了一部七分钟的计算机动画片《相会在蒙特利尔》 再现了国际影星玛丽莲·梦露的风采。1988年，美国电影《谁陷害了兔子罗杰》（Who Framed Roger Rabbit？）中二维动画人物和真实演员的完美结合，令人瞠目结舌、叹为观止 其中用了不少计算机动画处理。1991年美国电影《终结者II：世界末日》展现了奇妙的计算机技术。此外，还有《侏罗纪公园》（Jurassic Park）、《狮子王》、《玩具总动员》（Toy Story）等。
行业趋势
计算机图形学狭义上是一种研究基于物理定律、经验方法以及认知原理，使用各种数学算法处理二维或三维图形数据，生成可视数据表现的科学。它是计算机科学的一个分支领域与应用方向，主要关注数字合成与操作视觉的图形内容。广义上来看，计算机图形学不仅包含了从三维图形建模、绘制到动画的过程，同时也包括了对二维矢量图形以及图像视频融合处理的研究。计算机图形学经过将近40年的发展，已进入了较为成熟的发展期。目前，其主要应用领域包括计算机辅助设计与加工，影视动漫，军事仿真，医学图像处理，气象、地质、财经和电磁等的科学可视化等。由于计算机图形学在这些领域的成功运用，特别是在迅猛发展的动漫产业中，带来了可观的经济效益。动漫产业是目前各国优先发展的绿色产业，具有高科技、高投入与高产出等特点。据统计，截至2009年3月，美国动画梦工厂所拍摄的三维动画片《怪物史莱克II》在预算为1.5亿美元的情况下，获得了超过9.2亿的全球累计票房。而我国在2008年度共制作完成的国产电视动画片249部，计131042分钟，与2007年度相比增加了近28%。另一方面，由于这些领域应用的推动，也给计算机图形学的发展提供了新的发展机遇与挑战。
图形渲染是整个图形学发展的核心。在计算机辅助设计，影视动漫以及各类可视化应用中都对图形渲染结果的高真实感提出了很高的要求。同时，由于显示设备的快速发展，人们要求能提供高清分辨率（1920x1080），进一步要能达到数字电影所能播放的4K分辨率（4096x2060）；色彩的动态范围也希望从原来每个通道的8Bit提高到10bit及以上。虽然已有的图形学方法已经能较为真实地再现各类视觉效果，然而为了能提供高分辨率高动态的渲染效果，必须消耗非常可观的计算能力。一帧精美的高清分辨率图像，单机渲染往往需要耗费数小时至数十小时。为此，传统方法主要采用分布式系统，将渲染任务分配到集群渲染节点中。即使这样，也需要使用上千台计算机，耗费数月时间才能完成一部标准90分钟长度的影片渲染。
计算机图形学在追求真实感方向的研究发展已进入一个发展的平台期，基本上各种真实感特效在不计较计算代价的前提下均能较好得以重现。然而，人们创造和生成图片的终极目的不仅仅是展现真实的世界，更重要的是表达所需要传达的信息。例如，在一个所需要描绘的场景中每个对象和元素都有其相关需要传达的信息，可根据重要度不同可采用不同的绘制策略来进行分层渲染再加以融合，最终合成具有一定表意性的图像。为此，研究者已经开始研究如何与图像处理、人工智能、心理认知等领域相结合，探索合适表意性图形生成方法。而这一技术趋势的兴起，实际上延续了已有的非真实感绘制研究中的若干进展，必将在未来有更多的发展。
总 结
CG技术随着计算机技术的发展，开始为影视视觉服务，从最早pixar开始运用电脑将手绘的二维动画往三维CG动画发展，影视动画就开始蓬勃发展，从1995年pixar公司的《玩具总动员》成功上映，到2011年《变形金刚3》《怪物史瑞克3》站上电影票房之巅。无不预示着电影动画的发展前景。而中国第一部全三维动画电影有环球数码制作的《魔比斯环》在2006年成功上映奠定了中国CG影视的第一步，到今中国CG不断发展，衍生出很多CG影视公司，拉动了整个产业的发展和就业。未来中国CG动画还将蓬勃发展。
（作者单位：辽宁科技大学）
作者简介：
关键词：IPR-CDIO；计算机图形学；做中学；教材建设
CDIO(Conceive、Design、Implement、Operate，即构思、设计、实现、运行)是国外高等工科教育的一种创新模式。它以产品从研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间存在有机联系的方式学习工程[1]。CDIO因其具有与社会需要一致性、国际先进性、实践可操作性、全面系统性和普遍适应性等特点而被国际上多所院校所采纳，其先进的教育理念已被中国高等工程教育界所接受，有近40所高校正在中国化试点，浙江万里学院是其中之一。我们学习CDIO教育理念，结合多年的改革实践，创新地提出了IPR-CDIO(Interest、Perseverance、Responsibility，即兴趣、毅力、责任)教育思路，即将学生的探索热情与兴趣、持之以恒的精神和社会责任感的培养，融入到不同级别项目研发过程[2]。通过项目构思和设计，培养学生的创新意识和创新思维，通过项目的实现和测试运行，培养学生的专业技能，同时借助项目团队式组织形式、角色化任务分工，激发学生的参与兴趣，锻炼其团队合作和沟通交流能力，培养其责任感。IPR-CDIO教育宗旨与国家教育方针一致，与“十二五”高等教育重点工作、卓越人才培养目的是完全吻合。
课程是人才培养的基本单元，IPR-CDIO教育理念必须通过各门课程来实施，因此课程设计非常关键。根据课程地位和性质整合知识点，我们设计出能培养学生知识学习、技能训练、素质成长于一体的小项目，设计为完成项目、训练IPR素质而采用的教学方法，并使课程知识内容、项目实施、教学方法、教材选择有机融合，形成一体化的课程教学体系。下面以计算机图形学为例，说明如何基于IPR-CDIO理念进行课程设计、教学实施及教材建设。
1基于IPR-CDIO理念的课程设计
IPR-CDIO强调以兴趣为先，社会责任与工程能力训练为本。计算机图形学作为高年级学生的专业应用性课程，因其算法较为繁杂、学科交叉性强、编程技术需求高而成为计算机专业学生的难点课程，加上后续的毕业实习、毕业设计、就业等因素影响，教与学都难以实施。但是课程本身的实用性和趣味性比较强，如果设计与引导好，既可激发学生的学习热情，又对后续的实习、设计或就业产生积极推进作用。
课程前端基础是具有“程序设计基本能力”，目标是“图形算法原理理解、编程实现及综合应用能力培养”，体系以实现目标为主线，借助知识框架构建知识体系，通过项目实施过程完成能力培养途径，使得知识学习、项目训练、能力培养融为一体。其教学体系如图1所示。
图1基于IPR-CDIO理念的计算机图形学教学体系
其中，课程教学内容抽取了核心知识框架：课程概述(地位、性质、用途、目标)、二维图形核心知识、三维图形设计核心知识、真实感图形处理原理等。这些知识的理解是支撑CDIO项目实施的基础。同时，课程设计了两个综合性项目：一是“计算机图形学的应用研究与综述”，鼓励学生以小组为单位查阅文献资料，对图形技术在某一领域的应用发展情况进行综述，撰写提交综述报告。目的是激发学生对某领域的研究兴趣，同时锻炼文献综述的写作能力，为毕业设计中的文献综述奠定基础；二是“基于图形技术的作品设计”，要求每组完成一个完整的CDIO项目过程，即从需求分析(C)、方案设计(D)、代码编写(I)，到作品测试(O)、答辩验收。目的是训练学生按照软件工程的思想经受一次项目研发历程，并体会过程中的合作精神、责任意识及成就感。
课程项目设计是IPR-CDIO教学实施的核心，针对不同性质和级别的课程，项目内涵不一样，前沿领域的研究、核心算法的分析与实现、模拟小项目实施、综合课程知识的作品等，均可成为项目；课程级项目也要有研究的内涵，具有启发引导的目的和意义，而且要大小适中，太大了难以完成，会挫伤学生学习的兴趣，太小了又起不到训练的作用。科学合理的项目设计一定是经过课程组精心研究、多轮实践而逐渐形成。
2教学实施
教学方法是激发学生兴趣的源泉。CDIO倡导“做中学”教学法，目的是调动学生学习的主动性、积极性和创新性。美国著名哲学家、教育学家和心理学家杜威指出：“从做中学是比从听中学更好的学习方法”，“学与做相结合的教育将会取代传授他人学问的被动的教育[3]”。CDIO项目设计的目的就是将学生分成小组置于“做项目”的情景之中，为了完成课程学习任务，他们必须去做，去学习探索，去讨论解决问题，在坚持完成整个项目生命周期的过程中，达到项目实施能力和IPR素养的锻炼与提高。
在第一次课堂教学中要讲述课程教学目标、布置项目任务、公布评价指标、设计学生分组等环节，充分展示课程学习蓝图，激发学生想“做”的愿望和兴趣，抓住兴奋点。该课程在项目实施过程中，设有几次大讨论：应用综述、需求分析、方案设计、作品预演、结果汇报等，使所有学生都有展示、表达的机会，特别是最后的作品汇报中，完全模拟毕业设计答辩过程，全体课程组教师和部分学生代表作为评委，目的是锻炼学生对问题的描述水平，口头表达及应变能力。
CDIO把“不求人人成功，但求人人进步”作为教学所追求的一种境界，同时也将之作为教学评价的目标和尺度[2]。以各个小组在达成目标过程中的表现与效果作为评价与奖励的标准，这种机制可以把个人之间的竞争转化为小组之间的竞争，从而促使小组内部的合作，增强成员的责任感。
计算机图形学设计了如表1所示的多元评价指标，即评价内容、主体及方法都是多元化的。从表中看出项目合作过程的成绩占总成绩的70%，有50%的成绩是对整个小组进行评价，促进学生增强团队协作精神和集体荣誉意识。
这种多元评价方式，杜绝了部分学生靠投机取巧获取高分的现象，有利于促进学生自觉地参与小组项目合作过程，脚踏实地完成自己的任务，有利于增强学生的自信心和小组集体荣誉感，促进学生反思不足、认识差距，不断进步与发展。
教师(或工程师)在课程项目实施过程中，主要起引导或指导作用。针对项目实现中涉及的数学知识、编程技巧、艺术修养等，教师首先鼓励学生自主学习、小组讨论，或与相关专业同学协作等方式去解决问题，通过做中学、在讨论中成长的教学方法，锻炼学生自主解决问题的能力，最后教师要给予评价、总结与后续提升的引导，促进学生向更高的目标迈进。
3教材建设
课程教学改革的最好成果是教材，良好的教材又能唤起学习欲望、提示探究课题、引导学习方法、促进个性发展、巩固知识掌握等。教材内容必须具备“易用、时新、精炼、适用”的特点。即教材内容能反映本学科基本原理、思想、技术和方法在相关现实领域的典型应用，展示具体环境、条件、方法和效果，培养学生根据现实问题选择合适的科学理论、概念、思想、技术和方法去分析、解决实际问题的意识和能力[4]；教材内容要及时反映本学科的最新发展、最新技术成就及其最新应用，保证学生“学以致用”；教材内容要精炼，紧密结合人才培养及课程教学目标的需求，精选有益于学生后续学习与发展的核心知识和技能要点，优化整合、去粗取精、详略得当；教材内容与课程教学目标、教学改革思路以及教学对象相适宜，例子要具体实用，而且具有引导启发性，使学生能够“看得见、摸得着”，且能促进学生“深下去、见成效”。
多年来，老师对计算机图形学教材的选择一直比较困难。最早是从国外引进原版教材，然后是由孙家广教授编写、清华大学出版社的《计算机图形学》一版、二版、三版、新版，几乎统领了国内该课程的教材，直至现在还是考研的参考书，后有潘云鹤院士的《计算机图形学――原理、方法及应用》经典教材等等，这些教材普遍特点是内容非常系统、内容描述全面，页码较多。其主要思想是以理论原理、算法分析为重点，较少的算法实现例子也是伪码说明，使得数学基础较差、编程能力不强的普通高校学生望而生畏，不适合作为他们的教材使用。后来有一些薄本教材面市，但大多以算法实现为主，书内大多是程序代码，相当于程序设计类教材，也不适用。
课程组编写的讲义经过几年使用后，于2008年由机械工业出版社正式出版，书名为《计算机图形学基础及实用教程》，被多所院校所选用。目前，借助于宁波市特色教材项目资助，我们正在对这本教材进行改编，知识点更加优化，将前期不太系统的案例进行集成等。该书特点是基于CDIO工程教育理念，设计一个完整的案例――图形学算法实现系统，该系统以分散的形式贯穿于整个章节，串起课程的核心理论知识点及算法实现的技术要点；学生通过实验训练，又可将分散的系统进行集成。每章的知识与算法实现自成一体，目的是使学生借助于教材的引导进行“学中做”，将主要章节的实验都完成时，系统的完整性就体现出来了，使得学生体会到“做中学”所带来的成就感。而且在每章之后都有带提示和引导的“超越与提高”，目的是启发学生深入探究下去，锻炼其自主学习意识与创新能力。
该教材有效推进了以CDIO教育理念指导的课程教学改革，有效地将理论知识与实验项目、知识学习与项目研发、自主学习与小组研讨有机结合。对基于项目的一体化教学起到了有力的支撑作用，学生从简单的模仿、模拟入手，由少及多地对原系统进行改进，最后达到自主设计，完成一个独立的系统研发作品，并作为课程学习考核的主要依据，大大激发了学生的学习创作热情，取得了良好的教学成效。
4结语
CDIO式项目化训练在计算机专业已经实施五年，教学效果明显，学生的自主学习能力、创新意识、项目研发与设计能力等都得到加强，极大地锻炼了学生的合作意识、沟通交流能力，毕业生就业质量普遍提高。就计算机图形学课程而言，我们将IPR-CDIO
项目融入课程教学的全过程已经4届，在毕业设计中有40余人次选择与图形学相关的课题，做出了30余件毕业设计作品，有的作品成为教学案例，有的作品成为学生就业的敲门砖，有作品获得了省、市级学科竞赛奖，有的学生在教师指导下发表了论文等。大多数毕业生在上海、杭州等大型软件公司做游戏开发、动画设计工作，有些已经成为项目经理、部门负责人，还有已远涉日本从事外包软件设计等工作。
计算机图形学教学改革，不仅挖掘了课程本身的效力，培养出高质量的学生，而且也促进了该课程的有效建设。课程性质从选修到必修，再到核心；课程立项为校级精品建设；课程组成员职称与学历不断提升，科研和教研能力较强，主持国家级自然科学基金项目1项、省级和市级3项，主持省教学成果二等奖1项、科研成果三等奖1项。该课程改革大力推进了计算机专业的改革与发展，在学校创新实验区的基础上，我院计算机专业被立为教育部CDIO课题组的试点专业、浙江省软件服务外包试点专业。
总之，IPR-CDIO教学思想已经深入到多门课程教学，计算机图形学只是其中的一例，随着课程教学改革的深入开展，基于能力和素质培养为目标的IPR-CDIO教学理念必将体现出其科学性、实用性、先进性与推广性，我们将坚持不懈，为探索培养社会必需的优秀人才而努力。
参考文献：
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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 .
关键词：计算机图形学；教学模式；能力导向；教学改革
1研究背景
计算机图形学是计算机科学领域中一个重要而又年轻的学科，它是随着计算机硬件特别是图形显示设备的发展而逐渐产生发展起来的。该学科主要研究利用计算机显示、生成和处理图形的基本原理、方法和技术，涉及数学、物理、计算机、心理学等多个学科的交叉融合，相关问题的讨论往往涉及比较复杂的算法和比较抽象的理论[1]。因此，该课程具有较强的综合性、理论性和实践性。
笔者将“以能力为导向”的教学理念融入计算机图形学教学实践过程中，研究如何恰当地组织教学内容，有效调整教学模式，高效运用教学手段，合理分配实验环节，使学生从“要我学”的被动接受知识型学习模式转变到“我要学”的主动学习型模式。在基本理论和基本技能培养的基础上，更进一步加强实践动手能力和创新能力的培养，达到知识传授和能力培养的有效结合。实践证明，通过一系列改革，我校在提高教学质量，培养学生能力方面都取得了较好成果。
2教学现状
由于计算机图形学具有广泛的应用领域，且该课程名称本身具有吸引力，很多学生在刚刚接触这门课时有极大的兴趣，特别是影视动画和游戏爱好者，都抱着极大的期望，幻想能通过该课程的学习制作精美动画，开发精彩的游戏。然而，在后续的学习过程中，学生的积极性和主动性逐渐消失，学习的信心所剩无几，最终导致整个学习过程变为被动接受。究其原因，主要有以下几点。
1) 学科本身难度较大。计算机图形学是建立在传统的图学理论、现代数学和计算机科学基础上的一门新兴学科，涉及多个学科的相关知识，学科交叉繁杂，且新的应用领域又不断拓展，使该学科内容丰富、算法众多、理论性和实践性较强。而当前的教科书大多以基础原理和理论讲解为主，详细展示了多种算法的推导、优化和发展过程，对这些内容的理解需要学生有很好的工科基础，特别是数学基础，也需要教师在讲课过程中有清晰的思路和清楚的表达。即便是这样，也往往造成课堂教学枯燥无味，而学生也经常被这些算法所困扰，产生畏惧心理。
2) 教学观念落后。传统的教学观念强调知识传授，看重学生对知识点的掌握、重难点的理解。因此，教师备课时往往根据知识点来安排课堂内容，对大纲中要求的章节重要知识点作较详细的讲解。这样很容易形成满堂灌的课堂局面，学生也自然而然地习惯了老师讲到哪儿就听到哪儿，听到哪儿就学到哪儿，学习主动性和积极性基本丧失。如果学生课下不看书复习，即使每节课的知识点掌握了，也很难完整理解整个知识结构，很难融会贯通所学知识，对知识的理
解只能停留在“只见树木，不见森林”的层面。教学观念的落后也会导致较落后的实验教学，大部分实验停留在算法验证性实验上，不能激发学生的兴趣和主动思考问题、解决问题的科学探索激情。
3) 考核方式单一。“以知识为导向”的传统教学观念也导致了考核方式具有单一性，主要以理论考试为主，试题形式主要是填空、选择、判断、名词解释、简答、计算等，试题内容要求尽可能多地涵盖大纲中的知识点。这常常导致学生把大量的精力和时间放在对基本概念和基础知识的理解和记忆上，考试成绩高的学生，有可能动手能力差。因此，这种考核方式无法真正考核学生对知识的掌握及应用能力，也不利于学生创新意识的培养。有些教师也将实验成绩按比例添加到总成绩中，但对实验过程没有好的管理方法，也很难对学生进行客观评价。
4) 现状分析。通过以上分析，我们可以得知，计算机图形学若仍采用传统的课堂上讲授理论，课下让学生做实验的教学方式，很难达到预期的教学效果，不利于学生各方面能力的培养，有悖于新时期的人才培养目标。因此，探讨新的教学思路和教学方法，就成了广大教师需要研究的重点内容。
3教学观念改革
在信息技术飞速发展的今天，培养单纯技能型人才已不适应社会需求，市场经济的发展需要大批具有一定创造性的专业人才。因此，教师要在教学过程中转变思想认识，更新教学观念，改变传统教学方式，注重学生合理的智能结构培养，使学生在学习知识的同时提高运用知识、更新知识、扩展知识的能力[2]。
1) 教学重点从传授知识转向能力培养。就计算机图形学课程而言，学生能力的培养主要体现在逻辑思维能力、实际动手能力和应用创新能力等方面。逻辑思维能力主要体现在形数转换的能力方面，即对具体对象的几何信息进行分析、抽象和归类，建立对象的数学模型，最后再转化成一定的数据结构形式。实际动手能力是指编程能力和实际操作能力，能熟练编写程序，处理复杂的图形问题和结构问题，能够进行简单系统的设计开发。应用创新能力指创造性能力，是在掌握理论的基础上有所创新，体现为在解决实际问题上有独到见解[3]。此外，教师还可应用灵活的教学手段培养学生的工程应用能力、团队协作能力、信息检索和组织能力、表达能力、专业外语应用能力等。
2) 课堂教学模式由传授方式转向引导方式。在课堂教学过程中，为了给学生提供积极思维和主动思维的时间、空间和条件，教师要在“导”字上下功夫，使课堂的教学过程演变成学习知识、启发思维的引导过程，形成探究性学习风气，使学生逐渐接受和喜欢“积累知识―积极思考―主动创新”的新型学习模式[3]。
4教学内容和方法改革
基于能力培养的教学观念，在教学过程中，我们设计了一个小型“虚拟鱼建模”项目实例，该项目的设计与实现可以分解成多个步骤，而每一个步骤都对应相应的教学内容。因此，可将该项目作为一根主线贯穿在所有的教学内容中。
4.1理论教学
1) 内容组织。
我们以“虚拟鱼”为主线，使其贯穿于整个教学内容。要让计算机“逼真”地模拟虚拟鱼的水底世界，模拟过程可用图形流水线给出，如图1所示[4]。教师依次讲解流水线上的每一步涉及的相关理论知识，并将相关技术处理的动态效果实时展示出来，让学生清楚地了解每堂课所讲的理论知识在整个课程中的作用、地位，以及以该理论为基础的程序或软件所能完成的功能、任务。这样，在整个学习过程中，学生有较高的学习兴趣和热情，同时会有清晰的学习思路和学习目标，不会感到混乱无序。
因此，采用实例教学和图形流水线顺序组织课程内容，符合学生理解问题的逻辑顺序，有利于学生理解课程的知识结构，便于他们掌握各知识点间的关系，可以解决“只见树木，不见森林”的问题，使学生始终保持思路清晰，提高学习效果。
在讲解每个理论知识点时，教师也可结合它们在图形编程(如OpenGL)和图形制作软件(如3D max等) 中的应用来讲解。如讲授光照处理时，教师可以先给学生演示3D max 里面制作光源的过程，重点让学生观察不同参数选择产生的不同光照效果。同时教师可以提出疑问，如“各个参数起到什么作用”、“表示什么含义”等，让学生思考。然后，教师演示OpenGL中的光照程序和效果，再提出同样的问题。带着这些问题，教师引导学生回到光照模型的理论学习阶段，学生的学习目标就更加明确了，学习效率和兴趣也自然提高了，也就解决了学生诸如“学这个有什么用”、 “为什么要那样计算”、“参数到底表示什么”等疑问。因此，在理论课堂上加入实际应用环节，让学生看到理论和实际的融合点，会起到事半功倍的作用，也让学生感到学有所用。笔者常常在CG的第一课时就给学生布置自学3D max的要求，因为应用软件的学习能促进他们更深入地理解理论知识。而后续的大部分课堂几乎包括了应用部分和理论部分的讲解，如图2所示。虽然应用部分的讲解只占10～15分钟左右的课堂时间，但起到了非常大的作用。
2) 教学过程设计。
教学内容的学习分为5个环节，如图3所示。上完绪论课后，教师便给学生演示虚拟鱼系统，使学生对用程序编写出来的栩栩如生、悠然自得、游来游去的小鱼产生极大的兴趣。教师接下来对该系统进行简要介绍，分解步骤，从而打开学生学习CG的大门，而每一个步骤的引入将引导学生充分学习相关的理论知识。因此，在每一次理论课前，教师都要布置相关步骤的学习任务，如小鱼的曲面构造、纹理映射等；学生通过自学、查阅资料，对问题进行分析探讨；上课时，教师先让学生自由发言，说出自己的想法和思考，再由教师讲解相关内容；随后，学生将自学和听课中发现的问题与教师进行进一步交流探讨；最后，教师提出下一步骤的任务。如此循环，不仅能使学生对每堂课所学的知识有深入的理解和认识，明白该节课内容在整个课程中的地位，还能使学生学习的知识具有系统性、连贯性和完整性。通过具体应用实例的剖析和教师的“导”，学生对每一部分内容的学习都经过了一番努力思考，这样的知识一定会记忆深刻。因此，这种教师“导”，学生“学”的教学过程，既丰富了学生的思维过程，又给予他们主动学习、理论结合实际的基点，便于激发学生学习和思考的积极性和主动性，自然也能培养学生主动学习、独立思考问题和解决问题等各方面的能力。
4.2实验教学
作为实践教学的最重要组成部分，实验教学在培养实践能力和创新精神人才中有着十分重要的作用。传统的实验教学内容大多为算法的验证性实验或图形库的应用实验，这些实验在一定程度上锻炼了学生的编程能力和基础应用能力，但对学生综合应用理论知识能力、创新性思维能力和解决实际问题能力的培养非常欠缺。本教学改革以培养学生解决实际问题能力和创新能力为主导思想，结合我校的学科专业特色和需求，综合多门课程知识，大力开展综合性设计性实验，培养学生的动手实践能力、创新意识，提高学生的综合素质。
1) 实验内容安排。我们将实验分为基础性、综合性、设计性和创新性四个层次，分别培养学生的基本技能、综合设计和创新等各方面的能力，如图4所示。其中，基础验证性实验由学生在开放实验室自行完成，教师负责检查；综合、设计性实验由教师提供多组选题，学生自由选择，按项目管理方式对学生进行分组管理，要求学生团结协作，合理分工，共同完成各个模块，实现实验所要求的预期功能；创新性实验为学有余力的学生提供一个创新平台，将结合我校特色专业和多门学科知识点进行综合性、创新性实验，如虚拟植物建模、虚拟动物仿真等。
2) 实验考核方式。为加强对实验的过程管理，我们采用实际工程运作中的项目经理负责制度。在综合实验过程中，我们将学生分成项目小组，小组成员扮演不同的角色，在项目经理的组织下共同完成项目的设计与实现。在项目设计和实施、验收过程中，由项目组选派或教师随机抽选一名学生进行汇报答辩，其成绩作为小组成绩。在学生的最终成绩评定时，以项目小组为单位，学生的成绩由个人、整个团队成员、项目经理和教师多方面决定，得分内容由实验设计、实验过程、实验成果、实验报告等几部分的得分组成。这种管理方式在训练学生实践动手能力的同时，也加强了对学生团队协作和组织协调能力的培养。
5结语
计算机图形技术的不断发展，要求计算机图形学课程的内容要不断更新，教学手段、教学模式也要不断改进。“以能力为导向”的教学模式，改变了传统教学方法的弊端，能激发学生的创新思维和动手能力，能培养学生主动学习的能力，将“注入式教学”变为“启发式教学”，为培养适应社会需求的科技人才奠定了基础。
参考文献：
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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 )
关键词：计算机图形技术 动画产业 概述 趋势
中图分类号：F062.5 文献标识码：A
文章编号：1004-4914（2012）03-122-02
一、计算机图形技术概述
计算机图形学作为计算机科学与技术学科的一个独立分支已经历了近50年的发展历程。目前，计算机图形学已是一门成熟的技术，成为当代几乎所有科学和工程技术领域用来加强信息理解和传递的技术和工具。经历了近40年的发展历程，计算机图形学在图形基础算法、图形软件与图形硬件等方面都取得了长足的进步。随着计算机图形学理论、方法的不断完善，软件、硬件技术的不断发展，它的应用领域也必将越来越广。1962年，美国麻省理工学院林肯实验室的Ivan.E.Sutherland首次使用了“Computer Graphics”这一术语，证明交互式计算机图形学是一个可行且有用的研究领域，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的地位，奠定了计算机图形学的基础。
二、计算机图形技术发展加快动画制作的无纸化趋势
动画这种艺术形式自从产生以来，其发展便一直与人们不断提高的欣赏需求和科学技术的发展紧密相连。从单纯的形象动作演变到有完整的故事情节，从早期的无声字幕提示到有对白有配乐；从只有黑白两色到彩色图像，从二维平面到三维立体空间，从传统的视听方式到全息的4D感官享受。传统的动画制作形式由于其自身存在的相对局限性，已经越来越难以适应行业的发展速度与市场的渐渐扩张的需求。“无纸化”制作已经成为动画发展的必然趋势。
动画“无纸化”是指整个动画制作流程全部采用计算机图形技术实现的制作方式，包括前期的美术设定、分镜头绘制，中期的原画、动画制作；后期的特效添加等等全部在计算机上进行操作。“无纸化”动画得以实施的工作形式为：“数位板(压感笔)+计算机+CG相应软件，具有低成本、小风险、易修改、画面品质精良、输出便捷、易上手等优点，目前已经广泛应用于动画产业链条的相关行业，如影视、娱乐、游戏、展示，建筑、网络等。
1.计算机图形技术发展对于二维动画发展的影响。由于动画制作有别于真实的表演拍摄，荧幕前相对于观众的一秒，对于动画制作人员却意味着一个多人团队细分到24帧画面的辛勤劳动，动画片的预算是需要精确到每一秒的，剧本中的每一句台词，人物附加的一个道具，甚至人物设定中衣服多出来的一条纹样，都会成为增加预算增加工作量的因素。由于这样的局限性，早期的动画形象多趋向极简的造型，艺术风格也稍显单调。随着动画产业的快速发展，观众的观赏趣味也被渐渐提高，之前传统的艺术形式与制作方法也越发难以适应市场要求。传统二维动画的人物动作与场景都是绘制在透明的“赛璐璐”片上的，绘制的时候需要动画师下笔准确，其修改起来是较不方便的，随后进行叠加拍摄，再将拍摄的底片进行冲印，最后将冲印好的拷贝剪辑成片。整个过程需要多人长期的磨合协作，一旦其中某一个环节出现问题将会对整个制作过程产生连带性的影响。
随着计算机图形技术的快速发展，计算机造型技术与真实感图形绘制技术渐渐被应用到二维动画的制作流程当中，目前业内最专业的数位板和压感笔供应商当属总部设在日本的wacom公司，其产品自研发以来，一直致力于追求更真实更精准的真实绘画感，按照不同专业程度的人群提供不同档次价位的产品。其中最为专业的绘图板“影拓”系列面向资深的CG业内人员，其压感已经做到2048级，精密灵敏，手感几乎可以与传统纸上绘画相媲美。具备相应美术功底的人员经过软件学习配合以数位板可以创作出几乎任何美术风格的作品。
由于借助了计算机进行图像处理，原来需要人工重复绘制的工作可以由计算机运算自动生成，在矢量二维动画软件中，人物、景物、道具都可以以“元件”的方式存在，动画师只需要将不同图形做成元件，并分类保存在虚拟的“元件库”中，今后所有涉及到该图形的内容就可以直接从库中调用，大大节省了时间和预算。
2.计算机图形技术发展对于三维动画发展的影响。计算机动画CG技术（Computer Graphics）的应用早已不仅仅局限在“动画片”这个相对狭义的范围内，而是渗透到更加广泛的影视特效、交互展示、教学培训等诸多方向，涉及到的行业也包括：电影电视、网络、音像制品、印刷、玩具、服装、电子产品、教育、医疗、军事等等。
1995年11月，皮克斯公司与迪斯尼公司联合制作的《玩具总动员》在北美上映，这部完全由计算机制作的动画影片成为了动画史上又一座里程碑式的作品。这是一部耗时4年花费过亿的大投资商业动画长片，其中每一帧画面制作时间都耗时4至13人工小时不等，整个团队工作系统由87台双CPU和30台4CPU的Sparc工作站组成，还有一台Sparc1000服务器。在《玩具总动员》上映（1995）之前，迪斯尼一直是美国动画电影的唯一制作商。而《玩具总动员》的成功推出，无疑改写了娱乐产业的历史，好莱坞从此诞生了完整的动画产业。观众们在81分钟的时间内体验到前所未有的真实感与视觉冲击特效，而这一切，竟然全部是由计算机制作的虚拟图像。这种身临其境的真实感是传统二维动画所无法给予的，从该部影片获得成功之后，以皮克斯公司为领军的动画产业开始进入到一个前所未有的繁荣时期。
动作捕捉技术（Motion capture）是由动作捕捉系统识别表演者行动位置，随即经过计算机处理后输出可以在虚拟动画中应用的数据。当数据被计算机识别后，动画师就在计算机生成的场景中调试动作控制镜头，动作捕捉技术的应用，提高了制作效率，降低了制作成本，增强动作的真实感。随着技术的进一步成熟，动作捕捉技术得到越来越广泛的应用。2010年上映的《阿凡达》和2011年上映的《丁丁历险记》这两部大获成功的商业动画长篇，代表着动作捕捉技术与最顶尖的CG数码艺术的完美融合。《阿凡达》给观众制造出一个近乎完美的虚拟世界，但却又是如此的真实。按照拍摄比例，时长160分钟的《阿凡达》每帧画面平均耗费4万个人工小时，60%内容靠CG(Computer Graphic)合成，40%靠演员演绎。
云计算（cloud computing），是近年来新兴的一种基于互联网的计算方式，通过这种方式，共享的软硬件资源和信息可以按需提供给计算机和其他设备。云计算的核心思想，是将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度，构成一个计算资源池向用户按需服务。这项技术的开发，实现了资源的合理配置，减少了不必要的重复投资。一些制作团队的硬件配置无法承担某些超大运算，通过云计算的方式可以节约成本，对于项目的预算也能有效控制。
3.计算机图形技术发展对于独立动画发展的影响
由于传统商业动画制作所需的成本较高，需要相当可观的人力、财力。任何投入到制作中的成本总是希望最终会得到收益的，这就像是一道无形的高门槛，让许多实力并不雄厚但却非常有创新意识的相对较小的制作团队、独立动画人或在校学生对动画产业望尘莫及，很难形成百花齐放，百家争鸣的健康发展的形势。随着计算机图形技术的不断发展，不断完善的动画制作软件和更为便捷，更为多样化的新型传播媒体无疑为这些独立的动画制作人提供了强大的支持。
三、计算机图形技术在动画传播媒介方面带来的革新
随着计算机图形技术的不断发展，人们接触信息资讯的方式由传统的电视、报纸、出版物、广播、手机通讯等有局限性的传媒方式向更加自由的网络传媒方式发展。传统意义上的传播媒介具有相对的时间与空间的限制性，随着家庭计算机和网络的普及，利用网络作为传媒方式的灵活性和机动性是其它媒介所无法达到的，它打破时间空间限制，受众可在任何有网络覆盖的地域在第一时间得到其所需资讯。网络传媒是未来传媒的主发展平台。网络的飞速发展正在逐渐改变传统动画品牌的推广方式。有趣的作品通过网站媒介很快传播扩散，给经济实力一般但具有创新开发能力的企业提供了很多机会。虽然依靠网络传播也会产生诸多如版权纠纷的问题，但总体看来，终究是利大于弊的。以腾讯动漫网站为例，其中包括热门动画在线观看、动画表情下载、原创漫画展示、动画名家博客等详尽的分区，借助网站宣传的不仅有国内外的大型动画企业，也有动画工作室，甚至是独立动画创作人，他们将作品或最新资讯从网站公开，接受网友的欣赏与评论，通过博客转载与微博转发的形式迅速以网状的形式传播出去。
网络传媒是一种更为精确的传播模式，在强大的搜索引擎和信息分类筛选的协助下，定位相应的受众人群并非一件难事。借助网络推广动画产品是高效的，有的放矢的，而对于潜在客户方面来说，在网络上筛选信息也较传统的获取信息方式来的更为快捷更灵活更丰富。随着计算机图形技术的不断开发，手机也从曾经功能单一的通讯工具演变成集语音通信和多媒体通信相结合的新一代移动通信系统，利用3G手机网络传播动画也逐渐成为动画传播媒介中重要一部分。手机动漫指借助动画技术、为漫画添加动态效果和声音配乐，以手机Meticulous为播放、运营载体，同时采用FLASH技术制作，通过移动互联网提供下载、播放、转发等功能的一种服务，其最大的特点就是便携性，可以随时随地观看。
四、计算图形形技术对于动画营销的推动
动画产业的赢利模式需要依靠动画产品的附加价值，即需要依靠开发动画衍生产品如玩具、服装、文具、食品等产品的销售来获得赢利。开发衍生产品的思路要从策划方案就开始同步进行，事先不考虑如何形成产业链，不考虑如何扩大动画片的影响，最终必定不会在商业上获得成功。构建一条完整的动漫产业链条，应该在以品牌为依托，以原创为动力，以市场为导向的基础上，重点加强衍生产品开发和动漫产品销售的渠道建设，逐渐形成一条从电视节目制作―衍生产品开发―营销渠道建设的完整动漫产业运作模式。
随着家庭计算机与网络的普及，电子产品软硬件的不断升级，网络和新一代移动通信系统已经与人们的生活工作息息相关，市场对于不同形式的动画产品的需求量也日益增大，早已不仅仅局限于动画片本身。比如动漫游戏、地产类多媒体、建筑动画漫游、教学模拟、博物馆虚拟展厅、娱乐互动、4D电影、大型场馆激光动画表演等，针对不同受众的不同需求，为其量身定制动画产品。在开发实体衍生产品方面，计算机图形技术的广泛应用也大大提高了产品质量与工作效率。三维动画技术的不断发展，打破了二维动画的局限，让衍生产品从平面到立体变得越来越多样化。设计人员与模型师会共同完成人物、道具的立体模型，包括详尽的转面细节，然而这样的立体模型不但是动画片中的角色，更是开发衍生产品的模板。以2010年皮克斯公司的《玩具总动员3》为例，其衍生相关产品包括玩具、家具、滑板、计算器等。据Panjiva贸易公司的统计，在2010年内的40部重磅大片中，《玩具3》的衍生产品销量高居第一。
我国上世纪60年代，被誉为中国动画黄金时代涌现出的许多动画片，在画面效果与艺术造诣上获得了世界的肯定，成为世界公认的中国动画学派。那些深入人心的动漫形象身上都蕴含着巨大的商业价值，但是在作品成功公映之后，相关衍生产品的开发似乎戛然而止。与美国、日本等动画产业高度发达的国家相比，我们在衍生产品开发上做的远远不够。
五、计算机图形技术的发展对民族动画的推动和发展
2012年1月11日，上影集团用3D技术全新包装《大闹天宫》3D版本即将横空出世，旨在“激活经典”，成为新时代华语动画电影的一根“定海神针”。在不改变原作的基础上呈现三维立体效果，画面高宽比也由4:3转为16:9，这意味着大量的场景需要进行添加绘制，其工作难度可想而知。这绝不仅仅是对于经典的重复翻拍，而是最先进的计算机图形技术与传统经典完美结合后带来的全新演绎，这是大胆的创新，有魄力的改革。
将我国传统艺术形式与CG技术相结合，是近年来动画行业内的热点研究课题。随着数码绘画产品性能的提升，各种二维、三维CG软件的的更新和动画创作人员的不断探索，传统水墨画、民间剪纸、民间皮影、民间雕刻等古老的艺术又被赋予了新的生命力。以CG水墨动画为例，利用三维动画软件创作出来的水墨动画较传统水墨动画来说，更富有灵动的空间感，并且有效节约了制作成本，为水墨动画这一特殊的艺术品牌拓宽市场扩大生产提供强大的推动力。
综上所述，动画产业从产生到发展再到基本成形，每个阶段都与当时科学技术的发展紧密相连，自从计算机图形技术发展壮大且被广泛应用于各行各业以来，动画产业也进入到一个高速多元的发展阶段。计算机图形技术的每一次革新取得的成就必定会对动画产业造成突破性的影响。动画产业的从业者，一方面要时时关注计算机图形技术发展的趋势，一方面也要不断学习所处行业的专业技能，将二者完美的融合在一起，从而更好的推进动画产业向前发展。
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