計算機圖形學相關技術范文

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關鍵詞：計算機圖形學；計算機視覺；可視化技術

中圖分類號：TM862 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）01-0054-02

計算機圖形學、計算機視覺以及可視化技術三者均是計算機領域重要組成部分，要做好計算機知識，就要先學好計算機圖形學，但計算機圖形學學習相對枯燥，尤其是算法教學難以理解，為解決這一問題，計算機視覺與可視化技術被應用到計算機圖形學中。可見，三者之間存在一定的聯系，因此，有必要對計算機圖形學、計算機視覺以及可視化技術展開研究。

1 計算機圖形學概述

1.1 計算機圖形學目的

所謂的計算機圖形學實際上就是怎樣利用計算機表示圖形，并利用計算機完成圖形計算與處理，而這一過程的實現需要得到相關算法的支持。學習計算機圖形學的目的是利用計算機技術為人們呈現既帶有美感又不缺真實的圖形（如下圖1所示），為實現這一目標，就需要按照圖形的要求創設合適的場景，并在一些光照模型的作用下，做好光照效果設計，在這一過程中需要計算機圖形學能夠與其他計算機技術相配合。經過計算機圖形學出來的圖像，多會以數字圖像的方式展示出來，總的來說，計算機圖形學與圖像處理之間存在著一定的聯系[1]。計算機圖形學的涉及范圍相對寬泛，不僅有圖形硬件設計，還包括動畫制作，虛擬現實等多個部分。此外，計算機圖形學在動畫制作中的應用頻率也很高，如45分鐘一集的動畫影片中，85%的畫面都需要用算機圖形學來完成，由此可見，計算機圖形學的應用頻率極高，并在動畫制作中發揮著不可替代的作用。因此，應重視計算機圖形學的應用。

1.2 計算機圖形學應用

隨著計算機圖形學的發展，它被應用到各個領域中，并發揮著重要作用。首先，在計算機輔助設計與制造中的應用，這是計算機圖形學應用最多的領域，在計算機圖形學被應用以后，不僅可以設計出更精準的圖形，還能做好人機交互設計，強化修改能力。計算機圖形學還被應用到三維形體重建中，利用該技術可以將原理的二維信息轉化為三維信息，如在某次工程圖紙設計中就應用了計算機圖形學，經過一系列的處理以后，三維形體逐漸形成，最終實現了重建。其次，在醫學領域中的應用。計算機圖形學在醫學領域中的應用多以計算可視化的形式展示出來，如在腦部手術中，醫生為看清患處真實情況，經常需要利用在可視化技術的作用下將復雜的數據轉化為圖像，這時就體現了計算機圖形學在其中的應用[2]。再者，在計算機動畫中的應用，人們看到的動畫影片就是計算機圖形學作用的結果，以動畫人物的行走為例，為保證動畫人物的行走與自然人不存在過大差異，就需要應用大量的計算機技術，并在計算機圖形學的作用下完成設計。最后，在計算機藝術中的應用。計算機圖形學在計算機藝術中也有廣泛應用，它不僅可以用于藝術制作，很多場景都是通過計算機圖形學來完成的，現階段，一些人正在利用計算機圖形學創設人體模擬系統，其目的是讓已故人士再次出現在熒屏上，這一目標的實現就需要得到計算機圖形學的支持。

2 計算機視覺技術

2.1 計算機視覺技術含義

所謂的計算機視覺技術，實際上就是用計算機取代人眼做識別、跟蹤以及測量等，同時也兼顧圖形處理，其目的是讓圖像在計算機被處理以后更適于識別。對于計算機視覺技術來說，意在實現人工智能，主要是從圖像與多維數據等方面實現人工智能系統設計[3]。計算機視覺是一種在相關理論與模型基礎上發展起來的視覺系統，其主要構成部分有以下幾種：

（1）程序控制，這一點主要體現在機器人設計上；（2）事件檢測，多體現在圖像監測上；（3）信息組織，主要體現在圖像數據庫等方面。計算機視覺三個階段如圖2所示，通過觀察圖1可以發現，計算機視覺存在于圖像處理始終，從早期處理直到后期結束都存在，最終實現了3D描述，可見，計算機視覺具有十分重要的作用[4]。

2.2 計算機視覺技術的應用

現階段，現代社會已經進入信息化時代，計算機技術也被應用到各個領域，并發揮著重要作用。計算機視覺的應用促使計算機實現了智能化，在該技術的支持下，計算機可以像人一樣透過視覺看待世界萬物，且具有良好的適應能力，但這一目標的實現還需要很長時間，需要一系列的努力才能實現。現階段，計算機視覺應用最多的就是車輛視覺導航，然而，這種導航還沒有實現完全自主導航，這也是需要進一步研究的地方。計算機視覺技術的適應性較好，特別適合在工業領域應用，即便是存在電子在干擾或溫度變化較大的地方都能很好的運行，其整體效果也不會受到影響，再者，計算機視覺技術的嵌入性較好，成本相對較低，尤其適合在PC方案中使用，同時，具有一定的非接觸能力，能夠獲取大量信息，且不受距離限制，總的來說，計算機視覺技術總體效果較好，適合利用在各種工業環境中應用，因此，應重視計算機視覺技術的應用[5]。同時計算機視覺還被應用到移動機器人設計中，主要是利用小波模板展示人體形態，然后做圖像掃描，這樣就可以順利完成小波變換，進而了解到人的存在。同樣，將計算機視覺應用到機器人設計上，可以自動檢測出正在行動的人或車輛，而無法檢測到靜止的人，之所以會出現這樣情況，主要是由于其中采用率步態分析法。

3 可視化技術

3.1 可視化技術含義

可視化技術是一種綜合了計算機圖形學與圖像處理于一體的技術，它可以將復雜的數據轉化為圖像并在屏幕上展示出來。在可視化技術中，融合了以上兩種技術的特點，并在多個領域都有應用，隨著可視化技術的應用，不僅有效實現了數據表示，還強化了數據處理能力，更對數據決策分析有一定作用[6]。現階段，虛擬現實技術已經成為可視化技術主要發展方向。

3.2 可視化技術的應用

首先，在計算機圖形學教學中的應用，計算機圖形學相對枯燥，相關知識也很抽象，不便于學生理解，在計算機圖形學中最重要的部分是曲線曲面，而這些曲線曲面多是與數學模型有關，具有一定的抽象性，學生理解難度較大，以往教師只能通過一系列的公式演算幫助學生理解，盡管這樣依然難以讓學生掌握曲線變化情況，學生依舊無法正確理解。為減少這種情況的發生，可視化技術被應用到計算機圖形學教學中，教師將抽象的知識用動畫的形式展示出來，學生只要觀看動畫，拖動一定的控制點就可以了解到曲線變化情況，這樣一來不僅增加了教學趣味性，學生也可以隨意變動曲線，讓復雜的知識變得簡單，深化學生對計算機圖形學知識的深度理解，同時，利用可視化技術在一定條件下，還可以完成代碼編譯，如在Actoin ScriPt中做編譯，這樣也可以增強學生的理解能力[7]。

其次，在醫學領域中的應用。醫學領域對于可視化技術的應用主要體現在放射治療與矯正手術上。通過可視化技術可以屏幕上看到手術整個過程，并將原來細節部位放大，手術醫生觀察的更加細致，手術成功幾率也會大幅度提升，患者生命也能得到保證（如圖3所示）。如在對某名患者進行身體檢查的過程中需要應用到可視化技術，由于通過檢查會獲得大量數據，而這些數據又相對復雜，但在可視化技術下就可以通過圖表、曲線圖或立柱圖的方式展示出來，經過可視化技術的作用，了解到患者的血糖為5.6mmol/L，醫生可以根這一數據做出診斷，而不必再分析這些數據。據不完全統計，80%的醫療檢查工作都是需要利用可視化技術。

地質勘探是我國最重要的工作之一，由于多數礦藏都深埋地下，即便使用探測儀受多種因素影響也無法了解到實際礦藏情況，這就需要應用到可視化技術，在可視化技術的作用下，相關工作人員可以了解到地下有無礦藏，如果存在礦藏，相關工作人員也可以了解到礦藏所在位置與實際儲備量，進而為礦藏開采奠定基礎。如在地質勘探中，相關工作人員利用可視化技術做地形圖整理，然后從中提取地形數據，再用CATIA做導入，這樣就可以完成地形模型創建，這樣就完成了三維地質模型創建工作，同時在相關工作臺的影響下，還可以完成地形數據導入，進而生成一定的地形云點，如果其中存在錯誤，可視化技術也可以將其中的錯誤內容刪除，這些都是可視化技術所帶來的好處[8]。由此可見，可視化技術已經成為地質勘探中不缺少的技術。

最后，在氣象預報中的應用（如圖4所示）。利用可視化技術能夠將數據轉化為圖像，通過觀察圖像就可以了解到云層變化情況，同時也能了解到實際風力大小與風走向等，氣象預報人員就可以根據圖像做出精準分析，需要了解氣象變化的人也能了解到現實情況，如果氣象條件惡劣，相關工作人員也可以及時做出工作調整，減少危險事件的發生。據不完全統計，可視化技術在氣象預報中的應用頻率高達100%，由此挽回的經濟損失高達13.2億元，可見，可視化技術在氣象預報中的應用十分有必要，因此，應重視可視化技術在氣象預報中的應用。

4 結語

通過以上研究得知，計算機圖形學、計算機視覺以及可視化技術三者各具特色，三者間也存在一定的關系，尤其是可視化技術綜合了前兩者的特點，并融合了其他技術，在很多領域中都有應用。可視化技術是現階段應用最多的一種技術，在計算機圖形學教學中也有應用，并發揮著不可替代的作用。本文分析了計算機圖形學、計算機視覺以及可視化技術的含義與應用，希望能為相關人士帶來有效參考，正確利用這些技術。

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伴隨計算機技術和相關圖形圖像理論的的發展產生了計算機圖形學與圖形圖像處理技術，其在各個行業應用越來越廣泛。本文闡述了計算機圖形學、計算機圖形圖像處理技術及計算機圖形學與圖形圖像處理技術的應用。

【關鍵詞】計算機圖形學 圖形圖像處理技術 應用

利用計算機對圖像處理從20世紀50年代開始，是伴隨著電子計算機的發展而產生的，當時人們嘗試利用計算機對圖形和圖像信息進行處理。計算機圖形學作為一門學科大約形成于20世紀60年代初期。進入新世紀，在計算機技術的進一步發展和圖形圖像處理技術相關理論的不斷完善， 計算機圖形學與圖形圖像處理技術在許多應用領域受到廣泛重視并取得了重大的開拓性成就，該技術成為一門引人注目、前景遠大的新型學科。

1 計算機圖形學

計算機圖形學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。計算機圖形學研究的主要內容包括在計算機中通過什么技術或手段進行圖形的計算，圖形的處理最終現顯示圖形，因此可以用于圖形硬件、實物造型、虛擬現實等。計算機圖形學主要用于完成真實感的圖形，那么就要求建立圖形描述的場景的幾何表示。在設計圖形的過程中，需要借助光照模型，通過對光照強度、材質屬性的合理想像形成良好的圖形設計效果。所以計算機圖形學與計算機輔助幾何設計有著密切的關系。計算機設計的圖形需要對圖形再進行處理，因此只有計算機圖形學和計算機圖形圖象處理技術緊密結合才能產生良好的效果。

2 計算機圖形圖像處理技術

計算機的圖形圖像完善技術手段主要通過一定的概念和幾何方式，運用計算機軟件完成相關操作的步驟，由圖形編制的二維技術和三維技術來實現。圖形圖像處理需要借助一定的圖形處理系統，比如計算機硬件設備像鼠標、鍵盤、圖形處理器等，還需要圖形圖像軟件系統如CAD系統等。通過計算機圖形處理的硬件和軟件系統能實現對圖像的幾何形變，把圖像變成不同的形態；把圖形進行數字化處理并進行圖像的分割和復原等；對光線的明暗處理形成不同的光源效果；對色彩的處理能形成不同的色彩視覺效果。利用計算機圖形圖像處理技術通過上述操作能在計算機輔助教育CAI、計算機藝術設計、計算機動畫和虛擬現實等領域發揮重要作用。

3 計算機圖形學與圖形圖像處理技術的與應用

計算機圖形學與圖形圖像處理技術由于技術先進在社會各個領域的應用和發揮的作用越來越大，本文從計算機輔助設計與制造――工業領域、計算機動畫――商業領域、計算機藝術――藝術領域、科學計算的可視化、在多媒體方面的應用這五個方面探討其應用。

3.1 計算機輔助設計與制造――工業領域

CAD/CAM是CG在工業界最廣泛、最活躍的應用領域。可用機、汽車、船舶、機電、輕工、服裝的外形設計；集成電路、印刷電路板的設計；建筑設計；基于工程圖紙的三維形體重建 。比如在飛機制造工業中，法國空客飛機公司已經率先采用有關的CAD系統對空客飛機A300大型運輸客機的整體進行設計和模擬，具體包括飛機外型設計、內部各部位的組合和安裝，節省了大量時間并且使其設計制造成本下降30%以上 。

3.2 計算機動畫――商業領域

可用于廣告設計、電腦游戲、卡通動畫片、影視特技。比如通過計算機圖形圖像處理技術將書法藝術應用到現代設計中的作品隨處可見，例如，黃玉老藝術家為酒鬼酒做的設計包裝，其字體行云流水，讓人琢磨不定，甚是詭異，配合棕色的壇子和一個醉鬼，是傳統書法藝術和現代設計的典范，彰顯了酒鬼酒的神韻，使宣傳效果深入人心。比如計算機動畫技術還被廣泛用于電影電視中的特技鏡頭的制作，產生以假亂真而又驚險的特技效果，如模擬大樓被炸、橋梁坍塌等。

3.3 計算機藝術――藝術領域

計算機藝術是科學與藝術相結合的一門新興的交叉學科，是計算機應用的一個嶄新、富有時代氣息的領域。計算機藝術是以計算機為工具，可以完成多種藝術品的制作和設計，如繪畫（平面圖形）、雕塑（立體圖形）、音樂、平面構成、空間結構，還有體操舞蹈設計等等。其中，美術作品占比重最大因此，計算機藝術由主要指計算機美術。比如計算機繪畫（Computer Painting）主要指人們利用鼠標或數字壓感光筆直接在屏幕或數字化板上進行的繪畫。軟件包括：Corel Painter 或 Adobe Photoshop 等。該類繪畫最接近于傳統繪畫，其畫風細膩、形象生動自然。但畫幅一般較小，要求繪畫者有較高的美術功底。優勢為：易于修改、效果豐富、成本較低、但對于電腦設備要求較高。

3.4 科學計算的可視化

科學計算的可視化是運用計算機圖形學或者利用圖形學處理的原理和方法，將科學計算的結果中含有的大規模復雜數據轉換為可視化的圖形或圖象，能幫助人們以直觀形象的形式顯示出來。它涉及多個研究領域，已成為當前計算機圖形學研究的重要方向。可應用于氣象預報、環境保護、分子生物學等許多領域。比如通過對天空的氣象數據通過搜集、分析、整理形成可視化的衛星云圖，幫助人們進行科學的天氣預報。

3.5 在多媒體方面的應用

在多媒體方面的應用是指在計算機控制下，對多種媒體信息進行生成、操作、表現、存儲、通信、或集成的信息系統。計算機圖形圖像處理技術通過對多媒體信息如圖形、圖像、語音、視頻等的處理能增加多媒體的圖形信息的多樣性和操作的交互性、系統的集成性。

參考文獻

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作者簡介

羅春平（1970-），男，廣東省梅州市人，大學本科學歷。研究方向為計算機多媒體技術。

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【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 教材 OpenGL

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（c）-0178-02

從學科角度來看，計算機圖形學是一門理論和實踐都很強的綜合性學科；從技術層面來看，計算機圖形學是計算機應用領域的一個重要分支，其應用已經滲透到社會的各個方面，例如計算機游戲產業和影視動畫，人們使用手機和計算機時操作的圖形用戶接口，這些應用與人們的生活密不可分。計算機輔助設計與制造、科學數據可視化、虛擬現實等等，計算機圖形學在科學研究、生產實踐和人們的日常生活中均占有重要地位。因此，學生在學習計算機圖形學課程之前對該課程具有一定的好奇和期待，但是如果按照當前市場上流行的教材組織教學會使學生很失望，從而失去學習該課程的熱情。

1 計算機圖形學教材存在的問題

計算機圖形學是研究用計算機生成、處理和顯示圖形的一門學科，本科段的主要教學內容由以下幾個部分組成：光柵圖形學、圖形變換、圖形裁剪、可見面判斷、曲線和曲面、簡單的真實感圖形生成。基于這些內容，國內教材基本上以計算機基本圖形的生成原理及其相應的經典算法為核心，注重算法的推導過程，也就是數學演算過程，使得教材內容理論性很強，對學生的數學基礎要求較高。這樣的教材適合培養學術研究型的學生，所學知識為他們進一步學習、從事計算機圖形學的研究打下堅實的基礎。但是應用型本科院校計算機專業的絕大多數學生畢業后走向職場，即使考上研究生進一步深造的學生，選擇計算機圖形學作為研究方向的可以說是鳳毛麟角。更加重要的是，應用型本科院校計算機專業的學生普遍數學基礎比較差，沒有數學基礎來學習這種數學演算式的算法推導過程。由于計算機軟硬件技術的飛速發展，當前在軟件開發領域也用不到教材中這樣底層的經典圖形算法，一般的圖形軟件開發都是基于某種圖形軟件標準，例如實際的業界標準OpenGL（Application Programming Interface），微軟公司的DirectX。基于軟件標準，學生可以學到開發圖形學軟件的一些實用技術，掌握繪制真實感圖形的完整流程。因此，當前急需解決應用型本科院校計算機圖形學的教材問題，以及由此帶來的該課程在應用型本科院校的定位問題。

2 計算機圖形學教學改革探索

應用型本科院校的學生普遍數學基礎比較差，優點是動手能力比較強，其中不乏玩游戲的高手。絕大多數認真學習的學生都對程序開發比較感興趣，并且學得快。但是由于數學基礎和抽象思維能力比較差，對理論性強的教學內容不感興趣，學起來吃力。針對計算機圖形學教材的現狀和應用型本科院校學生的特點，對計算機圖形學課程的教學目標、教學內容和教學方法進行了一定的研究探索。將教學目標定位為使學生通過該課程的學習，對計算機圖形學有一個概括性的全面了解，理解計算機基本圖形的生成原理及其相應的經典算法的基本思路，掌握其中的重要技術；學習一種圖形軟件標準，加大實際動手能力的培養力度，使學生通過該課程的學習，能夠設計簡單的圖形場景，掌握繪制真實感圖形的基本流程。對于教學內容，采用一本教材為主，多本參考書為輔，在吃透這些教材的基礎上重新整合教學內容，力求使學生能夠學到實際有用的知識和技術，掌握必要的計算機圖形學的理論基礎和開發圖形應用軟件的初步能力。OpenGL是一種跨平臺的應用程序接口，已經成為實際的業界標準，而微軟公司的DirectX僅適用于Windows操作系統。另外，OpenGLES是OpenGL的子集，應用于多種嵌入式系統，如控制臺、移動電話、手持設備、家電設備和汽車等。把JavaScript和OpenGL ES 2.0結合在一起構成了WebGL，為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，Web開發人員可以用WebGL構建具有豐富圖形的網站頁面和設計網頁游戲等。所以教學中選用了OpenGL作為實驗平臺。

教學內容整合以教材為依據，對應每個教學模塊增加相應的OpenGL內容，例如光柵圖形學模塊增加OpenGL的基本圖元繪制、圖形變換模塊增加OpenGL實現圖形變換的內容、曲線和曲面模塊增加利用OpenGL繪制Beizer曲線曲面和B樣條曲線曲面的方法、真實感圖形生成模塊增加OpenGL的光照（包括光源的位置、光的類型）和材質內容，等等。整合后的教學內容體現了理論與實踐并重、理論與實踐相結合的教育思想，每一次課的教學內容由兩部分組成：一是理論部分，講授計算機圖形學基本原理和概念、經典算法的設計；二是實踐部分，講授與理論教學內容相關的OpenGL繪圖程序設計。對于理論教學內容突出重點，精選有代表性的算法講解透徹，使學生掌握算法思想的精髓、主要技術手段，對類似算法能夠舉一反三，自行學習。實踐教學部分強化培養學生的創新思維和實際動手能力，針對教學內容演示基于OpenGL繪制的圖形或者場景，引導學生分析設計過程以及實現各個功能的OpenGL函數，以便學生通過學習能夠獨立自主地設計出具有真實感的圖形或者簡單場景。由于教學內容由理論和實踐兩個主題構成，所以教學過程中要特別注意將這兩個部分有機地融合在一起，具體做法是講清楚OpenGL函數在計算機系統內的實現機制，下面以圖形的幾何變換為例說明。圖形的幾何變換以齊次坐標為基礎，用矩陣表示變換，將變換矩陣乘以點的原始坐標，運算結果即為變換后的點的坐標；OpenGL的變換函數是以程序員給定的參數、按照函數功能先構造相應的變換矩陣，然后將變換矩陣與點坐標相乘得到變換后的點坐標。通過這種剖析將理論知識與實踐技術有機地結合起來，使學生知其然，也知其所以然，極大地激發了學生學習理論基礎知識的熱情。

教學過程以建構主義教學理念為指導，以任務驅動教學法為主結合多種教學方法以提高課堂教學質量。建構主義教育思想認為學習的本質是知識的建構過程，教學的目的在于幫助學生實現知識建構，而不是單向的給學生傳授知識，教師的作用是引導學生對原有知識進行改造和重組，實現新知識建構。任務驅動教學法的核心是以任務驅動教學過程，教師根據教學目標和教學內容設計合適的任務，通過分析這個任務引導學生建構知識。例如，講授真實感圖形生成時，首先演示一個編程繪制的具有真實感的圖形，在光照的作用下圖形逼真、美觀，極大地激發了學生的學習興趣。通過分析這個圖形的生成原理和技術，引出光照模型和顏色理論的基礎知識，通過設問、啟發等多種教學方法引導學生建構相關的理論知識；通過分析OpenGL實現光照、材質的技術，完成利用計算機繪制真實感圖形的教學任務。

最近幾年，市場上出現了一些面向應用型本科院校的計算機圖形學教材，其中計算機圖形學基礎理論的深度和難度都比傳統教材降低了，闡述也比較通俗易懂，但是沒有配套的上機實踐教材。因此，編寫了基于OpenGL的電子版實驗指導書，實驗內容由以下模塊組成：熟悉編程環境、基本圖元生成、二維圖形變換、三維圖形變換、光照和材質、曲線和曲面。實驗類型分為驗證型，設計型和綜合型。每次上機實驗課的內容分為兩個部分：一是運行課堂教學中講授的OpenGL程序、分析運行結果，然后修改這個程序生成新的圖形，從而加深對所學知識的理解；二是利用所學知識設計一個物體或者簡單的場景。課外作業是根據所學知識自由創造一個具有真實感的場景，從第一次上機實驗開始，從簡單到復雜構造一個場景，每次上機后增加本次實驗所學知識的內容，上機實驗課結束時上交，作為該課程的實驗考試成績。這樣，學生不僅學習了利用計算機生成真實感圖形的完整流程，而且親自實踐了這個完整流程。

4 結語

通過教學內容的整合，使學生能夠學到利用計算機生成真實感圖形的完整流程，有效地培養了學生的軟件開發能力，如果不進行上述教學改革是不可能達到這個目的的。當前國內教材太注重經典算法的剖析，學生即使努力學習，也是只見樹木不見森林，非常不適合應用型本科院校的學生使用。由于OpenGL的強大功能，教學中可以演示利用OpenGL編程繪制的逼真圖形，學生通過學習也可以自行設計、編程繪制這樣具有真實感的圖形，極大地激發了學生的求知欲，使得學生想學計算機圖形學課程，有效地提高了該課程的教學質量。

參考文獻

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篇5

關鍵詞 計算機技術 計算機圖形 圖新圖像技術

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A

據了解，從上世紀開始，計算機圖形技術就已經和圖形圖像有了一定的結合，只是在當時的社會條件下仍不夠成熟，但經過日后的繼續發展和改進，計算機圖形和圖形圖像技術的結合得到了很好的發展，截止到目前，該技術已經成為計算機現代化應用的主要手段。只是對于該技術在未來的發展方向，專家們仍然是各執一詞，但不可否認的是，通過對計算機圖形和圖形圖像技術的發展空間和應用領域進行總結概括和分析，加強對該技術的深刻了解具有非常重要的意義。

1計算機圖形學的基本概念

計算機圖形學是通過計算機來處理圖像、修改圖片并完成存儲的一系列過程的學科，而計算機圖形圖像處理技術是指把通過概念或者數字來表達出事物的幾何圖形或者幾何數據，運用計算機來顯示、修改直到完成的過程，由此便可發現計算機圖形學與圖形圖像處理技術是必定要組合一起的，只有相互結合才能完成圖像制作。

總的說來，計算機圖形學研究的范圍非常廣泛，包括了圖形標準、實物造型、計算機動畫、圖形硬件等等。計算機圖形學主要是通過計算機來研究這些圖形的學科，通過計算機來表達真實的圖形。但是要表達出這些真實的圖形需要借助圖形描述的場景的幾何表示，所以計算機圖形學與計算機幾何設計有著非常密切的關系，但是真實感圖形計算是以數字圖像的形式呈現出來的，所以計算圖形學與圖形圖像有著不可分割的關系。

2計算機圖形學的應用

計算機圖形學的發展歷程具有非常悠久的歷史，該學科的研究開始于麻省理工，通過該校對計算機圖形學的研究，確立了該學科在計算機技術中的一席之地。隨著時間的推移，該技術在世界經濟中的各個領域都有了很好的發展。據了解，通過計算機圖形學理論和技術的不斷創新，在未來其應用前景也將更加廣闊。

例如：計算機圖形化的用戶接口應用，一個優秀的圖形化用戶界面可以大大提高軟件的實用性，隨著某公司圖形界面操作系統的提出，這一切都標志著圖形學滲透進了計算機的各個領域。再者更具代表性的圖形應用領域就是計算機動畫和藝術設計，因為動畫和藝術設計在中國運行時間已久，為該技術生產的軟件不在少數，但是能像二維平面的應用程序和三維動畫建模的軟件仍然是屈指可數，由此可見，計算機圖形學在中國的各大領域發揮著無可替代的作用。

3計算機圖形圖像處理技術和計算機圖形技術的應用

3.1二者之間的相互作用

在計算機的技術領域里，計算機圖形圖像處理技術是專家學者研究和開發的重點內容，但值得一提的是，要學計算機圖形圖像處理技術必須依附于計算機圖形系統。計算機圖形的完成和處理必須要依靠計算機圖形系統的幫助，一般來說，它是由計算機的硬件設備和計算機圖形圖像軟件所組成，計算機的圖形硬件主要包括圖像處理器、圖形輸入和輸出設備以及存儲設備。而圖像處理器是整個計算機系統中最重要的一部分，它是連接顯示器和計算機內部的重要紐帶，通過該處理器可以大大減少計算機cpu的工作量，同時也能減少大量圖形的數據運算時間。可以說，通過二者的結合，計算機所制作出來的圖形在視覺上會更加的完美，質量上也會更有保證。隨著科技的進步，這兩者之間的關系變得越來越密切，而且二者的完美配合幾乎可以變成一個整體來發揮效用。

3.2計算機圖形和計算機圖形圖像處理技術的應用領域

在工業生產中，計算機的應用可謂是最廣泛的，其中計算機輔助設計是這些計算機技術中最為活躍的計算機圖形圖像處理技術，計算機的圖形操作被廣泛運用到這些技術領域里，比如說在汽車行業、土木工程技術領域、數控車床、建筑設計和室內設計等，通過計算機輔助設計將會大大減少人工設計的時間，提高工作效率。另外，在部分的網絡分析上也運用了該項技術，該技術是在國內工程建筑圖紙上常見的設計軟件。

除了計算機輔助設計軟件，可視化軟件、土地的地形地貌圖、計算機輔助制造軟件等都是通過該項技術設計出來的高科技技術產品，通過這些產品的投入使用，不僅給人們的日常生活和工作帶來了便利，更是推動了計算機技術的發展腳步，為世界技術經濟的發展起到了不可忽視的作用。

4結束語

計算機圖形和計算機圖像圖像技術的相互結合是計算機技術史上一個非常經典的里程碑，是計算機技術的重要進步和發展。隨著圖形圖像技術的發展，計算機圖形技術為人們創作出了很多豐富多彩的視覺景象；隨著圖形圖像技術的發展，人們的生活環境越來越好，工作越來越便利；隨著圖形圖像技術的發展，在不久的將來，世界將是另一番美好景象。

參考文獻

[1] 陳敏雅，金旭東.淺談計算機圖形學與圖形圖像處理技術[J].長春理工大學學報，2011，01：138-139-146.

篇6

關鍵詞：計算機圖形學；研究型教學；算法

計算機圖形學是研究如何利用計算機來顯示、生成和處理圖形的原理、方法和技術的一門學科，在計算機輔助設計制造、科學計算可視化、地理信息系統、虛擬農業等領域有著非常廣泛的應用，是計算機、地理信息系統、電子工程、機械設計等本科專業一門重要的專業基礎課，也是許多后續課程(圖像處理、模式識別、多媒體技術、虛擬現實、計算機視覺等)的基礎課程，在教學計劃中占有重要地位和作用。

培養學生的創新和實踐能力是研究型大學教育改革目標的核心。通過該課程的學習，不僅使學生能系統地獲得計算機圖形學的基本知識、必要的基礎理論和常用的圖形生成算法，同時能提高學生的綜合素質，使學生具備一定的研究和創新能力。另外，隨著近幾年信息技術在農業領域的廣泛應用，在農業遙感、地理信息系統、農作物模擬和仿真中涉及大量的計算機圖形算法和技術。因此在這門課的講授內容上增加了一些和遙感、地理信息系統、虛擬農業技術相關的圖形基礎和算法，并結合教師的研究成果和科研工作的進展，及時將其增加到教學內容中，使這門課程逐漸形成有農業特色的專業基礎課。

課程改革決不僅僅是教學內容的更新，更為重要的是學習方式、思維方式轉換以及新教育技術的應用。這需要我們從“知識型教學”轉換成為“研究型教學”，即以知識為載體，傳授本學科的方法論，注重學科發展，提升教學中學生思維能力、交流溝通能力等持久性綜合能力的培養。

1研究型教學的實施方案

研究型教學是以提高學生的綜合素質和創新研究能力為目標的。為了達到這個目標，我們從跟蹤學科前沿能力、發現問題能力、理論聯系實際能力、文獻閱讀能力等以下7個方面來綜合培養學生的能力[1]，如圖1所示。

圍繞這幾方面的能力，具體做法是強化基礎、突出實踐、重在素質、面向創新。我們主要在以下幾個方面展開了創新性的教學改革研究。

1.1像計算機工程師那樣去思考和解決問題

本課程教學理念為：“以應用為背景、以理論為主線、以算法為核心、以合理先進的教學方法為手段、以提高學習興趣和創新能力的培養為目標”。

學完這門課程，學生應掌握兩個技能并達到一個目標，兩個技能是：1)學生能編寫小規模的圖形程序(這里的小并不是貶義，只是代表你有能力做事的規模而已)；2)掌握的第二個技能是有能力來理解別人編寫的程序。因此要能寫、能讀程序。

最終的目的是開啟學生從其他領域中提煉概述，并研究出如何將其轉入計算機圖形領域的能力。通過圖形學算法的提出背景以及發現、發展和完善過程的講解，對學生的思維進行訓練，提高學生面向問題的求解能力，培養學生的科研素質。

在教材的選取上，不局限于一本教材[2-4]，而是選用國內較有影響的幾本教材作為參考書。注重基本原理和概念的講解。因為圖形技術的發展日新月異，新的技術和算法層出不窮，學生學習的技術幾年后可能會過時，但基本的原理和概念是長期不變的。

1.2突出講授圖形算法中蘊含的思想

計算機圖形學課程的主要內容就是講授圖形生成、顯示、處理的算法。那么，一個普通、常規的圖形算法是如何通過改進和完善變成一個優秀算法的？

算法分析是一種理論研究，是關于計算機程序性能和資源利用的研究，重點是性能。我們是在學習如何計算機程序運行的更快。算法還涉及到其它資源，但我們的關注點主要還是在性能上。

例如，直線生成算法是計算機圖形學較底層的一個算法。該算法的性能嚴重決定著圖形生成的效率。因為當完成一個動畫算法或真實感圖形算法時，直線算法可能被幾十萬、上百萬次地反復調用，因此這種算法要求效率要高。在加、減、乘除、開方、三角函數等運算中，加法是最快的運算，其中整數加法又快于浮點加法。因此像畫直線這種底層算法，能夠減少一個乘法都是一個了不起的事情。

從講授通過直線方程的畫線算法到數值微分(DDA)算法、再到中點畫線算法，最后到Bresenham算法。一步步給學生展示了一個開始需要一個乘法和一個加法的普通直線算法，是如何通過改進和完善其性能，把乘法演變一個浮點運算加法，又把浮點加法變成整數加法的一個精彩過程。計算機科學問題的核心就是算法。

學術大師們在提出、改進和完善算法的過程中所體現出來的一些閃光的思想正是我們所要深刻認識和領會的。什么是創新？這些閃光的思想就是真正的創新！

在講授其他一些圖形算法如多邊形的掃描轉換和區域填充、裁剪算法、消隱算法等時，并不強調學生掌握和實現算法的具體細節，更重要的是闡述這些算法所蘊涵的一些創新思想，像增量思想、編碼思想、圖形連貫性思想、分而治之思想等。這些思想不僅用在圖形學算法中，而且還用在了數據挖掘、人工智能等領域。

1.3算法講解與程序演示相結合

計算機圖形學課程具有很強的實踐性，上機編程實驗是其重要環節，基本目標是將學生的計算機操作能力、分析能力、設計能力與編程實踐結合起來，引導學生由淺入深地掌握計算機圖形學基本理論和算法。

為了讓枯燥的算法講解變得生動起來，作者在教學手段上充分發揮圖形學自身特點，將許多算法的原理用Flash做成動畫片嵌入到教學幻燈片中，采用生動形象的動畫算法講解，使學生對抽象的圖形學算法不僅有一個直觀的了解，而且還調節了課堂氣氛。許多同學在看過演示之后，不僅對算法有了更為深入的了解，還紛紛躍躍欲試，想要做出更好的程序來，這極大地激發了學生自己動手編程實踐的欲望。這些課件對于提高學習興趣、增強算法的理解性具有很大的作用。

我們安排了8～10個上機編程實驗，內容包括畫直線圓弧算法、區域填充算法、編碼裁剪和梁友棟裁剪算法、二維、三維變換算法、透視變換算法、Bezier曲線算法、B樣條算法和簡單光照模型的實現。學生通過這些算法的編程實現并改進一些重要算法， 既可以增強對算法本身的理解，也可感受編程的樂趣。

2教學與科研相結合

2.1教師科研與教學相結合

科研是提高課程教學質量的源動力。將科研成果引入教學，一方面豐富了教學內容，提高了學生的學習興趣；另一方面，也培養了學生的科研創新能力。

我們主持和參與的國家科技基礎條件平臺中國數字科技館項目“虛擬農場體驗區”、科技支撐項目 “面向農民科技培訓的人機交互式三維可視化平臺研究”、虛擬農場等課題中都使用到了圖形算法和技術，通過課題引導學生將圖形學中的各類知識集成到引擎中，面向二次開發和快速開發，大大提高了學生對圖形學技術的理解和實踐動手能力。

2.2教學與專業文獻閱讀相結合

一門學科的內容終歸是不可能全部在課堂上講授完的，以“授人以漁”為己任的教師也沒有必要這樣做。在網絡時代沒有絕對的老師，所有老師必須成為學生。同樣，在網絡時代也沒有絕對的學生，所有的學生必須學會做自己的老師。

為了培養學生研究創新的能力，除了把教師自己的科研成果介紹給學生，更重要的是培養學生跟蹤學科前沿的文獻檢索、文獻閱讀與文獻綜述能力。

基于期刊的影響力和SCI影響因子等標準，我們選擇國內外一流期刊20余種，國內期刊如《計算機輔助設計與圖形學學報》、《地理學報》、《計算機圖形圖像學報》等；國外期刊如《Computer Graphics》、《IEEE Computer Graphics and Application》、《International Journal of Geographical Information Science》等。相對來說，這些權威的期刊發表的文章基本上都是高質量的文章。除了從這些期刊里選出一些和計算機圖形學算法有關的高質量文獻以外，還搜集一些有關計算機圖形經典算法的經典文獻，主要是一些具有里程碑式的文獻！這些經典的文獻猶如文學界的世界名著，長久不衰，他們的貢獻直到今天都無可忽略！最新文獻猶如現代流行小說，要與時俱進，了解計算機圖形學領域的一些最新進展。

要求每個學生在這門課程的學習期間，能夠閱讀至少2～3篇中文文獻和1～2篇英文文獻(既閱讀世界名著，也要瀏覽現代流行小說)。這樣既提高了學生的英語閱讀能力，了解該領域的熱點和前沿進展，又使得學生能領會大師們的研究思路、邏輯推論和技術方法。

通過兩屆學生的實驗，教學取得了良好的效果。盡管他們只是大二的學生，但已經有幾位學生對教科書上的一些經典算法在性能上做了進一步的改進，提高了算法的效率，撰寫的幾篇學術論文被國內外學術會議錄用。

3結語

在研究型課程教學中，教師的作用發生了變化：教師不再是“講臺上的圣人”，而更多地起“場外教練”的作用[5]；他們不僅僅傳授知識，而是遵循認知規律，以學生為中心，設計教學過程、提供教學資源、提供學習建議，對整個學習過程進行控制，包括在關鍵環節上對學生進行啟發、激勵、引導和指導。教師的戰略目標都是為了幫助學生們能像一個計算機科學家一樣去思考。換句話說，希望賦予學生一種能力，讓學生可以用計算機做他想做的任何事。

參考文獻：

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[5] 高虹. 從美國理工科本科教學改革看研究型教學[J]. 物理與工程,2004,14(2):12-14.

Research Teaching of Computer Graphics for Undergraduate Students in Agricultural Universities

ZHAO Ming

(College of Information and Electrical Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

篇7

關鍵詞：分形幾何；計算機圖形學

中圖分類號：TP391.41

分形幾何學從70年代創立以來，在近代科學技術的發展中，已越來越為人們所重視。傳統幾何學的研究對象是整數維數，比如一維、二維平面內的點線等，而分形幾何學則研究的是分數維數，它的研究對象一般是那些不規則形狀的。分形幾何學與動力系統中的混沌理論結合在一起，在眾多領域的應用取得很大的成功。很多學科領域都開始對分形理論展開研究，取得理論突破的同時，也能夠應用到具體的學科當中去。物理學中，可以用分形理論來研究基本粒子；生物學中，可以對蛋白質進行研究；地質學中，借助分形可以提高地震預報水平；信息科學中，可以研究通信中噪聲的結構和模式以及語音識別；經濟學中，可以對商品價格浮動的規律加以研究；此外分形理論還可以用于教育學、管理學等更多領域。

目前，在傳統幾何學的基礎上，計算機圖形學發展比較迅速，能夠對一些規則圖形進行比較好的繪制。但是隨著對計算機圖形學相關要求的不斷提高以及自然景物模擬的迅速發展，傳統圖形學已經不能取得很好的效果，當面對自然景物中的非規整形狀，傳統圖形學顯得束手無策。而在計算機圖形學中引入分形幾何學，就能夠對那些不規則的圖形進行適當的處理和繪制。通過分形幾何，可以從大量的數據中，按照一定的方法選取合適的少量數據，就可以生產復雜的自然景物，繪制的效果比較逼真。通過分形幾何和計算機圖形學的結合，能夠逼真的描述海岸線、地形圖等自然風景。下面先對分形幾何的理論基礎進行介紹，再討論一下分形幾何在計算機圖形學中的一些應用。

1 分形幾何理論基礎

分形幾何之所以能夠結合計算機圖形學實現對不規則事物進行逼真描述，是因為分形幾何所具有的一些特征。分形事物的組成部分與整體存在某種方式相似，比如自相似和自仿射.自相似就是事物的局部與整體相似，通過適當的放大尺寸，任何一個小的局部都可以與整體重合；自仿射則更加復雜、更加一般，自仿射事物的局部事物通過在各個方向的不同伸縮比可以得到整體事物。自相似和自仿射的性質使得分形幾何結合計算機圖形學可以逼真的描述大自然景物，兩者兩比，自仿射分形更為復雜，但更接近現實，研究意義更加重要。

分形有效的解決了局部與整體的關系問題，借助空間結構的對稱性、自相似性以及自仿射性，可以得到比較逼真的圖形模型，整個生成的景物豐富多彩，細致逼真，具有獨特的藝術魅力。所生成的景物可以是結構性強的山峰，也可以是結構性弱的云煙。這其中的關鍵是要選擇一個合適的模型來進行描述。根據分形造型模型的不同，可以分為四種分形圖形的方法：基于L-系統的分形圖形；迭代函數系統IFS方法；粒子系統模型方法；隨機插值法。下面主要介紹常用的兩種方法：基于L-系統的分形和迭代函數系統的分形方法。

2 基于L-系統的分形圖形

L-系統方法是將L-系統和計算機圖形學進行有效的結合，能夠有效的模擬自然界的景物，其中的L-系統是用形式語言對植物形態進行描述的拓撲結構。

在L-系統方法中，比較重要的是并行重寫系統，它可以不斷的進行迭代以達到最終需要的結果。在重寫規則確定后，可以從一個初始圖形進行迭代嵌套，最終生成圖形。L-系統方法的生成過程需要大量的時間，但是相關的公式比較簡單。

L-系統方法中進行迭代時，經過一兩次的迭代后，圖形的樣子還比較簡單，圖形的特征還不夠明顯，但是隨著迭代次數的不斷增加，圖形的特征越來越明顯，從而可以得到清晰逼真的圖形。所以我們制作分形數時，可以根據L-系統方法進行不斷的迭代，從而得到完美的樹形。

除了L-系統的分支結構類型外，還有參數L-系統、隨機L-系統等類型，這些方法的基本思想是一樣的，只是他們的繪圖技巧不一樣，繪圖使用更靈活，得到的圖形也就越逼真。

3 分形幾何的應用

分形圖形所依據的函數是混沌的，所以當相應的參數發生微小的變化時，便會得到不同的結果。當選取合適的參數時，能夠使圖形顏色的設置更加合理，得到的圖形更加逼真。借助計算機，我們可以清楚的看到這種變化的過程，可以了解到圖中許多重復出現的地方，具有無限嵌套的精細內容，分形之美得到了充分體現。分形幾何在計算機圖形學中的應用，不但充分展現了分形幾何所具有的優勢，而且促進了計算機圖形學的進一步發展。

分形幾何中的遞歸迭代可以得到精美的分形圖案，根據變換的不同，可以得到不同的分形圖案。當在三維空間定義變換時，還能夠得到三維立體圖形。雖然迭代函數參數的分布比較復雜，但是分形的計算機生產方法有很多種，都能夠找到控制形狀的參數，從而實現參數化。分形幾何在計算機圖形學中的應用，不僅僅給研究數學的學者指出了一條啟發道路，而且應用得到的精美圖形可以供人欣賞，還能用于圖案設計等。

根據分形布朗運動，可以在計算機圖形中產生逼真的海岸線。在對平面地圖的海岸線進行繪制時，想要得到很逼真的效果，則需要采取大量的數據點，這樣不僅僅浪費計算機的內存，而且整個收集繪制的工程量也非常大。根據分形布朗運動擾動的方法，只需要少量的數據點便能夠達到逼真的效果。同理，可以產生逼真的三維地形圖以及粗糙表面的紋理，不同的是需要在三維空間上進行模擬。

分形圖形之所以能夠得到大家的認可，是因為分形圖形的內涵比較深刻、圖形層次豐富，體現了混沌和有序之美，而且這是需要借助計算機圖形學才能夠得到，任何再高明的畫家也不能做到。但是一般的設計人員并不是很熟悉分形的相關理論，所以將計算機分形圖形進行進一步的推廣還具有一定的難度，需要采取有效的簡化措施。

為此，可以將分形圖形計算機生成實現參數化設計，只要改變少量的參數便能夠得到不同的相似圖形。參數化技術可以使設計人員跳過復雜的數學理論、計算機算法和編程等問題，可以直接進行創作，得到獨具特色的逼真圖形。參數化技術大大減少了設計人員的繪制時間，使普通人也能夠進行創作，這有利于推廣分形技術的應用，具有重要的應用價值。

根據分形幾何中的迭代函數系統還可以用來壓縮圖像信息量，它的壓縮比可以達到1/500以上。對于生物、醫學及衛星等需要提取和識別圖像信息的學科具有重要的應用價值，還能夠優化電視和通訊中的圖像處理和傳輸。分形幾何學和計算機圖形學相結合后，以壓縮圖像為基礎，形成了一個新的研究方向。

4 結束語

分形幾何與計算機圖形學相結合，已經成為了一個具有重要研究價值的嶄新領域。分形幾何中，在進行迭代的時候，只要對相關的參數進行少量的更改，就可得到各種不同的圖形，選取合適的話，便能夠取得復雜逼真的效果。這不僅僅能夠得到精美的圖案供人欣賞及設計用，而且為研究數學的學者指出了一條啟發道路。分形幾何的另一個重要領域便是圖像壓縮，利用分形幾何進行繪圖的過程是選取關鍵點過程，反過來的話，根據壓縮儲存的關鍵數據點便可以恢復圖形，實現圖像壓縮。分形向人們展示了與眾不同的一面，這大大吸引了人們去尋找其中的新規律和新特征，促使人們去探索分形在現實生活中所具有的應用價值。

參考文獻：

篇8

國際先進工程教育理念CDIO方法，讓學生以主動、實踐、課程之間存在有機聯系的方式學習，該方法有實踐可操作性、全面系統性和廣泛適應性這三方面優點，文獻融合該理念方法進行了圖形學課程教學改革，設計了一個分層次的完整實驗體系，包括基礎驗證實驗、綜合強化實驗和創新培育實驗三個層次。通過分析以上三種方法，總結出以下共同的觀點：實驗設計要以學生為中心，充分激發學生的主觀能動性，內容難度要分層次，具有可操作性。

然后對目前計算機圖形學實驗設計中存在的問題進行分析。一是與前導課程的銜接問題，該課程一般在大三以上開設，線性代數等數學課程內容間隔時間較長，而C/C++程序設計語言、數據結構等課程又缺乏實踐，有的專業VC程序設計課程還沒開課；二是很多圖形學實驗設計都是基于OpenGL圖形API，整個實驗的設計變成了OpenGL圖形平臺的應用熟悉過程，一些圖形學基本算法的實驗變成了OpenGL函數的調用，圖形學算法實驗無法起到應有的實踐練習作用；三是圖形學算法知識點分散，學生難以融會貫通、完整地掌握相關算法之間的聯系；四是實驗效果不理想，由于同時進行實驗的學生過多，導致實驗指導無法面面俱到，有些學生不認真進行實驗、抄襲實驗報告來應付。通過以上問題分析，在進行實驗設計時要選擇合適的練習平臺，設計實驗項目時要考慮到課程延續性、整體實驗展示和實驗管理考核問題。

2.層次性實驗設計

計算機學院信息與計算科學屬于理科，該專業學生的數學基礎很強，對于課程中涉及到的圖形算法內容容易理解，但是該專業學生的編程基礎相對薄弱，對于課程中算法的程序實現有一定難度；軟件工程、計算機科學與技術兩個專業則剛好相反。兼顧三個專業學生的特點，需要選擇理論與實踐并重的理論課程教材，這里選用的是清華大學出版社出版、孔令德編著的《計算機圖形學基礎教程（VisualC++版）(第2版)》。該書配套的實踐教輔書內容太廣，實驗項目設計綜合性太強，現有實驗指導書的內容陳舊且與新教材不匹配，因此需要精選實驗項目、重新制定實驗指導書。根據第2節對實驗設計方法和問題的分析和三個專業學生的特點，實驗項目采用分層次方法進行設計，包括整體實驗項目設計的層次性以及每個實驗項目難度的層次性。

首先是整體實驗項目設計的層次性，設計實驗項目順序時，要采用自頂而下的思想，第一個實驗項目要能使學生對圖形學的渲染繪制流程形成整個概念，能明白圖形學是用來做什么的，都包括哪些步驟，后續實驗項目則對應每一個繪制步驟具體進行實驗練習；然后是實驗項目難度的層次性，設計每個實驗項目時，要考慮到不同層次學生的練習效果，對實驗內容進行難度劃分，這里將每個實驗項目劃分為基本練習、拓展練習和思考練習三項，其中基本練習用來對教材算法進行實現驗證，拓展練習用來綜合應用所學算法實現復雜問題，思考練習用來分析還要做什么工作，激發學生探索后續章節知識理論的興趣，達到促進理論課程學習的目的。

所有實驗都是基于VC的MFC，版本選擇較新的VisualStudio2005，圖形生成、填充、幾何變換、投影變換、光照等全部從底層進行設計實現。實驗課程結束后，則通過分組課程設計的形式進行綜合性練習。根據整體教學任務課時情況，計算機圖形學實驗課程為8次16學時，為保證教學和實驗的連貫性，其中實驗內容安排對應教材知識點和示例。受實驗課時限制，實驗教學時可以采用“先授之以魚，再授之以漁”方式進行，先演示實驗的預期效果，再讓學生進行模仿、探索實驗，以提高實驗效率。實驗成績主要考核學生對具體算法的理解和實現能力，由平時實驗成績和課程設計成績組成，為使成績判定公平合理，平時實驗成績通過考勤和現場提交實驗成果判定，課程設計成績通過分組答辯、綜合打分判定。

3.結語

篇9

英文名稱：Journal of Image and Graphics

主管單位：中國科學院

主辦單位：中國科學院遙感應用研究所;中國圖象圖形學學會;北京應用物理與計算數學研究所

出版周期：月刊

出版地址：北京市

語

種：中文

開

本：大16開

國際刊號：1006-8961

國內刊號：11-3758/TB

郵發代號：82-831

發行范圍：國內外統一發行

創刊時間：1996

期刊收錄：

中國科學引文數據庫(CSCD―2008)

核心期刊：

中文核心期刊(2008)

中文核心期刊(2004)

中文核心期刊(2000)

期刊榮譽：

聯系方式

期刊簡介

《中國圖象圖形學報》是由中國科學院遙感應用研究所、中國圖象圖形學會、北京應用物理與計算數學研究所共同創辦，是集計算機圖像圖形高科技理論、技術方法與應用研究成果產業化于一體的綜合性學術期刊。《中國圖象圖形學報》是被國內主要檢索系統收錄的核心中文期刊，是圖像圖形學及相關領域的權威性雜志。

篇10

1 計算思維的理念和表達體系

1.1 計算思維的理念

2006年3月，美國卡內基?梅隆大學計算機科學系主任周以真（Jeannette M. Wing）教授在美國計算機權威期刊《Communicat

ions of the ACM》雜志上給出，并定義的計算思維（Computational Thinking）。周教授認為：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計、以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[1]。通俗點來理解，計算思維就是面對任何一個復雜的問題，對它進行求解方法分析、過程設計、最終解決問題的一種思維。

1.2 計算思維的表達體系

計算思維在宏觀層面，揭示了計算機的泛在特性；大自然中的萬物都存在計算屬性，社會、人物之間也存在計算屬性；計算是人工科學，也是自然科學。在微觀層面，它挖掘了計算的內涵特性；整理一個學科的本質特征和核心方法以及原理的歸類、分析。我們通過分類的“核心概念”方法來構建計算思維的表述體系：計算、抽象、自動化、設計、通信、協作、記憶、評估。如圖1所示

2 計算機圖形學教學改革的需求

2.1 計算機圖形學課程教學現狀

計算機圖形學（Computer Graphics，通常簡稱為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[2]。它包含了計算機輔助設計（CAD）、三維建模（3D）以及實物仿真等等內容，范圍涉及面非常廣泛，而現有的教學模式仍然停留在非常守舊的階段。

2.2 計算機圖形學教學改革需求

需求：（1）我們需要構建相對穩定、能夠體現計算機圖形學思想和方法的核心內容。（2）我們需要更加突出思維方法的訓練。

滿足：（1）有限的課時應對教學改革的壓力和不斷更新的技術。（2）更好地詮釋課程建設的目標，更好地體現學科特征。

3 圍繞計算機圖形學教學改革的實施模式

3.1 對計算思維的基礎認識

計算思維強調的是培養計算能力，但它并不是要顛覆原本的課程內容，而是通過對內容的再組織與優化，甚至二次優化，突出核心內容和方法；而在教學方法改革方面強調的是加強思維方法的訓練。

3.2 計算思維如何在課程中被融入

首先要讓廣大教師理解計算思維的理念，并且讓教師能夠體會計算思維的先進性，從而對學生進行分類培養定位。其次過程需要分類分層次的逐步進行，不可一步促成。

3.3 教師在實際課程中如何應用計算思維

在任何課程的學習中，激發學生的學習興趣是最為重要的，因此計算思維運用的第一步就是觸發學生對課程的學習興趣，然后使學生了解相關內容的核心問題和核心解決方法；通過對問題的引入、尋求解決問題的思路、引出問題的解決方法或實現方法、進一步的拓展和思考。其中，選取合適的案例非常重要，案例必須能夠體現本知識點的運用并且全面具體。基本的實施模式有下列三種模式：（1）教學方法驅動：不改變內容，而改變或者改進具體的教學方法。（2）內容整合或重組：對內容進行局部調整，突出其核心和重點，并適當的進行刪減。（3）全面整改：擴大內容面，全面提升，大面積更新。

4 案例分析：浙江東方職業技術學院“3Ds Max三維制作”課程建設

4.1 提出問題

（1）現有教學內容如何組織和梳理。（2）實踐教學如何安排。（3）計算思維核心概念如何滲透和掌握。（4）如何讓學生更好的理解課本知識點。

4.2 核心―教學方法推進（教學方法驅動模式）

（1）針對高職學生的理解力和掌握計算機能力的程度，將內容進行刪減，確定課程內容由基礎+應用組成，而把高級工業設計部分進行刪減。（2）傳統的3D課程模式一般有兩種：一是前半部分課時講解理論知識點，后半部分進行實際操作課安排；二是任務驅動式教學，一講一練的模式；而基于計算思維的教學安排，應該采取發散的思維去安排課程模式。（3）通過課程講解過程中適當的引入計算思維的概念，并按照計算思維的理念去引導學生，讓學生主動自發的去滲透其理念。（4）通過計算思維的引入，合理的利用案例，能夠讓學生更好的理解和掌握知識點。然而教學方法如何推進？新方法又有何優勢？這里將它和傳統的任務驅動式教學方法進行對比（舉例制作雪人模型）。