趙智+陳兵

摘要：本文針對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)學(xué)習(xí)復(fù)雜算法遇到的問(wèn)題，提出將虛擬實(shí)驗(yàn)引入教學(xué)過(guò)程，將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的圖形算法涉及的抽象對(duì)象用虛擬對(duì)象關(guān)聯(lián)，用虛擬場(chǎng)景模擬算法運(yùn)算過(guò)程，把抽象對(duì)象和算法運(yùn)算過(guò)程形象化，實(shí)現(xiàn)抽象對(duì)象和算法運(yùn)算過(guò)程的可視化，使抽象的算法易于理解，達(dá)到提高教學(xué)效果的目的。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；算法；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；虛擬實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）23-0273-02

一、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)的重要性

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（以下簡(jiǎn)稱圖形學(xué)）相關(guān)的理論與方法，越來(lái)越受到關(guān)注與重視。圖形學(xué)是研究與討論用計(jì)算機(jī)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在顯示終端上顯示的學(xué)科[1]。由于圖形所攜帶的信息比純文本方式要豐富多彩，圖形數(shù)字化的應(yīng)用迅速在各領(lǐng)域快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)深入人們工作、生活的各個(gè)領(lǐng)域，從航空航天飛行器以及汽車外形的設(shè)計(jì)、天氣預(yù)報(bào)，到電影電視廣告、游戲制作、可視電話、微信等，都因?yàn)橛?jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的應(yīng)用而精彩。

目前國(guó)內(nèi)高校的計(jì)算機(jī)以及相關(guān)專業(yè)多數(shù)開置了“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程，也是計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的重要課程之一。該課程理論與實(shí)用并重，又是如數(shù)字圖像與模式識(shí)別、3D動(dòng)畫編程等實(shí)用性強(qiáng)的課程的前置課程，因此，學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程充滿好奇與期待。

二、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程特點(diǎn)、教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題及教學(xué)改革

1.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程特點(diǎn)。首先，涉及內(nèi)容廣，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的特點(diǎn)之一。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一門涉及多學(xué)科的綜合性課程，其內(nèi)容包括計(jì)算機(jī)硬件、軟件、空間解析幾何、算法原理、編程等，因此要求學(xué)生具備多方面的知識(shí)。如較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，特別是空間解析幾何、線性代數(shù)、矩陣論等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等方面的知識(shí)。

其次，該課程在理論方面，涉及的原理需要一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)才能較好理解，繁多又抽象的圖形生成算法增加了學(xué)習(xí)的難度。

第三，理論與實(shí)驗(yàn)并重的課程。用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言描述并實(shí)現(xiàn)圖形學(xué)的問(wèn)題的過(guò)程。也就是其內(nèi)容包括計(jì)算機(jī)語(yǔ)言及圖形學(xué)知識(shí)。一般而言，對(duì)圖形學(xué)相關(guān)的基本算法描述的理解是學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)，是一個(gè)從理論到實(shí)踐的認(rèn)識(shí)過(guò)程。

2.存在的問(wèn)題。由于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的特點(diǎn)，在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生普遍反映：都能認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一門重要的、有用的、實(shí)用的課程，對(duì)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程開始時(shí)抱著極大的興趣學(xué)習(xí)，但是，隨著課程的深入學(xué)習(xí)，圖形算法越來(lái)越復(fù)雜，雖然課堂上能聽懂算法的原理與流程，但是課后上機(jī)實(shí)現(xiàn)算法卻感到困難，理論與實(shí)踐不能很好結(jié)合。隨著時(shí)間的推移，不能解決的問(wèn)題的累加，舊的內(nèi)容未理解、問(wèn)題還沒解決，又要忙于學(xué)習(xí)新內(nèi)容，學(xué)習(xí)變成了一種壓力，積極性和自信心受到打擊，學(xué)習(xí)主動(dòng)性逐漸下降，這樣一來(lái)，教學(xué)效果不理想。總之，學(xué)生感到圖形學(xué)的內(nèi)容不易理解、不好學(xué)，理論與實(shí)驗(yàn)總是存在一定的距離。

3.教學(xué)方法的改革。為了解決面對(duì)教學(xué)過(guò)程遇到的問(wèn)題，提高計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量、收到更好的教學(xué)效果，不少計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的老師們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中，嘗試用不同的教學(xué)方法進(jìn)行課堂教學(xué)，收到了很好的教學(xué)效果[2]。

計(jì)算圖形學(xué)的內(nèi)容中，其重點(diǎn)與難點(diǎn)都會(huì)涉及到復(fù)雜算法的內(nèi)容，而這些內(nèi)容對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，是最難理解的，用常規(guī)的教學(xué)方法，其效果相對(duì)較低，因此，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)過(guò)程中，不同的教學(xué)內(nèi)容，應(yīng)選取和采用合適的教學(xué)方法才能收到更好的教學(xué)效果，使教學(xué)方法的效率最大化，實(shí)現(xiàn)教學(xué)方法精準(zhǔn)化。為了在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)實(shí)現(xiàn)教學(xué)方法的精準(zhǔn)應(yīng)用，本文提出：在涉及復(fù)雜算法內(nèi)容教學(xué)過(guò)程中，引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[3]，用三維交互技術(shù)對(duì)復(fù)雜算法的流程及運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行描述，使復(fù)雜算法問(wèn)題具體化、簡(jiǎn)單化，更易于理解，把理論與實(shí)驗(yàn)這兩者這間更好地融會(huì)貫通，更好地抓住學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，把握學(xué)好計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的關(guān)鍵，化解學(xué)習(xí)過(guò)程中的難題。

三、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)改革

1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課堂教學(xué)的必要性和重要性。要實(shí)現(xiàn)與理論與實(shí)踐相結(jié)合，首先要充分理解算法的原理、算法的核心、流程。但是，大部分計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的算法，都以數(shù)學(xué)理論為支撐，要求學(xué)生具備如空間解析幾何、線性代數(shù)、矩陣?yán)碚摷皯?yīng)用等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，換言之，良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，是學(xué)好計(jì)算機(jī)圖學(xué)算法的有利條件。而良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，需要通過(guò)專業(yè)訓(xùn)練。一般情況下，我們面對(duì)的學(xué)生其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)都不是很好，這也是學(xué)生對(duì)算法學(xué)習(xí)感到相對(duì)困難的原因。針對(duì)這種情況，在算法教學(xué)過(guò)程中，利用現(xiàn)代信息技術(shù)替代傳統(tǒng)的粉筆和黑板，引入計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行算法的模擬演示，使算法的描述和實(shí)現(xiàn)的流程形象化、具體化，也就是通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，把抽象的算法轉(zhuǎn)化虛擬環(huán)境進(jìn)行動(dòng)畫演示，讓學(xué)生易于接受與理解，從而激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，讓教學(xué)效果達(dá)到最佳，為學(xué)生課后上機(jī)實(shí)現(xiàn)算法做好充分的準(zhǔn)備，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合。因此，在教學(xué)過(guò)程中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是很有必要的。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課堂教學(xué)的過(guò)程。教學(xué)過(guò)程中，將抽象、無(wú)形的數(shù)學(xué)模型通用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將其具體化、形象化。具體實(shí)現(xiàn)如下：將算法實(shí)現(xiàn)的過(guò)程分解，用虛擬技術(shù)的方法將算法運(yùn)行中的步驟和中間結(jié)果一步一步演示，以課件的形式在課堂演示，讓學(xué)生建立數(shù)學(xué)模型、算法與代碼之的對(duì)應(yīng)關(guān)系，達(dá)到更深刻地理解各種圖形算法的原理及實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

本文選擇Virtools4.0+3Ds MAX作為課件的開發(fā)環(huán)境。3DsMax具有很強(qiáng)的建模功能，由于圖形學(xué)算法實(shí)現(xiàn)流程中的計(jì)算單元（內(nèi)存、函數(shù)等）在對(duì)應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中可用簡(jiǎn)單的幾何體（正方體、園柱體、球體等）表示，在單一的場(chǎng)景中，3DsMax可以實(shí)現(xiàn)快速、高效的建模，此外，Max帶有許多批量建模的工具，如使用鏡像、散布、陣列等工具，可實(shí)現(xiàn)任意多個(gè)精確（幾何體的坐標(biāo)）的建模，完全滿足了圖形學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景建模的需要。Virtools是一款比較成熟具有三維交互式的最后合成軟件，其良好的兼容性突顯其優(yōu)勢(shì)，通過(guò)相應(yīng)的插件直接導(dǎo)入經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換輸出的3DsMax構(gòu)建的虛擬場(chǎng)景及動(dòng)畫（3DsMax中預(yù)設(shè)的動(dòng)畫），Virtools中支持多場(chǎng)景功能，可通過(guò)交互功能實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景間的切換、跳轉(zhuǎn)等，使虛擬實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)力更強(qiáng)、更靈活和多樣，表現(xiàn)出虛擬實(shí)驗(yàn)直觀、交互、多樣性等優(yōu)勢(shì)。

實(shí)現(xiàn)過(guò)程：將圖形學(xué)算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中涉及的內(nèi)存單元、變量以及函數(shù)在虛擬場(chǎng)景中實(shí)體化（在虛擬場(chǎng)景中可用長(zhǎng)方體或球體等表示），構(gòu)成圖形算法實(shí)現(xiàn)的虛擬的場(chǎng)景，在3DsMAX中建好的（單一）場(chǎng)景導(dǎo)入Virtools中，按算法的流程進(jìn)行動(dòng)畫編排。由于Virtools支持多場(chǎng)景功能，可根據(jù)需要，將復(fù)雜的圖形算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程分解為若干個(gè)子算法（過(guò)程），在Virtools中用不同的場(chǎng)景表現(xiàn)不同的相對(duì)獨(dú)立的子算法，即依次在不同場(chǎng)景中編排相應(yīng)的場(chǎng)景動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)子算法，在各場(chǎng)景上設(shè)計(jì)交互界面，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景間的切換和跳轉(zhuǎn)，最后導(dǎo)出生成具有交互功能的三維虛擬實(shí)驗(yàn)課件。

四、結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入有效促進(jìn)了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)的展開，特別計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，如圖形算法的教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)效果明顯提高，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高了學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)，提供了一種新的、解決計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)上的重點(diǎn)與難點(diǎn)的方案與方法，是一種新的嘗試。

參考文獻(xiàn)：

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[2]嚴(yán)圣華.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)研究與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2010，10（13）：114-116.

[3]趙沁平.虛擬現(xiàn)實(shí)綜述[J].中國(guó)科學(xué)（F輯：信息科學(xué)），2009，39（1）：2-4.

Virtual Experiment Teaching Exploration of Computer Graphics Curriculum

ZHAO Zhi，CHEN Bing

（Shool of Nathematics and Information Science，Guangxi College of Education，Nanning，Guangxi 530023，China）

Abstract：In respect of the questions arising from learning complex algorithms of computer graphics，virtual experiment is proposed to be introduced into the teaching process，and the abstract objects related with primitive algorithms of computer algorithms are correlated with virtual objects and the calculation process of algorithms is simulated in virtual scene，to visualize the abstract objects and the calculation process of algorithms，thereby achieving the visualization of the abstract objects and the calculation process of algorithms and making the abstract algorithms more understandable，so to achieve the target of improving teaching effect.

Key words：computer graphics；algorithm；virtual reality technology；virtual experiment