楊 斌

（滁州學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，安徽 滁州 239012）

OPENGL 在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究

楊 斌

（滁州學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，安徽 滁州 239012）

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)及相關(guān)學(xué)科的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)課，該課程理論性強(qiáng)，學(xué)習(xí)難度大。針對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)中存在的問(wèn)題，把OPENGL可視化編程技術(shù)應(yīng)用到該課程的教學(xué)中，使抽象復(fù)雜的問(wèn)題形象化，并設(shè)置具有應(yīng)用背景的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，借此達(dá)到激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的目的，能夠有效地提高教學(xué)質(zhì)量。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；OPENGL；教學(xué)質(zhì)量

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究如何利用計(jì)算機(jī)顯示和處理圖形的原理、方法和技術(shù)的一門(mén)學(xué)科，是計(jì)算機(jī)學(xué)科中發(fā)展最活躍、應(yīng)用最廣泛的分支之一［1］，在CAD／CAM、機(jī)械設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、計(jì)算機(jī)藝術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、地理信息系統(tǒng)和科學(xué)計(jì)算可視化等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用［2－4］。

在該課程教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生十分容易表現(xiàn)出畏難的情緒，主要原因?yàn)椋海?）課程內(nèi)容偏重于抽象的理論，算法復(fù)雜且不易理解［5］；（2）傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)圖形可視化編程較為繁瑣，缺乏市場(chǎng)需求的支撐，尤其是三維圖形實(shí)驗(yàn)更難以開(kāi)展［6］。筆者把OPENGL可視化編程技術(shù)［7］應(yīng)用到該課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使學(xué)生從抽象的理解和復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算中解脫出來(lái)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

1 教學(xué)中存在的問(wèn)題

在教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)該課程的教學(xué)問(wèn)題主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.1 理論基礎(chǔ)要求高，教學(xué)效果差

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論性強(qiáng)，部分算法抽象且以數(shù)學(xué)為依托，教學(xué)過(guò)程中過(guò)分強(qiáng)調(diào)課程的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，側(cè)重于算法原理的推導(dǎo)，而多數(shù)學(xué)生數(shù)學(xué)功底薄弱，故在學(xué)習(xí)過(guò)程中表現(xiàn)出畏難情緒；同時(shí)，其先修課程都是在低年級(jí)開(kāi)設(shè)的，容易遺忘，而在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的課堂上又不可能花太多的時(shí)間進(jìn)行先修課程的復(fù)習(xí)，從而使其成為部分學(xué)生難以逾越的障礙。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置缺乏應(yīng)用背景

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程的環(huán)節(jié)中，部分教師對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用背景考慮不足。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，只會(huì)根據(jù)教師的要求，對(duì)一些關(guān)鍵算法進(jìn)行簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)，卻很難將所掌握的基本理論知識(shí)與相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域建立起聯(lián)系，更談不上靈活應(yīng)用與創(chuàng)新。這一做法使得原本很重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)變成了理論學(xué)習(xí)的輔助部分，同時(shí)缺乏對(duì)算法的可視化顯示，極大地降低了實(shí)驗(yàn)課程對(duì)學(xué)生的吸引力。

1.3 學(xué)生積極性不高

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)開(kāi)設(shè)在大三下學(xué)期，大部分同學(xué)把精力用于就業(yè)市場(chǎng)實(shí)際需求的應(yīng)用技術(shù)的學(xué)習(xí)，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)過(guò)程中只要求學(xué)生掌握一些圖形算法，缺乏對(duì)目前市場(chǎng)急需的可視化技術(shù)的介紹，如OPENGL技術(shù)，因此，大多數(shù)同學(xué)認(rèn)為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)不重要，學(xué)習(xí)的積極性不高，整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程都很被動(dòng)。

2 OPENGL在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 輔助理論課堂教學(xué)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法豐富且抽象，而教材上相關(guān)的圖例又表達(dá)乏力，難以引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)知和理解。OPENGL編程技術(shù)不需要考慮復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算過(guò)程，課堂上的實(shí)例演示使教學(xué)過(guò)程生動(dòng)富有說(shuō)服力，且該技術(shù)在市場(chǎng)上具有廣泛的應(yīng)用前景，這樣不僅激發(fā)了學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)為學(xué)生將來(lái)從事計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)的軟件開(kāi)發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。以三維投影變換為例，投影變換研究如何在二維屏幕上顯示三維物體，可以分為：正射投影和透視投影［8］。正射投影的最大特點(diǎn)是無(wú)論物體距離視點(diǎn)多遠(yuǎn)，投影后的物體大小尺寸不變。這種投影通常用在建筑藍(lán)圖繪制和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等方面，這些行業(yè)要求投影后的物體尺寸及相互間的角度不變，以便施工或制造時(shí)物體比例大小正確。透視投影符合人們心理習(xí)慣，即離視點(diǎn)近的物體大，離視點(diǎn)遠(yuǎn)的物體小，遠(yuǎn)到極點(diǎn)即為消失，成為滅點(diǎn)。透視投影通常用于動(dòng)畫(huà)、視覺(jué)仿真以及其它真實(shí)感圖形的繪制領(lǐng)域。實(shí)現(xiàn)這兩種投影變換的功能，需經(jīng)過(guò)復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，要求學(xué)生具有較高的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的理論推導(dǎo)大部分學(xué)生難以接受，且最終投影的效果難以顯示，利用OPENGL編程技術(shù)，不需要學(xué)生具有扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，且可視化的顯示方式使學(xué)生更容易接受，同時(shí)提高學(xué)生的實(shí)踐編程能力。下面為投影變換的OPENGL編程實(shí)例，其中圖1演示了投影變換的可視化效果，從圖1（a－b）可以看出，每幅圖上繪制的兩個(gè)與視點(diǎn)距離不同的茶壺，正射投影繪制效果為兩個(gè)茶壺的大小相同，透視投影繪制效果為距視點(diǎn)近的茶壺較大，距視點(diǎn)遠(yuǎn)的茶壺較小。

圖1 投影變換可視化效果

2.2 設(shè)置具有應(yīng)用背景的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論教學(xué)的必要補(bǔ)充和重要環(huán)節(jié)，它可以幫助學(xué)生鞏固課堂教學(xué)成果，增強(qiáng)動(dòng)手能力，有利于他們更好地掌握和理解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)際相聯(lián)系。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用Visual C＋＋6.0作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，在這種環(huán)境下只能進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的圖形算法編程，如二維圖形生成、區(qū)域填充、圖形變換等實(shí)驗(yàn)，無(wú)法進(jìn)行如三維圖形生成、紋理貼圖、光照、視點(diǎn)變換等實(shí)驗(yàn)。這一缺陷極大地限制了具有實(shí)際應(yīng)用背景實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。目前，我校在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入了OpenGL，所有的實(shí)驗(yàn)都要求在安裝了GLUT的Visual C＋＋6.0的環(huán)境下進(jìn)行，設(shè)置了一些具有實(shí)際應(yīng)用背景的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提高了學(xué)生圖形軟件的實(shí)踐開(kāi)發(fā)能力。以下列舉兩個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例：

（1）月球車(chē)漫游仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

要求該漫游系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)月球車(chē)在月球上運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景的仿真，并且能夠人工控制月球車(chē)的運(yùn)動(dòng)和一些必要的功能操作，通過(guò)方向鍵控制月球車(chē)的前進(jìn)后退與左右旋轉(zhuǎn)操作，通過(guò)功能鍵控制太陽(yáng)能電池板的伸展，電子眼的方向掃描，以及機(jī)械手臂的各種運(yùn)動(dòng)等。

（2）教室漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

圖2 月球車(chē)漫游系統(tǒng)的繪制

圖3 教室漫游系統(tǒng)的繪制

要求該漫游系統(tǒng)具有較強(qiáng)的真實(shí)感效果，教室內(nèi)物體布局合理，光線效果良好，并且要求系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)鍵盤(pán)的操作，且人機(jī)界面友好。圖2和圖3是學(xué)生完成以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的效果圖，通過(guò)設(shè)置此類(lèi)具有實(shí)際應(yīng)用背景的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，激發(fā)了學(xué)生對(duì)圖形學(xué)的熱愛(ài)，使學(xué)生具有強(qiáng)烈的求知欲，提高了學(xué)生實(shí)際圖形軟件的開(kāi)發(fā)能力，克服了傳統(tǒng)圖形學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的弊端。

3 結(jié)論

本文基于當(dāng)前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)的實(shí)際情況，立足于本?！皯?yīng)用型人才培養(yǎng)”模式的改革。把OPENGL編程技術(shù)應(yīng)用到該課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)踐表明，該方法能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，迅速培養(yǎng)和提高學(xué)生實(shí)際的動(dòng)手操作能力，為學(xué)生將來(lái)從事圖形軟件的開(kāi)發(fā)奠定良好的基礎(chǔ)。

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G642

A

1673-1794（2012）05-0105-03

楊 斌（1981－），男，講師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)。

滁州學(xué)院數(shù)學(xué)建模教學(xué)與競(jìng)賽團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目 （2011jxtd01）

2012-03-27