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计算机图形学技术范文1
关键词 概念图 计算机图形学 终生学习
1 引言
知识爆炸使终生学习成为现代人的生活方式，而培养学生与终生学习相关的各方面能力就成为高等教育机构责无旁贷的任务。然而传统的基于知识传授的教育很难满足新的要求，因此，改革高等教育以应对社会发展的要求已势在必行。经验告诉我们，没有最好的教学策略，只有针对不同学生，不同课程选择恰当的教学手段才是最适合的策略。
本文针对大学本科计算机专业核心课程之一――计算机图形学的教学对象及教学内容的特点，设计了利用概念图的教学策略，以引导学生自主学习能力的发挥，并在提高教学效果的同时，达到提高学生终生学习能力的目的。
2 概念图
概念图技术最初由康奈尔大学的Joseph D. Novak于20世纪80年代提出。其后该技术的强大能力被广泛认同，并得到进一步的深入研究和广泛应用。2004年9月14-17日在西班牙举行了第一届国际概念图会议，汇报了很多相关的研究成果。第二届国际概念图会议（CMC）也将于2006年在哥斯达黎加举行。
概念图是一种使用图形表示知识的技术,也可称为知识图，图中的节点和连线分别表示概念及其关系,通常表现为网状图形。概念间的连接关系可以是无向、单向或双向的。图1使用概念图技术描述了概念图的定义。
将概念图与英国人Tony Buzan发明的脑图进行比较可以发现，一个概念图可能具有多个主要的概念，而不像脑图只有一个，这使得概念图需要用网络图来表示。这种网络图示的表示方式使得概念以及概念之间的关系得以“视觉化”，并具备了如下的特点：
*概念图可以明确地整合新旧知识从而协助学习过程；
*概念图可用以评估理解程度或用以诊断理解错误；
*概念图可建立复杂概念间的联系；
*概念图设计了一个复杂的概念结构；
*从概念图中可产生新的创意。
正如Novak指出的：有效的学习包括两个过程：一是消化新知识；二是在消化的基础上将其融入自身已有的认知结构中去。概念图所具备的上述特点使其一方面成为学习者构建自身知识体系的便利工具，另一方面也是授业者组织讲授材料的利器，这使得概念图成为提高教学活动效率强有力的工具。
该技术的发展及应用表明，概念图技术作为一种知识以及知识间联系表示的强有力方法，可以深刻地揭示复杂概念之间的本质联系，建立新旧知识之间的融汇桥梁，从而为学习者提供理解、掌握并在此基础上构建新概念的便利途径。对这一技术的掌握及灵活运用，可极大地推动学习者终生学习能力的养成。
3 概念图技术在计算机图形学教学中的应用
计算机图形学是我国大多数高校计算机专业本科生的选修课，该课程在北京工业大学已经开设了十余年时间。从教学内容及效果上看,尚有待完善之处。本文借助概念图技术,对教学过程中面临的两个关键问题设计了解决方案。
3.1 计算机图形学认知概念图
主讲老师首先需要面对的问题是：学生们对于该课程的失望。产生失望情绪的原因在于：计算机图形学在教学、娱乐、广告等行业的广泛应用使学生们强烈地感受了图形学丰富多彩、生动引人的一面，而其下所掩盖的支撑其应用成果的严谨、枯燥的一面――基础原理、逻辑、算法、程序等却在开课之后成为选修学生的意外遭遇。这种期望与现实的失衡严重打击了许多学生的学习热情。因此，在开始讲授该课程之前正确地认知计算机图形学成了课程教学能否成功的最重要环节之一。这种认知是双向的，即包括对教师的认知要求，也包括对学生的认知要求。也就是要求教师了解学生对于计算机图形学的理解及让学生了解通过该课程将掌握的知识、概念。
由于概念图具有的特性之一是评估理解程度并诊断理解错误，所以，它可以用来解决上面提到的问题。首先请每个学生单独绘出自己所理解的关于计算机图形学的概念图，然后以8～10人为一组进行讨论并修改他们的概念图。由于每个学生接触到的图形学应用知识的层面不同，因此这种相互的交流会使他们构造出一个有关计算机图形学的较有共性的概念图。
当学生们的概念图完成后，教师就可以将其与自己预先制作的计算机图形学认知概念图进行比对，从而掌握学生们的课程期望与即将传授的实际的课程内容之间的区别，这会有助于让教师清楚应该怎样帮助学生来适应该课程的学习。一个简化的计算机图形学概念图如图2所示。
主讲教师可利用该图把学生们关于图形学的原始印象从色彩、图像、动画、电影、迪斯尼世界、Photoshop、3D Max等等引向一个全新的、即将在后面的讲授中进行讨论的图形学基本问题,使学生们了解到他们之前对图形学的认识都是在应用层面的，如果要开发游戏、Photoshop、3D Max等工具是需要掌握好图3所示的计算机图形学基础知识的。
对于学生来讲，亲自参与概念图的设计过程使他们清楚了计算机图形学课程的学习内容，明确了学习重点，为他们选课指明了方向。对于只对应用图形学软件感兴趣的学生来说，他们可能放弃选修这门课，而用更多的精力去选修Photoshop、3D Max等课；而对那些对开发图形学应用软件感兴趣的学生来说，他们会更积极主动地选修这门课。而且由于在设计概念图的过程中，他们已了解了这门课的学习目的、课程体系，理清了学习重点，所以有助于他们对每一章节的学习。
可见，以上的概念图可使学生在明确计算机图形学内容的同时，理解该内容与其所期望的学习效果之间的直接、间接联系，有利于调节其学习节奏、提高学习兴趣。同时由于设计概念图的过程本身就是对计算机图形学课程脉络的理顺过程，因此培养了学生思考新知识、比对旧知识以及分析总结的终生学习能力。
随着课程的进展和不同主题的分支，计算机图形学的初始概念图将动态扩展，成为下一层次的主题概念图。学生们也可以根据课程的不断深入而动态修改和扩展他们的概念图，并利用该图找到学习的重点，评价在各个阶段的理解情况。基于此概念图的学生互评也可以用来激发学生的学习热情。
3.2 计算机图形学3D物体绘制技术概念图
在选修计算机图形学课程的学生中，通常有超过一半的人认为要理解3D物体。
绘制过程是一件非常困难的事。主要是因为这个过程本身的复杂性和对这个过程中包含着的变换的不理解。在工科院校中，其原因之一是学生们的数学功底偏弱。要解决这一问题，概念图的另一特性可以派上用场，这就是构建复杂概念之间的联系。图4将3D物体绘制过程中的主要步骤和概念组织为概念图，用以指导学生的学习。在这个概念图中，困扰学生的复杂的基本绘制技术“投影”概念，经过逐步的分类、分解、层次化地引入新概念，最终得以用高等数学中使用的较为简单的“几何变换”概念表达出来。在克服学生畏难情绪的同时，给出了各概念之间的本质联系，方便其对“绘制技术”的掌握。
可见，利用概念图技术，每一个复杂阶段都被分解成许多更容易理解的概念和技巧。在概念图的指导下，学生们可以根据自己的喜好安排学习的顺序，并且按照图中所给出的线索把学到的东西一件一件组织起来，最终把关注点汇聚到他们可能遇到的难点上，之后逐渐实现他们自己设计的学习方案。最终，当以自己的理解完成整个概念图时，也就达到了教师期望的教学目的。因此，基于概念图技术的学习方式的掌握，有助于学生自学能力乃至终身学习能力的养成。
4 结束语
社会的高速发展使我国的高等教育系统在发展了一百多年之后,面临了与西方同行相同的问题：扩招带来的学生素质差异拉大、数量增长过快以及知识的爆炸，这使得高等教育迫切需要授人以渔而非授人以鱼，高校授课的目的不仅仅在于传授知识,而是要将授课内容及活动本身作为培养学生多方面能力的一种媒介和能力培养的一个过程。因此，必须不断进行教学内容及教学方法的改进,努力把学习方法与要传授的知识以及用以传授知识的教学策略有机地结合起来，实现对学生的素质教育,将其培养为具有终生学习能力的个体。概念图技术作为知识的一种表示方法,为教学效果的改善提供了可能。
参考文献
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计算机图形学技术范文2
现代信息技术的广泛应用正在对数学课程内容、数学教学、数学学习等方面产生深刻的影响，《高中数学课程标准》中的课程理念就特别强调“注重信息技术与数学课程的整合”。所谓信息技术与数学课程的整合，就是通过数学课把信息技术和数学教学有机地结合起来，将信息技术与数学课程的教与学融为一体，将技术作为一种工具，提高教与学的效率，改善教与学的效果。
图形计算器是一种现代手持技术，它具有数据处理功能、函数功能、图形功能、简单编程功能和进行一些数理实验功能，是教学、学习和做数学的强有力工具。它为数学思想提供了可视化的图像，使组织和分析数据容易实现，更重要的是CASIO图形计算器具有便携性和灵活性，这为数学教学提供了便利。本文就是从图形计算器的教育价值入手，从几个教学案例出发，研究图形计算器在中学课堂教学中的几个应用，旨在抛砖引玉。
2.图形计算器在中学数学教学中的应用
2．1创设合理情境，优化“过程教育”。
随着新课程理念的深入，数学教学更重视“过程教育”。“过程教育”更注重让学生去经历知识产生的过程，从而培养学生在过程中学会探究、抽象、推理与反思。
教师应该在教学过程中，引导学生学习数学，让学生通过个人的亲身体验去经历，去获取信息。但是在传统的数学情境教学中，无法模拟很多真实的情境，也无法让学生在情境中真正去操作去体验。而图形计算器却能提供直观的图象，能让学生动手操作，让学生去体验数学家发现问题的过程。真正为学生提供“做数学”的平台，让数学“返璞归真”。以不等式为例，每一个好的不等式都有重要的数学背景，特别是有重要的几何背景。如果在进行不等式教学时，教师能恰如其分地引入一些不等式的几何背景，让学生在直观的观察过程中，更好地把握这类不等式，这远比只要求学生通过计算解不等式更有意义。同时，教师也能通过该“过程教育”，培养学生逻辑思维能力，也让学生感悟到原来很多数学原理也可以通过直观的方法得到证明。
【例1】不等式的证明：任意两个正实数x、y有 ≥ 。
思考与分析：用代数方法证明该题，只要通过两边平方，在利用平方和公式就可以得到证明。但是若采用直观的几何方法来证明，更具有数学价值。如图1，弦DE把与它垂直的直径AB分割为长x、y的两部分，则半径 不小于半弦AB= ，当且仅当半径等于半弦，即分割点在圆心时，等号成立，此时，x=y。
2．2借助数学实验，培养数理统计能力。
G・波利亚曾指出：“数学有两个侧面，一方面它是欧几里得式的严谨科学，从这个方面讲，数学像是一门系统的演绎科学，但另一方面，创造过程中的数学，看起来却像是一门试验性的归纳科学。”［1］正基于数学的两面性，因此数学教学不只是逻辑推理，也需要进行“数学实验”。数学实验区别于其他的实验，它要求实验者运用一定的物质手段，在数学思维活动的参与下，在特定的实验环境下进行探索、研究活动［2］。而以图形计算器为媒介的数学教学正可以为学生提供一个合适的实验环境，它是以数学建模思想为前提，借助图形计算器的一系列功能，让学生亲历问题情境。在实验过程中，教师可以引导学生运用多种方法，从多种视角来探究数学问题，理解数学思想，开拓数学思维能力，让学生不仅能够体验数学再创造的思维过程，更能培养学生的创新意识和科学精神。
2．3构建探究平台，开拓解题思路。
问题是数学的心脏。美国数学家哈尔莫斯说过：“数学的真正组成部分是问题和解。”而在数学教学中，解题是最基本的活动形式，不论是学生数学概念的形成、数学思想方法和技能技巧的获得，还是数学问题解决能力与数学品质的养成，都必须通过解题教学来最终实现。而以图形计算器为媒介的数学教学过程中，教师可以充分引导学生借助该工具，从多个角度来寻求问题的答案。在求解的过程中，学生可能会发现很多问题的答案并不唯一，或没有一个精确值，甚至很多答案是错误的，但这个过程也正是科学家试误的过程，教师要引导学生去珍惜这些负面经验，并学会反思，学会判断，学会取舍，进而培养学生坚毅的数学品质。
借助于图形计算器，可以将多种数学思想方法运用到实际的教学过程中去，将“知识形态”的数学转化为“教育形态”的数学［5］，引导学生一题多解。例如，中学生在学习函数知识时觉得很抽象，如二次函数、反比例函数、幂函数、指数函数、三角函数等。可以利用图形计算器的“数形结合”的功能，开发一些易于学生再发现、再创造的案例。如通过平移来理解y=a(x+b) +c与y=ax 的关系，利用图象的对称来理解函数的奇偶性等等。
【例2】要在边长为16米的正方形草坪上安装喷水龙头，使整个草坪都能喷洒到水。假设每个喷水龙头的喷洒范围都是半径为6米的圆面，则需安装这种喷水龙头的个数最少是（）。（2007年普通高等学校招生全国统一考试（浙江卷）数学（理工类））
A．3 B．4 C．5 D．6
思考与分析：该题是一道关于覆盖的问题，设计较新颖、独特。很多学生看了这样的题，会感觉无从下手，不知道从哪个角度切入。其实该题考的便是如何找到覆盖一个正方形最小的圆。因此，该题便是要求如何在指定正方形的区域内画圆，使得最少的圆能覆盖整个正方形。事实上，借助图形计算器，反复尝试探究，可以发现答案为4。借助图形计算器“数形结合”的功能，能直观地解决这类覆盖问题，从而培养学生的空间思维能力。
3.几个结论
3.1 中学数学教学中使用图形计算器符合现代教育观念。
现代教育观认为，教学的目的不仅是要让学生掌握知识，了解世界，更重要的是让学生学会分析问题、解决问题。建构主义教学强调要努力创造一个适宜的学习环境，使学生能够积极主动地构建他们自己的知识。［6］图形计算器等现代信息技术就为数学教学提供了一个很好的学习环境，极大拓展了师生的实践活动空间，使学生有机会在一种真实的、体现数学发明与证明过程的环境中接受挑战性的学习任务，进行实验、探究和发现。因此，为了使学生得到更好的发展，就应把计算机、计算器等现代信息技术与数学软件、其它学科内容整合在一起，让学生在教师的指导下，运用现代信息技术，相对独立地进行再发现和再创造，加深对所学知识点的理解。而且由于图形计算器的便利性，非常适合在课堂中进行开放式教学，既能使课堂充满生机，又能发挥学生的学习积极性。
3.2 适时和科学地运用图形计算器。
在运用图形计算器辅助数学教学时，特别值得注意的是，要把握好以纸笔运算、推理、作图等为主要手段的数学学习与在信息技术支持下的数学学习之间的平衡。不能用图形计算器代替传统的和正常的数学教育活动，同其它多媒体一样，如果我们过多地依赖它，不管上什么内容都运用图形计算器，很可能会造成负面影响。如对于函数的教学，我们在讲授指数函数、对数函数、幂函数的图象及其性质时，可以先让学生自己利用图形计算器进行探究，但学到后来也不能一味地利用图形计算器代替手动画图，这样会削弱学生对函数图象的理解与掌握［7］，不利于学生思维的发展。图形计算器只能是辅助我们的数学教学，只能是为我们的教学服务。因此，在教学中，我们应落实“双基”的同时，充分发挥信息技术的优势，给学生开拓观察、思考、归纳、猜想的空间，使学生理解数学的本质，从而提高学生的数学能力和创造性思维。
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3.3 更新教育观念，改革现行学生评价方式。
图形计算器在教学过程中不仅是计算的工具，更重要的是作为数学实验的工具。学生掌握数学知识，关键在于要能将知识内化到自身的认知结构中去，能迁移、转换和运用知识。而并不是教师讲得越多，学生就学得越多。教师单一的讲授只能帮助学会去理解，去记忆知识，这只能将知识“窄化”、“限定”，不利于学生去“转换”知识经验的训练，不利于培养学生解决变化的新情境问题的能力。［8］因此，教师要改变教育观念。创新教育的关键并不在于是否使用现代教育技术，而是数学教师的教育观念、数学观念以及对现代教育技术的认识。［9］要培养创新性人才，教师应为“迁移而教”，让学生自己动手实践去体验和感受知识的形成过程，合理运用现代教育技术，为学生创造学习环境，让学生自己探究，去创新。而图形计算器在课堂教学中为教与学提供了很好的技术支持，数学教师应当充分利用这一技术整合教学，以提高教学质量。
现行评价学生往往以笔试成绩为唯一标准，由于这一指挥棒的作用，许多数学教师就觉得没有必要引进现代教育技术，运用单一的讲授模式，学生成绩考得也不错。这一观念很不利于促进现代信息技术的应用和教学改革的深化。由于现代信息技术提供了多样化的呈现手段，我们可以改进题型，如试卷中可以安排开放的探究性试题，必要时也可以让图形计算器进入考场，使学生从繁琐的计算中解放出来，考查学生的实际运用能力和创新能力，从而促进现代教育技术的推广和应用。
4.结束语
图形计算器进入数学课堂，改变了传统的教与学的模式，引发了新一轮的以信息技术为主导的创新教育。但在中学数学教学中，创新教育的关键并不是是否使用信息技术，而是数学教师的教育观念、教学观念以及对现代信息技术的认识。数学教师要充分认识到图形计算器在数学教学中的作用，充分发挥图形计算器在教学中的优势，重在启发学生如何利用手上的工具来探究数学问题，最终将“教会”转变为“学会”。我们相信，随着现代教育技术的不断推进，图形计算器将会给我们的数学教学带来一片崭新的天地。数学教师更应该正视自身的主导地位，合理充分挖掘图形计算器的教学潜力，真正激发学生的学习兴趣，培养学生的数学思维能力，优化教学过程，提高教学效率，真正推进信息技术与数学课程有效整合。
参考文献：
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计算机图形学技术范文3
摘要：随着游戏产业的快速发展，国内外越来越多的高校开始开设游戏开发专业或游戏开发方向，在该专业的课程设置中，“计算机图形学”是一门重要的专业基础课，如何在讲授“计算机图形学”课程的同时，考虑游戏专业人才的培养目标，结合游戏设计的实例来进行实践，使得学生能将图形学理论和游戏设计实践很好地结合起来，是一个值得深入探讨的问题。本文从“计算机图形学”课程的特点分析开始，结合当前教学过程中存在的问题，给出了面向游戏开发专业方向的“计算机图形学”课程建设思路。
关键词：计算机图形学；游戏开发；课程建设
中图分类号：G642
文献标识码：B
1引言
“计算机图形学”是计算机领域一门重要的学科，也是计算机学科方向的核心课程之一，作为一门不断发展的学科，“计算机图形学”的教学应该跟上学科的快速发展以及社会对本学科的人才需求。当前，伴随着计算机科学与媒体技术的相互融合，形成了数字媒体技术这一新的学科，越来越多的国内外高校开始开设数字媒体技术专业，而相当多的高校将“游戏开发”作为数字媒体技术专业的一个主要方向进行发展。游戏设计以高质量的3D技术来展现游戏画面，从角色建模、灯光、渲染、纹理等，无不是基于计算机图形学的算法和理论，因此，“计算机图形学”也成为数字媒体技术专业重要的一门专业基础课。
如何在讲授“计算机图形学”课程的同时，考虑游戏专业人才的培养目标，结合游戏设计的实例来进行实践，使得学生不至于因为算法和理论的枯燥而产生厌学情绪，同时又能将图形学理论和游戏设计实践很好地结合起来，是一个值得深入探讨的问题。
本文分析了“计算机图形学”课程的特点及其在游戏开发专业培养课程体系中的地位以及图形学授课过程中存在的问题，给出了面向游戏设计专业的“计算机图形学”课程教学改革的思路。
2 “计算机图形学”课程的特点及其在游戏开发专业培养课程体系中的地位
游戏开发专业的教育目标是帮助学生了解游戏从策划、设计、开发、测试、运营过程的整个环节，使学生获得扎实的理论基础，同时使学生具备较强的实践能力，掌握最先进的主流游戏开发技术。
“计算机图形学”是游戏设计专业的一门重要专业基础课，当前的主流图形API是对图形学的基本原理和算法的实现，因此，对图形学算法和原理的掌握，能够帮助学生更快更好地理解和掌握主流的图形API，而这些主流的图形API也是当前游戏开发过程中必不可少的工具。
由此也可看出，“计算机图形学”课程应该理论与实践并重，既要讲解清楚图形学的基本理论和算法，又能给学生充分的实践机会和时间，为学生后续学习游戏开发技术打下坚实的基础。
处理好图形学授课过程中的理论讲授和实践的关系，对于这门课程的学习效果至关重要。
当前的图形学的教学现状与游戏专业的教学目标相比，存在如下一些问题。
3 “计算机图形学”授课过程中存在的问题
(1) 传统的计算机图形学的内容可以分为二维、三维两部分，其中二维部分即光栅图形学部分，包括：基本图形(直线、圆弧、椭圆等)的生成算法、二维裁剪算法、填充算法、曲线曲面、图形反走样等内容。三维图形学算法则围绕三维物体的建模、运动、三维场景的建立组织，包括：物体建模(物体在计算机内的表示模型、几何造型)、三维图形的显示(三维图形的几何变换、三维图形的投影变换、三维裁剪)、真实感图形学(消隐算法、光照模型、光线跟踪技术、阴影、纹理、辐射度算法等)，有些图形学教材还增加了计算机动画技术、交互技术、图形处理高级技术等内容。
分析上述内容，其中与游戏设计关系最为密切的部分是：基本的图形学数学算法，包括向量部分的内容、图形变换、视图变换、图形渲染、材质、纹理贴图、模型动画等三维图形学的内容；而二维图形学的内容在游戏开发中使用的相对较少。
而在传统的图形学教材中，二维图形学的内容占据相当大的比例，学生在学习这一部分内容的时候，普遍感到算法较为枯燥，而无法和实际应用联系起来，易产生厌学的情绪。
(2) 对于当前主流图形库的学习安排
为了更好的开发出具有丰富3D效果的游戏，必须学会使用3D技术，而当前主流的3D图形API为OpenGL和DirectX，早期的很多游戏的底层引擎是基于OpenGL开发的，如“3D游戏之父”Carmack的经典游戏“DOOM”、“Quake”，在当前的游戏行业中，微软开发的DirectX多媒体引擎大有后来居上之势，当前基于Windows操作系统的游戏绝大多数都是基于DirectX开发。虽然如此，在其他操作系统的游戏开发和工作站上的图形应用程序开发，OpenGL仍然是不二的选择。
因此掌握好这两种图形库，是游戏专业的学生必须掌握的技能；在两种图形库的偏重上，DirectX所占的分量应该更重一些，而当前的图形学理论和实践教材基本上都是基于OpenGL，缺少合适的基于DirectX的计算机图形学实验指导教材。
(3) 对于图形学课程理论和实践的安排
一般图形学课程的安排是先讲授图形学理论，之后进行图形学课程设计，目的是在课程设计环节让学生应用所学的理论知识，锻炼实践能力。但也存在一些弊病：理论讲授和实践环节割裂，学生在学习图形学算法和理论时对枯燥的内容感到较难，缺少实践，而在实践环节，由于时间有限，很难真正掌握开发工具并作出具有一定深度的作品。
基于上述问题，结合游戏开发专业的特点，我们认为必须从以下几方面入手做工作，确保“计算机图形学”课程的教学效果，加快课程建设。
4面向游戏开发专业方向的计算机图形学课程建设思路
(1) 针对游戏专业的特色，在内容选择上，应有所取舍，有所补充，不拘泥于某本计算机图形学教材的具体内容作为授课内容，而是根据培养目标和专业特色，灵活安排。
首先，重点讲授三维图形学的内容；另外，将一些游戏开发过程中较为关键的图形学相关算法和内容补充到图形学的授课内容中，例如以下两种算法：
场景管理及相关算法：场景管理是3D游戏引擎最核心的部分，对于一个3D场景来说，有很多的物体，最简单的组织方法就是把它们用一个List连接起来，然后在绘制每一帧的时候一次送入渲染器进行处理，这样的方法即使处理一个简单的场景都会显得非常慢。因此，如何合理有效地管理3D场景中物体之间的相关、从属、互相影响的关系，如何组织这些关系，并将它们与3D引擎的其他部分的功能联系起来，就是场景管理需要完成的工作。牵涉到空间排序，有多种算法来实现，基本的方法为：N叉树算法，包括：二叉树算法、四叉树算法和八叉树算法。
现有的各种图形学教材，有些根本没有提到上述算法，有些在图形消隐的章节讲授其中的某种算法。而上述算法是游戏引擎的核心算法，对游戏专业学生这一部分的内容应补充进授课内容。
三维模型动画及动力学的基础知识：在游戏开发过程中，有了模型之后，需要为三维模型添加相应的动作，实现游戏效果。对于当前的三维图形库，比如Direct3D，也支持丰富的三维模型动画，包括：关节动画、单一网格模型动画、骨骼动画和Morp。这一部分内容对于游戏开发人员来说也是必须掌握的一部分，但在现有的《计算机图形学》教材中，绝大多数没有涉及这部分内容，但也有一些《计算机图形学》课本增加了三维模型动画及动力学的内容，如美国加州州立大学斯坦尼斯洛斯分校Steve Cunningham所著的《计算机图形学》一书中，就将动力学和动画作为专门的一章内容进行介绍。
(2) 理清图形学各部分内容和具体的游戏应用之间的关系，采用多种方式，有针对性地讲述。
游戏专业方向的“计算机图形学”课程在讲授的时候，不能完全沿用传统的“计算机图形学”的授课方式，而应该找出相关内容和具体的游戏开发实践之间的关系，教师在讲述相关理论和算法的时候，应将游戏开发过程中如何应用该算法或理论以及如何实现该算法和理论进行讲解，将相对枯燥的理论和实际联系起来，让学生能学以致用。
下表对图形学的内容和游戏开发实践中的应用作了粗略的总结。
教师在具体讲授时可以在此基础上进行丰富，使得授课内容生动起来。并在课程结束的时候，按照构造游戏的流程，从角色建模讲起，用游戏设计这一根主线找出各部分内容之间的联系，使得学生对课程的内容和游戏开发之间的关系有一个全貌性的认识。
(3) 在理论环节和实践环节的安排上，采用理论课+实验课+课程设计的方式，在平时图形学理论讲授的过程中，穿插实验课，在最后安排课程设计，加大实践环节所占比重。
(4) 建设与开发面向游戏方向的图形学案例库
欲使课堂讲授的内容生动起来，必须有实际的案例支撑，因此建设面向游戏方向的图形学案例库，使得学生能够快速理解和掌握相关理论和技术，对于提高图形学课程的授课质量至关重要。
(5) 教材建设方面
编制面向游戏开发专业的计算机图形学教材以及编制面向游戏开发专业的图形学课程设计指导书是非常紧迫和必须的任务。
5总结
本文结合图形学教学的实际以及游戏开发专业方向的培养目标，对于面向游戏设计专业的“计算机图形学”课程教学改革进行了一些探讨，希望能对游戏开发专业的教学和课程建设有所促进。
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计算机图形学技术范文4
关键词：计算机动画；计算机图形学；计算机辅助设计；可视化
中图分类号：TP391.41
计算机图形学经过三十多年的发展，在各个领域都得到了较为广泛的应用，已经成为一项计算机科学中非常活跃的分支，其主要是利用计算机对图形的生成、显示、表示、处理进行研究的一门学科。本文主要对计算机图形学的定义、应用范围以及发展前景进行了简要介绍。
1计算机图形学的定义
将三维图形或者是二维图形使用数学算法转换为用计算机显示器的栅格形式的一种科学，这就是计算机图形学。计算机图形学主要研究的内容是，利用计算机如何进行图形的处理、图形的计算、图形的显示以及图形计算的相关算法和原理在计算机中如何进行等。图形都构成通常是由，面、线宽、线、灰度、体等几何元素、点、线型、色彩等非几何属性组成。如果从处理技术上来分析，图形可以分为两类：一类是明暗图，就是我们所说的真实感图形；另一类是如等高线地图、工程图、曲面的线框图等基于线条信息表示的。而计算机图形学的一个主要目的就是利用计算机生成让人赏心悦目的真实感图形。所以，图形所描述场景的几何表示必须要建立，然后在利用每一种光照模型，计算在假象下的光照明效果。此外，真实感图形的计算结果是以数字图像的方式来提供的，因此，可以说计算机图形学和图形处理之间有着极为密切的关系。计算机图形学有着非常广泛的研究内容，如：实体造型、非真实感绘制、图形标准、光栅图形生成算法、真实感图形显示算法、图形硬件、计算机动画、虚拟现实、自然景物仿真、图形交互技术、曲线曲面造型、真实感图形计算、科学计算可视化等等。
2计算机图形学的主要应用范围
2.1科学计算可视化。目前在流体力学、气象分析、医学、有限元分析当中科学计算可视化得到了广泛的应用。可视化特别是在医学领域有着极为广阔的发展前景。当前医学上比较热门的一个课题就是依靠精密机械做脑部手术，而要想实现这些技术就必须要以可视化为基础。可视化技术在我们进行脑部手术时，能够帮助医生对患者体内的患处准确并清晰的进行判断，可以将医用CT所扫描的数据转化为图像，手术效果的反馈则可以通过碰撞检测等相关技术手段来实现，能够帮助医生顺利完成手术，在医学各个领域的未来发展中都离不开可视化技术。
2.2计算机动画。计算机动画随着计算机硬件以及计算机图形的不断发展应运而生。动画实际上也只不过是生成多个静态的图像，不过每一幅图像都有一定程度的修改，而计算机动画所研究的内容便是如何修改这一部分内容，而整个场景将这些做过修改的图形进行连续播放就会动起来形成动画效果。传统的卡通片是早期计算机动画的灵感来源，在生成几个关键帧之后，在进行连续播放时，对两个关键帧进行了有机的结合。计算机动画有多种多样生成动画的方法，内容也是丰富多彩的，比如说，三维自由行体变形，二维轴变形方法，形状混合等基于特征的图像变形。最近几年人们普遍将注意力转向一种崭新的方法上，就是基于物理模型的计算机动画生成方法，该方法力求动画的过程能够呈现出最为适合真实世界的运动规律，运用大量的流体力学与弹性力学的方程进行计算。不过，是很难达到真实的运动效果的，比如说行走的效果，要想实现非常自然的行走画面，所需要的计算量非常大，所用的计算机方程也非常复杂，目前以物理模型为基础的计算机动画还有很多内容需要不断深入研究，还存在很多不足。
2.3计算机辅助制造及设计。CAU和CAD是在工业界计算机图形学的应用中，最广泛也是最活跃的。无论在机械结构、土建工程，还是产品设计等领域计算机图形学都得到了广泛应用。生产工程的精确图形以及产品的相应结构，虽然有时候着重于这些方面，但是更为常用的还是进行人机修改及交互设计对所涉及产品、系统、工程的相关图形，我们可以通过不断选代设计，利用数据结构输出零件表、材料单、工艺卡、加工数据代码、加工流程等指令。在电子工业中计算机图形学主要在印刷电路板、网络分析、集成电路、电子线路等领域得到了广泛运用。
以工程图纸为基础的三维形体重建是在CAD领域的另一个非常重要的研究领域。在二维信息中将三维信息提取，对这些信息同时进行分类、综合等处理，在三维空间内重现构建三维信息相对应的三维形体，对形体的线、拓扑因素、点、面等进行恢复，最终实现形体的重建，这就是我们通常所说的三维形体重建。
2.4计算机艺术。除了在艺术品制造方面的广泛应用外（花纹、中国国画、图案以及传统油画等）计算机图形学在制造动画片、广告、电影等方法获得了成功，其中不乏一些获得奖项的作品，可以说这些奖项对计算机从事艺术创作是一个非常大的鼓励。当前不少国内人外相关人士正在对人体模拟系统进行研究，这就让我们有理由相信，在不久的将来将去世已久的著名人物搬上荧幕也是可能的，这对于传统的艺术家来说，是不可想象的更是无法实现的。
2.5自然景物方针及图形实时绘制。对真实无体的物理属性进行模拟就是真实感绘制的主要目的，也就是对光学性质、物体间的相对位置、物体的形状、粗糙程度、遮挡关系以及表面的纹理等进行模拟。重现真实世界的场景就是我们所说的真实感绘制。在自然景物仿真技术中我们需要将辐射度、线与面、明暗效应、、光线跟踪、颜色模型、纹理等消除或者隐藏，其中最难进行模拟的就是表面属性与光照属性。此外，为了便于用不同的色彩灰度来进一步增加图形的真实感，还必须对物体表面的明暗效应进行处理。在广告影视、科学计算、几何图形、指挥控制等方面，自然景物仿真技术得到了广泛的应用。
3计算机图形学的发展前景
计算机图形学我们可以发现不仅发展极为迅速，同时也已经逐步成为了独立的一门学科，处于科学的发展前沿位置。在自然景物仿真、计算机辅助制造和设计、计算机动画等多个领域，计算机图形学已经得到的广泛应用，在我们的日常生活中随处都可以见到计算机图形学的影子，计算机图形学的广泛应用让我们的生活变得越来越丰富多彩。此外，在地质勘探方面运用可视化，可以帮助地质学家发展新的资源，运用于预报天气，可以让气象预报更加准确，用于医学手术方面，可以进一步提高手术的成功率，减少手术风险。
从计算机图形学学科发展来看，有以下几个发展趋势：（1）与图形硬件的发展紧密结合，突破实时高真实感、高分辨率渲染的技术难点。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。构造低功耗的渲染服务是图形学的未来发展趋势之一；（2）研究和谐自然的三维模型建模方法。三维模型建模方法是计算机图形学的重要基础，是生成精美的三维场景和逼真动态效果的前提。研究和谐自然的三维建模方法是发展的一个重要趋势；（3）利用日益增长的计算性能，实现具有高度物理真实的动态仿真。高度物理真实感的动态模拟，包括对各种形变、水、气、云、烟雾、燃烧、爆炸、撕裂、老化等物理现象的真实模拟，是计算机图形学一直试图达到的目标；（4）研究多种高精度数据获取与处理技术，增强图形技术的表现。真实感的画面与逼真动态效果，一种有效的解决途径是采用各种高精度手段获取所需的几何、纹理以及动态信息；（5）计算机图形学与图像视频处理技术的结合。家用数字相机和摄像机的日益普及，对于数字图像与视频数据处理成为了计算机研究中的热点问题；（6）从追求绝对的真实感向追求与强调图形的表意性转变。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。
4总结
计算机图形学，给人类社会带来了诸多益处，可以说促进了人们物质水平的提高，也带来了精神上的享受。
参考文献：
计算机图形学技术范文5
关键词：计算机图形学 教材 OpenGL
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（c）-0178-02
从学科角度来看，计算机图形学是一门理论和实践都很强的综合性学科；从技术层面来看，计算机图形学是计算机应用领域的一个重要分支，其应用已经渗透到社会的各个方面，例如计算机游戏产业和影视动画，人们使用手机和计算机时操作的图形用户接口，这些应用与人们的生活密不可分。计算机辅助设计与制造、科学数据可视化、虚拟现实等等，计算机图形学在科学研究、生产实践和人们的日常生活中均占有重要地位。因此，学生在学习计算机图形学课程之前对该课程具有一定的好奇和期待，但是如果按照当前市场上流行的教材组织教学会使学生很失望，从而失去学习该课程的热情。
1 计算机图形学教材存在的问题
计算机图形学是研究用计算机生成、处理和显示图形的一门学科，本科段的主要教学内容由以下几个部分组成：光栅图形学、图形变换、图形裁剪、可见面判断、曲线和曲面、简单的真实感图形生成。基于这些内容，国内教材基本上以计算机基本图形的生成原理及其相应的经典算法为核心，注重算法的推导过程，也就是数学演算过程，使得教材内容理论性很强，对学生的数学基础要求较高。这样的教材适合培养学术研究型的学生，所学知识为他们进一步学习、从事计算机图形学的研究打下坚实的基础。但是应用型本科院校计算机专业的绝大多数学生毕业后走向职场，即使考上研究生进一步深造的学生，选择计算机图形学作为研究方向的可以说是凤毛麟角。更加重要的是，应用型本科院校计算机专业的学生普遍数学基础比较差，没有数学基础来学习这种数学演算式的算法推导过程。由于计算机软硬件技术的飞速发展，当前在软件开发领域也用不到教材中这样底层的经典图形算法，一般的图形软件开发都是基于某种图形软件标准，例如实际的业界标准OpenGL（Application Programming Interface），微软公司的DirectX。基于软件标准，学生可以学到开发图形学软件的一些实用技术，掌握绘制真实感图形的完整流程。因此，当前急需解决应用型本科院校计算机图形学的教材问题，以及由此带来的该课程在应用型本科院校的定位问题。
2 计算机图形学教学改革探索
应用型本科院校的学生普遍数学基础比较差，优点是动手能力比较强，其中不乏玩游戏的高手。绝大多数认真学习的学生都对程序开发比较感兴趣，并且学得快。但是由于数学基础和抽象思维能力比较差，对理论性强的教学内容不感兴趣，学起来吃力。针对计算机图形学教材的现状和应用型本科院校学生的特点，对计算机图形学课程的教学目标、教学内容和教学方法进行了一定的研究探索。将教学目标定位为使学生通过该课程的学习，对计算机图形学有一个概括性的全面了解，理解计算机基本图形的生成原理及其相应的经典算法的基本思路，掌握其中的重要技术；学习一种图形软件标准，加大实际动手能力的培养力度，使学生通过该课程的学习，能够设计简单的图形场景，掌握绘制真实感图形的基本流程。对于教学内容，采用一本教材为主，多本参考书为辅，在吃透这些教材的基础上重新整合教学内容，力求使学生能够学到实际有用的知识和技术，掌握必要的计算机图形学的理论基础和开发图形应用软件的初步能力。OpenGL是一种跨平台的应用程序接口，已经成为实际的业界标准，而微软公司的DirectX仅适用于Windows操作系统。另外，OpenGLES是OpenGL的子集，应用于多种嵌入式系统，如控制台、移动电话、手持设备、家电设备和汽车等。把JavaScript和OpenGL ES 2.0结合在一起构成了WebGL，为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，Web开发人员可以用WebGL构建具有丰富图形的网站页面和设计网页游戏等。所以教学中选用了OpenGL作为实验平台。
教学内容整合以教材为依据，对应每个教学模块增加相应的OpenGL内容，例如光栅图形学模块增加OpenGL的基本图元绘制、图形变换模块增加OpenGL实现图形变换的内容、曲线和曲面模块增加利用OpenGL绘制Beizer曲线曲面和B样条曲线曲面的方法、真实感图形生成模块增加OpenGL的光照（包括光源的位置、光的类型）和材质内容，等等。整合后的教学内容体现了理论与实践并重、理论与实践相结合的教育思想，每一次课的教学内容由两部分组成：一是理论部分，讲授计算机图形学基本原理和概念、经典算法的设计；二是实践部分，讲授与理论教学内容相关的OpenGL绘图程序设计。对于理论教学内容突出重点，精选有代表性的算法讲解透彻，使学生掌握算法思想的精髓、主要技术手段，对类似算法能够举一反三，自行学习。实践教学部分强化培养学生的创新思维和实际动手能力，针对教学内容演示基于OpenGL绘制的图形或者场景，引导学生分析设计过程以及实现各个功能的OpenGL函数，以便学生通过学习能够独立自主地设计出具有真实感的图形或者简单场景。由于教学内容由理论和实践两个主题构成，所以教学过程中要特别注意将这两个部分有机地融合在一起，具体做法是讲清楚OpenGL函数在计算机系统内的实现机制，下面以图形的几何变换为例说明。图形的几何变换以齐次坐标为基础，用矩阵表示变换，将变换矩阵乘以点的原始坐标，运算结果即为变换后的点的坐标；OpenGL的变换函数是以程序员给定的参数、按照函数功能先构造相应的变换矩阵，然后将变换矩阵与点坐标相乘得到变换后的点坐标。通过这种剖析将理论知识与实践技术有机地结合起来，使学生知其然，也知其所以然，极大地激发了学生学习理论基础知识的热情。
教学过程以建构主义教学理念为指导，以任务驱动教学法为主结合多种教学方法以提高课堂教学质量。建构主义教育思想认为学习的本质是知识的建构过程，教学的目的在于帮助学生实现知识建构，而不是单向的给学生传授知识，教师的作用是引导学生对原有知识进行改造和重组，实现新知识建构。任务驱动教学法的核心是以任务驱动教学过程，教师根据教学目标和教学内容设计合适的任务，通过分析这个任务引导学生建构知识。例如，讲授真实感图形生成时，首先演示一个编程绘制的具有真实感的图形，在光照的作用下图形逼真、美观，极大地激发了学生的学习兴趣。通过分析这个图形的生成原理和技术，引出光照模型和颜色理论的基础知识，通过设问、启发等多种教学方法引导学生建构相关的理论知识；通过分析OpenGL实现光照、材质的技术，完成利用计算机绘制真实感图形的教学任务。
最近几年，市场上出现了一些面向应用型本科院校的计算机图形学教材，其中计算机图形学基础理论的深度和难度都比传统教材降低了，阐述也比较通俗易懂，但是没有配套的上机实践教材。因此，编写了基于OpenGL的电子版实验指导书，实验内容由以下模块组成：熟悉编程环境、基本图元生成、二维图形变换、三维图形变换、光照和材质、曲线和曲面。实验类型分为验证型，设计型和综合型。每次上机实验课的内容分为两个部分：一是运行课堂教学中讲授的OpenGL程序、分析运行结果，然后修改这个程序生成新的图形，从而加深对所学知识的理解；二是利用所学知识设计一个物体或者简单的场景。课外作业是根据所学知识自由创造一个具有真实感的场景，从第一次上机实验开始，从简单到复杂构造一个场景，每次上机后增加本次实验所学知识的内容，上机实验课结束时上交，作为该课程的实验考试成绩。这样，学生不仅学习了利用计算机生成真实感图形的完整流程，而且亲自实践了这个完整流程。
4 结语
通过教学内容的整合，使学生能够学到利用计算机生成真实感图形的完整流程，有效地培养了学生的软件开发能力，如果不进行上述教学改革是不可能达到这个目的的。当前国内教材太注重经典算法的剖析，学生即使努力学习，也是只见树木不见森林，非常不适合应用型本科院校的学生使用。由于OpenGL的强大功能，教学中可以演示利用OpenGL编程绘制的逼真图形，学生通过学习也可以自行设计、编程绘制这样具有真实感的图形，极大地激发了学生的求知欲，使得学生想学计算机图形学课程，有效地提高了该课程的教学质量。
参考文献
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计算机图形学技术范文6
【关键词】计算机图形学 电影 动画 分类 原理 应用
1 引言
随着计算机应用技术的迅猛发展，促进了一系列相关学科的发展。计算机图形学便是其一。1963年，美国人伊凡・苏泽兰在麻省理工学院毕业论文课题是关于三维交互式图形系统，在此基础上发表了题目为《画板》的博士毕业论文， 这篇毕业论文是计算机图形学里程碑的标志，它的发表标志着计算机图形学科正式诞生。计算机图形学它标志着计算机处理方式由处理符号系统转变为处理图形系统的方式，计算机图形学的出现，计算机处理方式可以部分地模拟现实图形和展现人的右脑功能，因此计算机图形学的理论和实践具有划时代的意义。
在计算机图形学发展和应用的过程中，最具震撼性和实用性的就是电影动画技术。电影动画为计算机图形学提供了新鲜的血液，打开了新视角，自然界的一切美丽景象都可以通过计算机生动形象地再现构造宏观、微观世界。
2 计算机图形处理电影动画的分类
计算机图形处理电影动画是计算机图形学和电影艺术相结合，并且相互促进的产物，计算机软硬件和图形图像算法高速发展促进了计算机图形学的突飞猛进。计算机电影动画技术将图形、图案和画面或者其中一部分显示在屏幕上，并且按照一定规律或预定的要求在屏幕上移动、变换，从而使计算机显示出图形动态变换过程。
电影动画是运动中的艺术，运动的画面是电影动画的表现形式，运动是电影动画的要素，运动的表现形式，才促使了二维和三维动画的发展。计算机动画以其制作方法和表现特征的两种表现形式就是二维电影动画和三维电影动画。
2.1 二维电影动画
传统的电影卡通动画，是大量的画片，每幅画片高速翻转以便实现是连续播放多帧画面，每幅画面表述的是运动物体的若干个瞬间的定格，利用观看者在大脑内残留的瞬间视觉感觉而得到运动的视觉感受。传统的电影卡通动画是先画出一头一尾两个关键帧图画，然后在两个关键帧中间插入一些列图画画从而生成中间一系列画。展现平面图形是计算机二维电影动画的一大特点，是对传统动画制作的继承和发展，制作时就像传统在纸上作画，通过计算机图形学复杂的算法将一些列计算机图画对象的移动、变形、变色等手法表现出传统电影动画运动的效果。
ANIMO是世界上最受欢迎的、使用最广的二维动画系统动画制作软件，它是英国Cambridge Animation公司核心产品。ANIMO向计算机图形设计者提供了灵活的颜色模板创建、修改调色板和调整颜色的工具，这些功能有助于二维电影动画前期制作和影片后期合成方面都有独到的技术特点。ANIMO虽然不是最专业的二维电影动画制作软件，但是它具有更大的灵活性，软件独有的内部环境能够将二维电影动画和三维电影动画完美的结合起来。
ANIMO经常用于二维电影动画和真实场景的结合，90年代篮球运动球星乔丹和华纳动画人物共同主演的《空中大灌篮》，它是将二维电影动画与三维电影动画真实场景完美结合的成功范例。ANIMO软件具有面向动画师设计的工作界面，在ANIOM软件制作电影动画的同时，需要一台高清扫描仪，底板动画图片上放在扫描仪内进行扫描，扫描后的画稿几乎保持了动画设计者原始动画图片的线条，ANIMO软件的快速上色工具提供了给图画自动上色和自动线条封闭功能，并和软件的颜色模型编辑器集成在一起，软件提供了不受数目限制的颜色数量和调色板种类。三维电影动画中的阴影和灯光效果是最难转化为二维电影动画的，ANIMO却可以将这些难点完美的结合在一起，具有多种特技效果处理效果，包括动画的灯光效果、物体阴影变换、图片背景的模糊处理、拍摄的摄像机镜头的移动、波纹起伏波浪震动的效果展现等等，并可与二维电影动画、三维电影动画和实拍镜头进行合成处理。它所提供的可视化场景图画可以让动画设计师在软件内只用几个简单的操作步骤就可完成比较复杂的动画制作，提高了计算机二维电影动画制作的工作效率和速度。
2.2 三维电影动画
三维电影动画则是展示立体的图形，三维电影动画的制作过程就好像是在摄影棚中拍电影的景象：三维图像影像制作首先是在布置摄像对象所处的位置、动画制作者规定其运动轨迹、并按照这个运动轨迹进行拍摄、各种灯光效果被制作者安排的妥当，摄影机可以布置在特定位置上或者也可根据拍摄内容设定摄影机的推拉摇移摆动，最后利用计算机用图形算法计算出这个摄影机所见到的动态图像效果。
三维电影动画制作首先要创建物体模型结构，其次是让这些物体在空间内动起来，如变化图形、变化颜色、移动位置、旋转物体等制作手段。再通过打灯光等特效生成栩栩如生的画面。计算机三维电影动画数据是在计算机内部自动生成的。
