计算机图形学相关技术范文

导语：如何才能写好一篇计算机图形学相关技术，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：计算机图形学；计算机视觉；可视化技术

中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）01-0054-02

计算机图形学、计算机视觉以及可视化技术三者均是计算机领域重要组成部分，要做好计算机知识，就要先学好计算机图形学，但计算机图形学学习相对枯燥，尤其是算法教学难以理解，为解决这一问题，计算机视觉与可视化技术被应用到计算机图形学中。可见，三者之间存在一定的联系，因此，有必要对计算机图形学、计算机视觉以及可视化技术展开研究。

1 计算机图形学概述

1.1 计算机图形学目的

所谓的计算机图形学实际上就是怎样利用计算机表示图形，并利用计算机完成图形计算与处理，而这一过程的实现需要得到相关算法的支持。学习计算机图形学的目的是利用计算机技术为人们呈现既带有美感又不缺真实的图形（如下图1所示），为实现这一目标，就需要按照图形的要求创设合适的场景，并在一些光照模型的作用下，做好光照效果设计，在这一过程中需要计算机图形学能够与其他计算机技术相配合。经过计算机图形学出来的图像，多会以数字图像的方式展示出来，总的来说，计算机图形学与图像处理之间存在着一定的联系[1]。计算机图形学的涉及范围相对宽泛，不仅有图形硬件设计，还包括动画制作，虚拟现实等多个部分。此外，计算机图形学在动画制作中的应用频率也很高，如45分钟一集的动画影片中，85%的画面都需要用算机图形学来完成，由此可见，计算机图形学的应用频率极高，并在动画制作中发挥着不可替代的作用。因此，应重视计算机图形学的应用。

1.2 计算机图形学应用

随着计算机图形学的发展，它被应用到各个领域中，并发挥着重要作用。首先，在计算机辅助设计与制造中的应用，这是计算机图形学应用最多的领域，在计算机图形学被应用以后，不仅可以设计出更精准的图形，还能做好人机交互设计，强化修改能力。计算机图形学还被应用到三维形体重建中，利用该技术可以将原理的二维信息转化为三维信息，如在某次工程图纸设计中就应用了计算机图形学，经过一系列的处理以后，三维形体逐渐形成，最终实现了重建。其次，在医学领域中的应用。计算机图形学在医学领域中的应用多以计算可视化的形式展示出来，如在脑部手术中，医生为看清患处真实情况，经常需要利用在可视化技术的作用下将复杂的数据转化为图像，这时就体现了计算机图形学在其中的应用[2]。再者，在计算机动画中的应用，人们看到的动画影片就是计算机图形学作用的结果，以动画人物的行走为例，为保证动画人物的行走与自然人不存在过大差异，就需要应用大量的计算机技术，并在计算机图形学的作用下完成设计。最后，在计算机艺术中的应用。计算机图形学在计算机艺术中也有广泛应用，它不仅可以用于艺术制作，很多场景都是通过计算机图形学来完成的，现阶段，一些人正在利用计算机图形学创设人体模拟系统，其目的是让已故人士再次出现在荧屏上，这一目标的实现就需要得到计算机图形学的支持。

2 计算机视觉技术

2.1 计算机视觉技术含义

所谓的计算机视觉技术，实际上就是用计算机取代人眼做识别、跟踪以及测量等，同时也兼顾图形处理，其目的是让图像在计算机被处理以后更适于识别。对于计算机视觉技术来说，意在实现人工智能，主要是从图像与多维数据等方面实现人工智能系统设计[3]。计算机视觉是一种在相关理论与模型基础上发展起来的视觉系统，其主要构成部分有以下几种：

（1）程序控制，这一点主要体现在机器人设计上；（2）事件检测，多体现在图像监测上；（3）信息组织，主要体现在图像数据库等方面。计算机视觉三个阶段如图2所示，通过观察图1可以发现，计算机视觉存在于图像处理始终，从早期处理直到后期结束都存在，最终实现了3D描述，可见，计算机视觉具有十分重要的作用[4]。

2.2 计算机视觉技术的应用

现阶段，现代社会已经进入信息化时代，计算机技术也被应用到各个领域，并发挥着重要作用。计算机视觉的应用促使计算机实现了智能化，在该技术的支持下，计算机可以像人一样透过视觉看待世界万物，且具有良好的适应能力，但这一目标的实现还需要很长时间，需要一系列的努力才能实现。现阶段，计算机视觉应用最多的就是车辆视觉导航，然而，这种导航还没有实现完全自主导航，这也是需要进一步研究的地方。计算机视觉技术的适应性较好，特别适合在工业领域应用，即便是存在电子在干扰或温度变化较大的地方都能很好的运行，其整体效果也不会受到影响，再者，计算机视觉技术的嵌入性较好，成本相对较低，尤其适合在PC方案中使用，同时，具有一定的非接触能力，能够获取大量信息，且不受距离限制，总的来说，计算机视觉技术总体效果较好，适合利用在各种工业环境中应用，因此，应重视计算机视觉技术的应用[5]。同时计算机视觉还被应用到移动机器人设计中，主要是利用小波模板展示人体形态，然后做图像扫描，这样就可以顺利完成小波变换，进而了解到人的存在。同样，将计算机视觉应用到机器人设计上，可以自动检测出正在行动的人或车辆，而无法检测到静止的人，之所以会出现这样情况，主要是由于其中采用率步态分析法。

3 可视化技术

3.1 可视化技术含义

可视化技术是一种综合了计算机图形学与图像处理于一体的技术，它可以将复杂的数据转化为图像并在屏幕上展示出来。在可视化技术中，融合了以上两种技术的特点，并在多个领域都有应用，随着可视化技术的应用，不仅有效实现了数据表示，还强化了数据处理能力，更对数据决策分析有一定作用[6]。现阶段，虚拟现实技术已经成为可视化技术主要发展方向。

3.2 可视化技术的应用

首先，在计算机图形学教学中的应用，计算机图形学相对枯燥，相关知识也很抽象，不便于学生理解，在计算机图形学中最重要的部分是曲线曲面，而这些曲线曲面多是与数学模型有关，具有一定的抽象性，学生理解难度较大，以往教师只能通过一系列的公式演算帮助学生理解，尽管这样依然难以让学生掌握曲线变化情况，学生依旧无法正确理解。为减少这种情况的发生，可视化技术被应用到计算机图形学教学中，教师将抽象的知识用动画的形式展示出来，学生只要观看动画，拖动一定的控制点就可以了解到曲线变化情况，这样一来不仅增加了教学趣味性，学生也可以随意变动曲线，让复杂的知识变得简单，深化学生对计算机图形学知识的深度理解，同时，利用可视化技术在一定条件下，还可以完成代码编译，如在Actoin ScriPt中做编译，这样也可以增强学生的理解能力[7]。

其次，在医学领域中的应用。医学领域对于可视化技术的应用主要体现在放射治疗与矫正手术上。通过可视化技术可以屏幕上看到手术整个过程，并将原来细节部位放大，手术医生观察的更加细致，手术成功几率也会大幅度提升，患者生命也能得到保证（如图3所示）。如在对某名患者进行身体检查的过程中需要应用到可视化技术，由于通过检查会获得大量数据，而这些数据又相对复杂，但在可视化技术下就可以通过图表、曲线图或立柱图的方式展示出来，经过可视化技术的作用，了解到患者的血糖为5.6mmol/L，医生可以根这一数据做出诊断，而不必再分析这些数据。据不完全统计，80%的医疗检查工作都是需要利用可视化技术。

地质勘探是我国最重要的工作之一，由于多数矿藏都深埋地下，即便使用探测仪受多种因素影响也无法了解到实际矿藏情况，这就需要应用到可视化技术，在可视化技术的作用下，相关工作人员可以了解到地下有无矿藏，如果存在矿藏，相关工作人员也可以了解到矿藏所在位置与实际储备量，进而为矿藏开采奠定基础。如在地质勘探中，相关工作人员利用可视化技术做地形图整理，然后从中提取地形数据，再用CATIA做导入，这样就可以完成地形模型创建，这样就完成了三维地质模型创建工作，同时在相关工作台的影响下，还可以完成地形数据导入，进而生成一定的地形云点，如果其中存在错误，可视化技术也可以将其中的错误内容删除，这些都是可视化技术所带来的好处[8]。由此可见，可视化技术已经成为地质勘探中不缺少的技术。

最后，在气象预报中的应用（如图4所示）。利用可视化技术能够将数据转化为图像，通过观察图像就可以了解到云层变化情况，同时也能了解到实际风力大小与风走向等，气象预报人员就可以根据图像做出精准分析，需要了解气象变化的人也能了解到现实情况，如果气象条件恶劣，相关工作人员也可以及时做出工作调整，减少危险事件的发生。据不完全统计，可视化技术在气象预报中的应用频率高达100%，由此挽回的经济损失高达13.2亿元，可见，可视化技术在气象预报中的应用十分有必要，因此，应重视可视化技术在气象预报中的应用。

4 结语

通过以上研究得知，计算机图形学、计算机视觉以及可视化技术三者各具特色，三者间也存在一定的关系，尤其是可视化技术综合了前两者的特点，并融合了其他技术，在很多领域中都有应用。可视化技术是现阶段应用最多的一种技术，在计算机图形学教学中也有应用，并发挥着不可替代的作用。本文分析了计算机图形学、计算机视觉以及可视化技术的含义与应用，希望能为相关人士带来有效参考，正确利用这些技术。

参考文献：

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[3]滑瑞朋.计算机图形学的应用及研究[J].山西科技，2012（05）：37-38+45.

[4]刘涛，仲晓春，孙成明，郭文善，陈瑛瑛，孙娟.基于计算机视觉的水稻叶部病害识别研究[J].中国农业科学，2014（04）：664-674.

[5]关然，徐向民，罗雅愉，苗捷，裘索.基于计算机视觉的手势检测识别技术[J].计算机应用与软件，2013（01）：155-159+164.

[6]许志杰，王晶，刘颖，范九伦.计算机视觉核心技术现状与展望[J].西安邮电学院学报，2012（06）：1-8.

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伴随计算机技术和相关图形图像理论的的发展产生了计算机图形学与图形图像处理技术，其在各个行业应用越来越广泛。本文阐述了计算机图形学、计算机图形图像处理技术及计算机图形学与图形图像处理技术的应用。

【关键词】计算机图形学 图形图像处理技术 应用

利用计算机对图像处理从20世纪50年代开始，是伴随着电子计算机的发展而产生的，当时人们尝试利用计算机对图形和图像信息进行处理。计算机图形学作为一门学科大约形成于20世纪60年代初期。进入新世纪，在计算机技术的进一步发展和图形图像处理技术相关理论的不断完善， 计算机图形学与图形图像处理技术在许多应用领域受到广泛重视并取得了重大的开拓性成就，该技术成为一门引人注目、前景远大的新型学科。

1 计算机图形学

计算机图形学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。计算机图形学研究的主要内容包括在计算机中通过什么技术或手段进行图形的计算，图形的处理最终现显示图形，因此可以用于图形硬件、实物造型、虚拟现实等。计算机图形学主要用于完成真实感的图形，那么就要求建立图形描述的场景的几何表示。在设计图形的过程中，需要借助光照模型，通过对光照强度、材质属性的合理想像形成良好的图形设计效果。所以计算机图形学与计算机辅助几何设计有着密切的关系。计算机设计的图形需要对图形再进行处理，因此只有计算机图形学和计算机图形图象处理技术紧密结合才能产生良好的效果。

2 计算机图形图像处理技术

计算机的图形图像完善技术手段主要通过一定的概念和几何方式，运用计算机软件完成相关操作的步骤，由图形编制的二维技术和三维技术来实现。图形图像处理需要借助一定的图形处理系统，比如计算机硬件设备像鼠标、键盘、图形处理器等，还需要图形图像软件系统如CAD系统等。通过计算机图形处理的硬件和软件系统能实现对图像的几何形变，把图像变成不同的形态；把图形进行数字化处理并进行图像的分割和复原等；对光线的明暗处理形成不同的光源效果；对色彩的处理能形成不同的色彩视觉效果。利用计算机图形图像处理技术通过上述操作能在计算机辅助教育CAI、计算机艺术设计、计算机动画和虚拟现实等领域发挥重要作用。

3 计算机图形学与图形图像处理技术的与应用

计算机图形学与图形图像处理技术由于技术先进在社会各个领域的应用和发挥的作用越来越大，本文从计算机辅助设计与制造――工业领域、计算机动画――商业领域、计算机艺术――艺术领域、科学计算的可视化、在多媒体方面的应用这五个方面探讨其应用。

3.1 计算机辅助设计与制造――工业领域

CAD/CAM是CG在工业界最广泛、最活跃的应用领域。可用机、汽车、船舶、机电、轻工、服装的外形设计；集成电路、印刷电路板的设计；建筑设计；基于工程图纸的三维形体重建 。比如在飞机制造工业中，法国空客飞机公司已经率先采用有关的CAD系统对空客飞机A300大型运输客机的整体进行设计和模拟，具体包括飞机外型设计、内部各部位的组合和安装，节省了大量时间并且使其设计制造成本下降30%以上 。

3.2 计算机动画――商业领域

可用于广告设计、电脑游戏、卡通动画片、影视特技。比如通过计算机图形图像处理技术将书法艺术应用到现代设计中的作品随处可见，例如，黄玉老艺术家为酒鬼酒做的设计包装，其字体行云流水，让人琢磨不定，甚是诡异，配合棕色的坛子和一个醉鬼，是传统书法艺术和现代设计的典范，彰显了酒鬼酒的神韵，使宣传效果深入人心。比如计算机动画技术还被广泛用于电影电视中的特技镜头的制作，产生以假乱真而又惊险的特技效果，如模拟大楼被炸、桥梁坍塌等。

3.3 计算机艺术――艺术领域

计算机艺术是科学与艺术相结合的一门新兴的交叉学科，是计算机应用的一个崭新、富有时代气息的领域。计算机艺术是以计算机为工具，可以完成多种艺术品的制作和设计，如绘画（平面图形）、雕塑（立体图形）、音乐、平面构成、空间结构，还有体操舞蹈设计等等。其中，美术作品占比重最大因此，计算机艺术由主要指计算机美术。比如计算机绘画（Computer Painting）主要指人们利用鼠标或数字压感光笔直接在屏幕或数字化板上进行的绘画。软件包括：Corel Painter 或 Adobe Photoshop 等。该类绘画最接近于传统绘画，其画风细腻、形象生动自然。但画幅一般较小，要求绘画者有较高的美术功底。优势为：易于修改、效果丰富、成本较低、但对于电脑设备要求较高。

3.4 科学计算的可视化

科学计算的可视化是运用计算机图形学或者利用图形学处理的原理和方法，将科学计算的结果中含有的大规模复杂数据转换为可视化的图形或图象，能帮助人们以直观形象的形式显示出来。它涉及多个研究领域，已成为当前计算机图形学研究的重要方向。可应用于气象预报、环境保护、分子生物学等许多领域。比如通过对天空的气象数据通过搜集、分析、整理形成可视化的卫星云图，帮助人们进行科学的天气预报。

3.5 在多媒体方面的应用

在多媒体方面的应用是指在计算机控制下，对多种媒体信息进行生成、操作、表现、存储、通信、或集成的信息系统。计算机图形图像处理技术通过对多媒体信息如图形、图像、语音、视频等的处理能增加多媒体的图形信息的多样性和操作的交互性、系统的集成性。

参考文献

[1]何援军.计算机图形学[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]田蓉.关于计算机图形图像处理课程教学方法的点滴思考[J].成才之路，2011（32）：77-77.

[3]王朝晖.项目教学法在《计算机图形图像处理》中的应用[J].电脑知识与技术，2010，06（35）.

[4]罗俊松，唐云.计算机图形与图像处理[J].制造业自动化，2010，32（11）.

[5]吕风军.数字图像处理编程入门[M].北京：清华大学出版社，2011.

作者简介

罗春平（1970-），男，广东省梅州市人，大学本科学历。研究方向为计算机多媒体技术。

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【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

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[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.

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[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.

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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

[1] 王艳春，张金政，李绍静.计算机图形学课程教学思考[J].计算机教育，2011（14）：63-66

[2] 孔令德，刘晋钢.应用型工科院校计算机图形学教学模式改革[J].计算机教育，2011（18）：20-22

[3] Francis S Hill，Jr，Sstephen mkelly，著.计算机图形学（OpenGL版）[M].3版，胡事民，刘利刚，刘永进，等，译.北京：清华大学出版社，2009.

篇5

关键词 计算机技术 计算机图形 图新图像技术

中图分类号：TP3 文献标识码：A

据了解，从上世纪开始，计算机图形技术就已经和图形图像有了一定的结合，只是在当时的社会条件下仍不够成熟，但经过日后的继续发展和改进，计算机图形和图形图像技术的结合得到了很好的发展，截止到目前，该技术已经成为计算机现代化应用的主要手段。只是对于该技术在未来的发展方向，专家们仍然是各执一词，但不可否认的是，通过对计算机图形和图形图像技术的发展空间和应用领域进行总结概括和分析，加强对该技术的深刻了解具有非常重要的意义。

1计算机图形学的基本概念

计算机图形学是通过计算机来处理图像、修改图片并完成存储的一系列过程的学科，而计算机图形图像处理技术是指把通过概念或者数字来表达出事物的几何图形或者几何数据，运用计算机来显示、修改直到完成的过程，由此便可发现计算机图形学与图形图像处理技术是必定要组合一起的，只有相互结合才能完成图像制作。

总的说来，计算机图形学研究的范围非常广泛，包括了图形标准、实物造型、计算机动画、图形硬件等等。计算机图形学主要是通过计算机来研究这些图形的学科，通过计算机来表达真实的图形。但是要表达出这些真实的图形需要借助图形描述的场景的几何表示，所以计算机图形学与计算机几何设计有着非常密切的关系，但是真实感图形计算是以数字图像的形式呈现出来的，所以计算图形学与图形图像有着不可分割的关系。

2计算机图形学的应用

计算机图形学的发展历程具有非常悠久的历史，该学科的研究开始于麻省理工，通过该校对计算机图形学的研究，确立了该学科在计算机技术中的一席之地。随着时间的推移，该技术在世界经济中的各个领域都有了很好的发展。据了解，通过计算机图形学理论和技术的不断创新，在未来其应用前景也将更加广阔。

例如：计算机图形化的用户接口应用，一个优秀的图形化用户界面可以大大提高软件的实用性，随着某公司图形界面操作系统的提出，这一切都标志着图形学渗透进了计算机的各个领域。再者更具代表性的图形应用领域就是计算机动画和艺术设计，因为动画和艺术设计在中国运行时间已久，为该技术生产的软件不在少数，但是能像二维平面的应用程序和三维动画建模的软件仍然是屈指可数，由此可见，计算机图形学在中国的各大领域发挥着无可替代的作用。

3计算机图形图像处理技术和计算机图形技术的应用

3.1二者之间的相互作用

在计算机的技术领域里，计算机图形图像处理技术是专家学者研究和开发的重点内容，但值得一提的是，要学计算机图形图像处理技术必须依附于计算机图形系统。计算机图形的完成和处理必须要依靠计算机图形系统的帮助，一般来说，它是由计算机的硬件设备和计算机图形图像软件所组成，计算机的图形硬件主要包括图像处理器、图形输入和输出设备以及存储设备。而图像处理器是整个计算机系统中最重要的一部分，它是连接显示器和计算机内部的重要纽带，通过该处理器可以大大减少计算机cpu的工作量，同时也能减少大量图形的数据运算时间。可以说，通过二者的结合，计算机所制作出来的图形在视觉上会更加的完美，质量上也会更有保证。随着科技的进步，这两者之间的关系变得越来越密切，而且二者的完美配合几乎可以变成一个整体来发挥效用。

3.2计算机图形和计算机图形图像处理技术的应用领域

在工业生产中，计算机的应用可谓是最广泛的，其中计算机辅助设计是这些计算机技术中最为活跃的计算机图形图像处理技术，计算机的图形操作被广泛运用到这些技术领域里，比如说在汽车行业、土木工程技术领域、数控车床、建筑设计和室内设计等，通过计算机辅助设计将会大大减少人工设计的时间，提高工作效率。另外，在部分的网络分析上也运用了该项技术，该技术是在国内工程建筑图纸上常见的设计软件。

除了计算机辅助设计软件，可视化软件、土地的地形地貌图、计算机辅助制造软件等都是通过该项技术设计出来的高科技技术产品，通过这些产品的投入使用，不仅给人们的日常生活和工作带来了便利，更是推动了计算机技术的发展脚步，为世界技术经济的发展起到了不可忽视的作用。

4结束语

计算机图形和计算机图像图像技术的相互结合是计算机技术史上一个非常经典的里程碑，是计算机技术的重要进步和发展。随着图形图像技术的发展，计算机图形技术为人们创作出了很多丰富多彩的视觉景象；随着图形图像技术的发展，人们的生活环境越来越好，工作越来越便利；随着图形图像技术的发展，在不久的将来，世界将是另一番美好景象。

参考文献

[1] 陈敏雅，金旭东.浅谈计算机图形学与图形图像处理技术[J].长春理工大学学报，2011，01：138-139-146.

篇6

关键词：计算机图形学；研究型教学；算法

计算机图形学是研究如何利用计算机来显示、生成和处理图形的原理、方法和技术的一门学科，在计算机辅助设计制造、科学计算可视化、地理信息系统、虚拟农业等领域有着非常广泛的应用，是计算机、地理信息系统、电子工程、机械设计等本科专业一门重要的专业基础课，也是许多后续课程(图像处理、模式识别、多媒体技术、虚拟现实、计算机视觉等)的基础课程，在教学计划中占有重要地位和作用。

培养学生的创新和实践能力是研究型大学教育改革目标的核心。通过该课程的学习，不仅使学生能系统地获得计算机图形学的基本知识、必要的基础理论和常用的图形生成算法，同时能提高学生的综合素质，使学生具备一定的研究和创新能力。另外，随着近几年信息技术在农业领域的广泛应用，在农业遥感、地理信息系统、农作物模拟和仿真中涉及大量的计算机图形算法和技术。因此在这门课的讲授内容上增加了一些和遥感、地理信息系统、虚拟农业技术相关的图形基础和算法，并结合教师的研究成果和科研工作的进展，及时将其增加到教学内容中，使这门课程逐渐形成有农业特色的专业基础课。

课程改革决不仅仅是教学内容的更新，更为重要的是学习方式、思维方式转换以及新教育技术的应用。这需要我们从“知识型教学”转换成为“研究型教学”，即以知识为载体，传授本学科的方法论，注重学科发展，提升教学中学生思维能力、交流沟通能力等持久性综合能力的培养。

1研究型教学的实施方案

研究型教学是以提高学生的综合素质和创新研究能力为目标的。为了达到这个目标，我们从跟踪学科前沿能力、发现问题能力、理论联系实际能力、文献阅读能力等以下7个方面来综合培养学生的能力[1]，如图1所示。

围绕这几方面的能力，具体做法是强化基础、突出实践、重在素质、面向创新。我们主要在以下几个方面展开了创新性的教学改革研究。

1.1像计算机工程师那样去思考和解决问题

本课程教学理念为：“以应用为背景、以理论为主线、以算法为核心、以合理先进的教学方法为手段、以提高学习兴趣和创新能力的培养为目标”。

学完这门课程，学生应掌握两个技能并达到一个目标，两个技能是：1)学生能编写小规模的图形程序(这里的小并不是贬义，只是代表你有能力做事的规模而已)；2)掌握的第二个技能是有能力来理解别人编写的程序。因此要能写、能读程序。

最终的目的是开启学生从其他领域中提炼概述，并研究出如何将其转入计算机图形领域的能力。通过图形学算法的提出背景以及发现、发展和完善过程的讲解，对学生的思维进行训练，提高学生面向问题的求解能力，培养学生的科研素质。

在教材的选取上，不局限于一本教材[2-4]，而是选用国内较有影响的几本教材作为参考书。注重基本原理和概念的讲解。因为图形技术的发展日新月异，新的技术和算法层出不穷，学生学习的技术几年后可能会过时，但基本的原理和概念是长期不变的。

1.2突出讲授图形算法中蕴含的思想

计算机图形学课程的主要内容就是讲授图形生成、显示、处理的算法。那么，一个普通、常规的图形算法是如何通过改进和完善变成一个优秀算法的？

算法分析是一种理论研究，是关于计算机程序性能和资源利用的研究，重点是性能。我们是在学习如何计算机程序运行的更快。算法还涉及到其它资源，但我们的关注点主要还是在性能上。

例如，直线生成算法是计算机图形学较底层的一个算法。该算法的性能严重决定着图形生成的效率。因为当完成一个动画算法或真实感图形算法时，直线算法可能被几十万、上百万次地反复调用，因此这种算法要求效率要高。在加、减、乘除、开方、三角函数等运算中，加法是最快的运算，其中整数加法又快于浮点加法。因此像画直线这种底层算法，能够减少一个乘法都是一个了不起的事情。

从讲授通过直线方程的画线算法到数值微分(DDA)算法、再到中点画线算法，最后到Bresenham算法。一步步给学生展示了一个开始需要一个乘法和一个加法的普通直线算法，是如何通过改进和完善其性能，把乘法演变一个浮点运算加法，又把浮点加法变成整数加法的一个精彩过程。计算机科学问题的核心就是算法。

学术大师们在提出、改进和完善算法的过程中所体现出来的一些闪光的思想正是我们所要深刻认识和领会的。什么是创新？这些闪光的思想就是真正的创新！

在讲授其他一些图形算法如多边形的扫描转换和区域填充、裁剪算法、消隐算法等时，并不强调学生掌握和实现算法的具体细节，更重要的是阐述这些算法所蕴涵的一些创新思想，像增量思想、编码思想、图形连贯性思想、分而治之思想等。这些思想不仅用在图形学算法中，而且还用在了数据挖掘、人工智能等领域。

1.3算法讲解与程序演示相结合

计算机图形学课程具有很强的实践性，上机编程实验是其重要环节，基本目标是将学生的计算机操作能力、分析能力、设计能力与编程实践结合起来，引导学生由浅入深地掌握计算机图形学基本理论和算法。

为了让枯燥的算法讲解变得生动起来，作者在教学手段上充分发挥图形学自身特点，将许多算法的原理用Flash做成动画片嵌入到教学幻灯片中，采用生动形象的动画算法讲解，使学生对抽象的图形学算法不仅有一个直观的了解，而且还调节了课堂气氛。许多同学在看过演示之后，不仅对算法有了更为深入的了解，还纷纷跃跃欲试，想要做出更好的程序来，这极大地激发了学生自己动手编程实践的欲望。这些课件对于提高学习兴趣、增强算法的理解性具有很大的作用。

我们安排了8～10个上机编程实验，内容包括画直线圆弧算法、区域填充算法、编码裁剪和梁友栋裁剪算法、二维、三维变换算法、透视变换算法、Bezier曲线算法、B样条算法和简单光照模型的实现。学生通过这些算法的编程实现并改进一些重要算法， 既可以增强对算法本身的理解，也可感受编程的乐趣。

2教学与科研相结合

2.1教师科研与教学相结合

科研是提高课程教学质量的源动力。将科研成果引入教学，一方面丰富了教学内容，提高了学生的学习兴趣；另一方面，也培养了学生的科研创新能力。

我们主持和参与的国家科技基础条件平台中国数字科技馆项目“虚拟农场体验区”、科技支撑项目 “面向农民科技培训的人机交互式三维可视化平台研究”、虚拟农场等课题中都使用到了图形算法和技术，通过课题引导学生将图形学中的各类知识集成到引擎中，面向二次开发和快速开发，大大提高了学生对图形学技术的理解和实践动手能力。

2.2教学与专业文献阅读相结合

一门学科的内容终归是不可能全部在课堂上讲授完的，以“授人以渔”为己任的教师也没有必要这样做。在网络时代没有绝对的老师，所有老师必须成为学生。同样，在网络时代也没有绝对的学生，所有的学生必须学会做自己的老师。

为了培养学生研究创新的能力，除了把教师自己的科研成果介绍给学生，更重要的是培养学生跟踪学科前沿的文献检索、文献阅读与文献综述能力。

基于期刊的影响力和SCI影响因子等标准，我们选择国内外一流期刊20余种，国内期刊如《计算机辅助设计与图形学学报》、《地理学报》、《计算机图形图像学报》等；国外期刊如《Computer Graphics》、《IEEE Computer Graphics and Application》、《International Journal of Geographical Information Science》等。相对来说，这些权威的期刊发表的文章基本上都是高质量的文章。除了从这些期刊里选出一些和计算机图形学算法有关的高质量文献以外，还搜集一些有关计算机图形经典算法的经典文献，主要是一些具有里程碑式的文献！这些经典的文献犹如文学界的世界名著，长久不衰，他们的贡献直到今天都无可忽略！最新文献犹如现代流行小说，要与时俱进，了解计算机图形学领域的一些最新进展。

要求每个学生在这门课程的学习期间，能够阅读至少2～3篇中文文献和1～2篇英文文献(既阅读世界名著，也要浏览现代流行小说)。这样既提高了学生的英语阅读能力，了解该领域的热点和前沿进展，又使得学生能领会大师们的研究思路、逻辑推论和技术方法。

通过两届学生的实验，教学取得了良好的效果。尽管他们只是大二的学生，但已经有几位学生对教科书上的一些经典算法在性能上做了进一步的改进，提高了算法的效率，撰写的几篇学术论文被国内外学术会议录用。

3结语

在研究型课程教学中，教师的作用发生了变化：教师不再是“讲台上的圣人”，而更多地起“场外教练”的作用[5]；他们不仅仅传授知识，而是遵循认知规律，以学生为中心，设计教学过程、提供教学资源、提供学习建议，对整个学习过程进行控制，包括在关键环节上对学生进行启发、激励、引导和指导。教师的战略目标都是为了帮助学生们能像一个计算机科学家一样去思考。换句话说，希望赋予学生一种能力，让学生可以用计算机做他想做的任何事。

参考文献：

[1] 苏小红,李东,唐好选. 面向能力培养的计算机图形学课程教学方法[J]. 计算机教育,2010(3):47-51.

[2] 孙家广,胡事民. 计算机图形学基础教程[M]. 北京:清华大学出版社,2009.

[3] 陈传波,陆枫. 计算机图形学基础[M]. 北京:电子工业出版社,2008.

[4] 孙正兴. 计算机图形学教程[M]. 北京:机械工业出版社,2006.

[5] 高虹. 从美国理工科本科教学改革看研究型教学[J]. 物理与工程,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

关键词：分形几何；计算机图形学

中图分类号：TP391.41

分形几何学从70年代创立以来，在近代科学技术的发展中，已越来越为人们所重视。传统几何学的研究对象是整数维数，比如一维、二维平面内的点线等，而分形几何学则研究的是分数维数，它的研究对象一般是那些不规则形状的。分形几何学与动力系统中的混沌理论结合在一起，在众多领域的应用取得很大的成功。很多学科领域都开始对分形理论展开研究，取得理论突破的同时，也能够应用到具体的学科当中去。物理学中，可以用分形理论来研究基本粒子；生物学中，可以对蛋白质进行研究；地质学中，借助分形可以提高地震预报水平；信息科学中，可以研究通信中噪声的结构和模式以及语音识别；经济学中，可以对商品价格浮动的规律加以研究；此外分形理论还可以用于教育学、管理学等更多领域。

目前，在传统几何学的基础上，计算机图形学发展比较迅速，能够对一些规则图形进行比较好的绘制。但是随着对计算机图形学相关要求的不断提高以及自然景物模拟的迅速发展，传统图形学已经不能取得很好的效果，当面对自然景物中的非规整形状，传统图形学显得束手无策。而在计算机图形学中引入分形几何学，就能够对那些不规则的图形进行适当的处理和绘制。通过分形几何，可以从大量的数据中，按照一定的方法选取合适的少量数据，就可以生产复杂的自然景物，绘制的效果比较逼真。通过分形几何和计算机图形学的结合，能够逼真的描述海岸线、地形图等自然风景。下面先对分形几何的理论基础进行介绍，再讨论一下分形几何在计算机图形学中的一些应用。

1 分形几何理论基础

分形几何之所以能够结合计算机图形学实现对不规则事物进行逼真描述，是因为分形几何所具有的一些特征。分形事物的组成部分与整体存在某种方式相似，比如自相似和自仿射.自相似就是事物的局部与整体相似，通过适当的放大尺寸，任何一个小的局部都可以与整体重合；自仿射则更加复杂、更加一般，自仿射事物的局部事物通过在各个方向的不同伸缩比可以得到整体事物。自相似和自仿射的性质使得分形几何结合计算机图形学可以逼真的描述大自然景物，两者两比，自仿射分形更为复杂，但更接近现实，研究意义更加重要。

分形有效的解决了局部与整体的关系问题，借助空间结构的对称性、自相似性以及自仿射性，可以得到比较逼真的图形模型，整个生成的景物丰富多彩，细致逼真，具有独特的艺术魅力。所生成的景物可以是结构性强的山峰，也可以是结构性弱的云烟。这其中的关键是要选择一个合适的模型来进行描述。根据分形造型模型的不同，可以分为四种分形图形的方法：基于L-系统的分形图形；迭代函数系统IFS方法；粒子系统模型方法；随机插值法。下面主要介绍常用的两种方法：基于L-系统的分形和迭代函数系统的分形方法。

2 基于L-系统的分形图形

L-系统方法是将L-系统和计算机图形学进行有效的结合，能够有效的模拟自然界的景物，其中的L-系统是用形式语言对植物形态进行描述的拓扑结构。

在L-系统方法中，比较重要的是并行重写系统，它可以不断的进行迭代以达到最终需要的结果。在重写规则确定后，可以从一个初始图形进行迭代嵌套，最终生成图形。L-系统方法的生成过程需要大量的时间，但是相关的公式比较简单。

L-系统方法中进行迭代时，经过一两次的迭代后，图形的样子还比较简单，图形的特征还不够明显，但是随着迭代次数的不断增加，图形的特征越来越明显，从而可以得到清晰逼真的图形。所以我们制作分形数时，可以根据L-系统方法进行不断的迭代，从而得到完美的树形。

除了L-系统的分支结构类型外，还有参数L-系统、随机L-系统等类型，这些方法的基本思想是一样的，只是他们的绘图技巧不一样，绘图使用更灵活，得到的图形也就越逼真。

3 分形几何的应用

分形图形所依据的函数是混沌的，所以当相应的参数发生微小的变化时，便会得到不同的结果。当选取合适的参数时，能够使图形颜色的设置更加合理，得到的图形更加逼真。借助计算机，我们可以清楚的看到这种变化的过程，可以了解到图中许多重复出现的地方，具有无限嵌套的精细内容，分形之美得到了充分体现。分形几何在计算机图形学中的应用，不但充分展现了分形几何所具有的优势，而且促进了计算机图形学的进一步发展。

分形几何中的递归迭代可以得到精美的分形图案，根据变换的不同，可以得到不同的分形图案。当在三维空间定义变换时，还能够得到三维立体图形。虽然迭代函数参数的分布比较复杂，但是分形的计算机生产方法有很多种，都能够找到控制形状的参数，从而实现参数化。分形几何在计算机图形学中的应用，不仅仅给研究数学的学者指出了一条启发道路，而且应用得到的精美图形可以供人欣赏，还能用于图案设计等。

根据分形布朗运动，可以在计算机图形中产生逼真的海岸线。在对平面地图的海岸线进行绘制时，想要得到很逼真的效果，则需要采取大量的数据点，这样不仅仅浪费计算机的内存，而且整个收集绘制的工程量也非常大。根据分形布朗运动扰动的方法，只需要少量的数据点便能够达到逼真的效果。同理，可以产生逼真的三维地形图以及粗糙表面的纹理，不同的是需要在三维空间上进行模拟。

分形图形之所以能够得到大家的认可，是因为分形图形的内涵比较深刻、图形层次丰富，体现了混沌和有序之美，而且这是需要借助计算机图形学才能够得到，任何再高明的画家也不能做到。但是一般的设计人员并不是很熟悉分形的相关理论，所以将计算机分形图形进行进一步的推广还具有一定的难度，需要采取有效的简化措施。

为此，可以将分形图形计算机生成实现参数化设计，只要改变少量的参数便能够得到不同的相似图形。参数化技术可以使设计人员跳过复杂的数学理论、计算机算法和编程等问题，可以直接进行创作，得到独具特色的逼真图形。参数化技术大大减少了设计人员的绘制时间，使普通人也能够进行创作，这有利于推广分形技术的应用，具有重要的应用价值。

根据分形几何中的迭代函数系统还可以用来压缩图像信息量，它的压缩比可以达到1/500以上。对于生物、医学及卫星等需要提取和识别图像信息的学科具有重要的应用价值，还能够优化电视和通讯中的图像处理和传输。分形几何学和计算机图形学相结合后，以压缩图像为基础，形成了一个新的研究方向。

4 结束语

分形几何与计算机图形学相结合，已经成为了一个具有重要研究价值的崭新领域。分形几何中，在进行迭代的时候，只要对相关的参数进行少量的更改，就可得到各种不同的图形，选取合适的话，便能够取得复杂逼真的效果。这不仅仅能够得到精美的图案供人欣赏及设计用，而且为研究数学的学者指出了一条启发道路。分形几何的另一个重要领域便是图像压缩，利用分形几何进行绘图的过程是选取关键点过程，反过来的话，根据压缩储存的关键数据点便可以恢复图形，实现图像压缩。分形向人们展示了与众不同的一面，这大大吸引了人们去寻找其中的新规律和新特征，促使人们去探索分形在现实生活中所具有的应用价值。

参考文献：

篇8

国际先进工程教育理念CDIO方法，让学生以主动、实践、课程之间存在有机联系的方式学习，该方法有实践可操作性、全面系统性和广泛适应性这三方面优点，文献融合该理念方法进行了图形学课程教学改革，设计了一个分层次的完整实验体系，包括基础验证实验、综合强化实验和创新培育实验三个层次。通过分析以上三种方法，总结出以下共同的观点：实验设计要以学生为中心，充分激发学生的主观能动性，内容难度要分层次，具有可操作性。

然后对目前计算机图形学实验设计中存在的问题进行分析。一是与前导课程的衔接问题，该课程一般在大三以上开设，线性代数等数学课程内容间隔时间较长，而C/C++程序设计语言、数据结构等课程又缺乏实践，有的专业VC程序设计课程还没开课；二是很多图形学实验设计都是基于OpenGL图形API，整个实验的设计变成了OpenGL图形平台的应用熟悉过程，一些图形学基本算法的实验变成了OpenGL函数的调用，图形学算法实验无法起到应有的实践练习作用；三是图形学算法知识点分散，学生难以融会贯通、完整地掌握相关算法之间的联系；四是实验效果不理想，由于同时进行实验的学生过多，导致实验指导无法面面俱到，有些学生不认真进行实验、抄袭实验报告来应付。通过以上问题分析，在进行实验设计时要选择合适的练习平台，设计实验项目时要考虑到课程延续性、整体实验展示和实验管理考核问题。

2.层次性实验设计

计算机学院信息与计算科学属于理科，该专业学生的数学基础很强，对于课程中涉及到的图形算法内容容易理解，但是该专业学生的编程基础相对薄弱，对于课程中算法的程序实现有一定难度；软件工程、计算机科学与技术两个专业则刚好相反。兼顾三个专业学生的特点，需要选择理论与实践并重的理论课程教材，这里选用的是清华大学出版社出版、孔令德编著的《计算机图形学基础教程（VisualC++版）(第2版)》。该书配套的实践教辅书内容太广，实验项目设计综合性太强，现有实验指导书的内容陈旧且与新教材不匹配，因此需要精选实验项目、重新制定实验指导书。根据第2节对实验设计方法和问题的分析和三个专业学生的特点，实验项目采用分层次方法进行设计，包括整体实验项目设计的层次性以及每个实验项目难度的层次性。

首先是整体实验项目设计的层次性，设计实验项目顺序时，要采用自顶而下的思想，第一个实验项目要能使学生对图形学的渲染绘制流程形成整个概念，能明白图形学是用来做什么的，都包括哪些步骤，后续实验项目则对应每一个绘制步骤具体进行实验练习；然后是实验项目难度的层次性，设计每个实验项目时，要考虑到不同层次学生的练习效果，对实验内容进行难度划分，这里将每个实验项目划分为基本练习、拓展练习和思考练习三项，其中基本练习用来对教材算法进行实现验证，拓展练习用来综合应用所学算法实现复杂问题，思考练习用来分析还要做什么工作，激发学生探索后续章节知识理论的兴趣，达到促进理论课程学习的目的。

所有实验都是基于VC的MFC，版本选择较新的VisualStudio2005，图形生成、填充、几何变换、投影变换、光照等全部从底层进行设计实现。实验课程结束后，则通过分组课程设计的形式进行综合性练习。根据整体教学任务课时情况，计算机图形学实验课程为8次16学时，为保证教学和实验的连贯性，其中实验内容安排对应教材知识点和示例。受实验课时限制，实验教学时可以采用“先授之以鱼，再授之以渔”方式进行，先演示实验的预期效果，再让学生进行模仿、探索实验，以提高实验效率。实验成绩主要考核学生对具体算法的理解和实现能力，由平时实验成绩和课程设计成绩组成，为使成绩判定公平合理，平时实验成绩通过考勤和现场提交实验成果判定，课程设计成绩通过分组答辩、综合打分判定。

3.结语

篇9

英文名称：Journal of Image and Graphics

主管单位：中国科学院

主办单位：中国科学院遥感应用研究所;中国图象图形学学会;北京应用物理与计算数学研究所

出版周期：月刊

出版地址：北京市

语

种：中文

开

本：大16开

国际刊号：1006-8961

国内刊号：11-3758/TB

邮发代号：82-831

发行范围：国内外统一发行

创刊时间：1996

期刊收录：

中国科学引文数据库(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)

期刊荣誉：

联系方式

期刊简介

《中国图象图形学报》是由中国科学院遥感应用研究所、中国图象图形学会、北京应用物理与计算数学研究所共同创办，是集计算机图像图形高科技理论、技术方法与应用研究成果产业化于一体的综合性学术期刊。《中国图象图形学报》是被国内主要检索系统收录的核心中文期刊，是图像图形学及相关领域的权威性杂志。

篇10

1 计算思维的理念和表达体系

1.1 计算思维的理念

2006年3月，美国卡内基?梅隆大学计算机科学系主任周以真（Jeannette M. Wing）教授在美国计算机权威期刊《Communicat

ions of the ACM》杂志上给出，并定义的计算思维（Computational Thinking）。周教授认为：计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动[1]。通俗点来理解，计算思维就是面对任何一个复杂的问题，对它进行求解方法分析、过程设计、最终解决问题的一种思维。

1.2 计算思维的表达体系

计算思维在宏观层面，揭示了计算机的泛在特性；大自然中的万物都存在计算属性，社会、人物之间也存在计算属性；计算是人工科学，也是自然科学。在微观层面，它挖掘了计算的内涵特性；整理一个学科的本质特征和核心方法以及原理的归类、分析。我们通过分类的“核心概念”方法来构建计算思维的表述体系：计算、抽象、自动化、设计、通信、协作、记忆、评估。如图1所示

2 计算机图形学教学改革的需求

2.1 计算机图形学课程教学现状

计算机图形学（Computer Graphics，通常简称为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[2]。它包含了计算机辅助设计（CAD）、三维建模（3D）以及实物仿真等等内容，范围涉及面非常广泛，而现有的教学模式仍然停留在非常守旧的阶段。

2.2 计算机图形学教学改革需求

需求：（1）我们需要构建相对稳定、能够体现计算机图形学思想和方法的核心内容。（2）我们需要更加突出思维方法的训练。

满足：（1）有限的课时应对教学改革的压力和不断更新的技术。（2）更好地诠释课程建设的目标，更好地体现学科特征。

3 围绕计算机图形学教学改革的实施模式

3.1 对计算思维的基础认识

计算思维强调的是培养计算能力，但它并不是要颠覆原本的课程内容，而是通过对内容的再组织与优化，甚至二次优化，突出核心内容和方法；而在教学方法改革方面强调的是加强思维方法的训练。

3.2 计算思维如何在课程中被融入

首先要让广大教师理解计算思维的理念，并且让教师能够体会计算思维的先进性，从而对学生进行分类培养定位。其次过程需要分类分层次的逐步进行，不可一步促成。

3.3 教师在实际课程中如何应用计算思维

在任何课程的学习中，激发学生的学习兴趣是最为重要的，因此计算思维运用的第一步就是触发学生对课程的学习兴趣，然后使学生了解相关内容的核心问题和核心解决方法；通过对问题的引入、寻求解决问题的思路、引出问题的解决方法或实现方法、进一步的拓展和思考。其中，选取合适的案例非常重要，案例必须能够体现本知识点的运用并且全面具体。基本的实施模式有下列三种模式：（1）教学方法驱动：不改变内容，而改变或者改进具体的教学方法。（2）内容整合或重组：对内容进行局部调整，突出其核心和重点，并适当的进行删减。（3）全面整改：扩大内容面，全面提升，大面积更新。

4 案例分析：浙江东方职业技术学院“3Ds Max三维制作”课程建设

4.1 提出问题

（1）现有教学内容如何组织和梳理。（2）实践教学如何安排。（3）计算思维核心概念如何渗透和掌握。（4）如何让学生更好的理解课本知识点。

4.2 核心―教学方法推进（教学方法驱动模式）

（1）针对高职学生的理解力和掌握计算机能力的程度，将内容进行删减，确定课程内容由基础+应用组成，而把高级工业设计部分进行删减。（2）传统的3D课程模式一般有两种：一是前半部分课时讲解理论知识点，后半部分进行实际操作课安排；二是任务驱动式教学，一讲一练的模式；而基于计算思维的教学安排，应该采取发散的思维去安排课程模式。（3）通过课程讲解过程中适当的引入计算思维的概念，并按照计算思维的理念去引导学生，让学生主动自发的去渗透其理念。（4）通过计算思维的引入，合理的利用案例，能够让学生更好的理解和掌握知识点。然而教学方法如何推进？新方法又有何优势？这里将它和传统的任务驱动式教学方法进行对比（举例制作雪人模型）。