序論：好文章的創(chuàng)作是一個(gè)不斷探索和完善的過程，我們?yōu)槟扑]十篇計(jì)算機(jī)圖形學(xué)論文范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來更深刻的閱讀感受。

篇（1）

1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是利用計(jì)算機(jī)研究圖形的表示、生成、處理，顯示的科學(xué)。經(jīng)過30多年的發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)已成為計(jì)算機(jī)科學(xué)中最為活躍的分支之一，并得到廣泛的應(yīng)用。1950年，第一臺(tái)圖形顯示器作為美國麻省理工學(xué)院（MIT）旋風(fēng)一號(hào)——（Whirlwind）計(jì)算機(jī)的附件誕生．該顯示器用一個(gè)類似示波器的陰極射線管（CRT）來顯示一些簡單的圖形。在整個(gè)50年代，只有電子管計(jì)算機(jī)，用機(jī)器語言編程，主要應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算，為這些計(jì)算機(jī)配置的圖形設(shè)備僅具有輸出功能。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)處于準(zhǔn)備和醞釀時(shí)期，并稱之為：“被動(dòng)式”圖形學(xué)。

2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在曲面造型技術(shù)中的應(yīng)用

曲面造型技術(shù)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，主要研究在計(jì)算機(jī)圖象系統(tǒng)的環(huán)境下對(duì)曲面的表示、設(shè)計(jì)、顯示和分析。它肇源機(jī)、船舶的外形放樣工藝，經(jīng)三十多年發(fā)展，現(xiàn)在它已經(jīng)形成了以Bezier和B樣條方法為代表的參數(shù)化特征設(shè)計(jì)和隱式代數(shù)曲面表示這兩類方法為主體，以插值（Intmpolation）、擬合（Fitting）、逼近（Ap-proximation）這三種手段為骨架的幾何理論體系。隨著計(jì)算機(jī)圖形顯示對(duì)于真實(shí)性、實(shí)時(shí)性和交互性要求的日益增強(qiáng)，隨著幾何設(shè)計(jì)對(duì)象向著多樣性、特殊性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜性靠攏的趨勢的日益明顯，隨著圖形工業(yè)和制造工業(yè)邁向一體化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化步伐的日益加快，隨著激光測距掃描等三維數(shù)據(jù)采樣技術(shù)和硬件設(shè)備的日益完善，曲面造型在近幾年來得到了長足的發(fā)展。

2．1從研究領(lǐng)域來看，曲面造型技術(shù)已從傳統(tǒng)的研究曲面表示、曲面求交和曲面拼接，擴(kuò)充到曲面變形、曲面重建、曲面簡化、曲面轉(zhuǎn)換和曲面位差。

曲面變形（DeformationorShapeBlending）：傳統(tǒng)的非均勻有理B樣條（NURBS）曲面模型，僅允許調(diào)整控制頂點(diǎn)或權(quán)因子來局部改變曲面形狀，至多利用層次細(xì)化模型在曲面特定點(diǎn)進(jìn)行直接操作；一些簡單的基于參數(shù)曲線的曲面設(shè)計(jì)方法，如掃掠法（Sweeping），蒙皮法（skinning），旋轉(zhuǎn)法和拉伸法，也僅允許調(diào)整生成曲線來改變曲面形狀。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫業(yè)和實(shí)體造型業(yè)迫切需要發(fā)展與曲面表示方式無關(guān)的變形方法或形狀調(diào)配方法，于是產(chǎn)生了自由變形（fFD）法，基于彈性變形或熱彈性力學(xué)等物理模型（原理）的變形法，基于求解約束的變形法，基于幾何約束的變形法等曲面變形技術(shù)和基于多面體對(duì)應(yīng)關(guān)系或基于圖象形態(tài)學(xué)中Minkowski和操作的曲面形狀調(diào)配技術(shù)。

2．2從表示方法來看，以網(wǎng)格細(xì)分（Sub-division）為特征的離散造型與傳統(tǒng)的連續(xù)造型相比，大有后來居上的創(chuàng)新之勢。而且，這種曲面造型方法在生動(dòng)逼真的特征動(dòng)畫和雕塑曲面的設(shè)計(jì)加工中如魚得水，得到了高度的運(yùn)用。

3在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）的應(yīng)用

這是一個(gè)最廣泛，最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ComputerAidedDesign，CAD）是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)有力的計(jì)算功能和高效率的圖形處理能力，輔助知識(shí)勞動(dòng)者進(jìn)行工程和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與分析，以達(dá)到理想的目的或取得創(chuàng)新成果的一種技術(shù)。它是綜合了計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程設(shè)計(jì)方法的最新發(fā)展而形成的一門新興學(xué)科。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展是與計(jì)算機(jī)軟件、硬件技術(shù)的發(fā)展和完善，與工程設(shè)計(jì)方法的革新緊密相關(guān)的。采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已是現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)的迫切需要。CAD技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面，其主要的應(yīng)用領(lǐng)域有以下幾個(gè)方面。

3.1制造業(yè)中的應(yīng)用。CAD技術(shù)已在制造業(yè)中廣泛應(yīng)用，其中以機(jī)床、汽車、飛機(jī)、船舶、航天器等制造業(yè)應(yīng)用最為廣泛、深入。眾所周知，一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程要經(jīng)過概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化、仿真模擬等幾個(gè)主要階段。同時(shí)，現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)將并行工程的概念引入到整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，在設(shè)計(jì)階段就對(duì)產(chǎn)品整個(gè)生命周期進(jìn)行綜合考慮。當(dāng)前先進(jìn)的CAD應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)將設(shè)計(jì)、繪圖、分析、仿真、加工等一系列功能集成于一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)?，F(xiàn)在較常用的軟件有UGII、I-DEAS、CATIA、PRO/E、Euclid等CAD應(yīng)用系統(tǒng)，這些系統(tǒng)主要運(yùn)行在圖形工作站平臺(tái)上。在PC平臺(tái)上運(yùn)行的CAD應(yīng)用軟件主要有Cimatron、Solidwork、MDT、SolidEdge等。由于各種因素，目前在二維CAD系統(tǒng)中Autodesk公司的AutoCAD占據(jù)了相當(dāng)?shù)氖袌觥?/p>

3．2工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。CAD技術(shù)在工程領(lǐng)域巾的應(yīng)用有以下幾個(gè)方面：①建筑設(shè)計(jì)，包括方案設(shè)計(jì)、三維造型、建筑渲染圖設(shè)計(jì)等。②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括有限元分析、結(jié)構(gòu)平面設(shè)計(jì)、框/排架結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析等。③設(shè)備設(shè)計(jì)，包括水、電、暖各種設(shè)備及管道設(shè)計(jì)。④城市規(guī)劃、城市交通設(shè)計(jì)，如城市道路、高架、輕軌等。⑤市政管線設(shè)計(jì)，如自來水、污水排放、煤氣等。⑥交通工程設(shè)計(jì)，如公路、橋梁、鐵路等。⑦水利工程設(shè)計(jì)，如大壩、水渠等。⑧其他工程設(shè)計(jì)和管理，如房地產(chǎn)開發(fā)及物業(yè)管理、工程概預(yù)算等。

3．3電氣和電子電路方面的應(yīng)用。CAD技術(shù)最早曾用于電路原理圖和布線圖的設(shè)計(jì)工作。目前，CAD技術(shù)已擴(kuò)展到印刷電路板的設(shè)計(jì)（布線及元器件布局），并在集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)制造中大顯身手，并由此大大推動(dòng)了微電子技術(shù)和計(jì)算及技術(shù)的發(fā)展。

3．4仿真模擬和動(dòng)畫制作。應(yīng)用CAD技術(shù)可以真實(shí)地模擬機(jī)械零件的加工處理過程、飛機(jī)起降、船舶進(jìn)出港口、物體受力破壞分析、飛行訓(xùn)練環(huán)境、作戰(zhàn)方針系統(tǒng)、事故現(xiàn)場重現(xiàn)等現(xiàn)象。在文化娛樂界已大量利用計(jì)算機(jī)造型仿真出逼真的現(xiàn)實(shí)世界中沒有的原始動(dòng)物、外星人以及各種場景等，并將動(dòng)畫和實(shí)際背景以及演員的表演天衣無縫地合在一起，在電影制作技術(shù)上大放異彩，拍制出一個(gè)個(gè)激動(dòng)人心的巨片。

篇（2）

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的迅猛發(fā)展，促進(jìn)了一系列相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)便是其一。1963年，美國人伊凡?蘇澤蘭在麻省理工學(xué)院畢業(yè)論文課題是關(guān)于三維交互式圖形系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上發(fā)表了題目為《畫板》的博士畢業(yè)論文， 這篇畢業(yè)論文是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)里程碑的標(biāo)志，它的發(fā)表標(biāo)志著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)科正式誕生。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)它標(biāo)志著計(jì)算機(jī)處理方式由處理符號(hào)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樘幚韴D形系統(tǒng)的方式，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)處理方式可以部分地模擬現(xiàn)實(shí)圖形和展現(xiàn)人的右腦功能，因此計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的理論和實(shí)踐具有劃時(shí)代的意義。

在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展和應(yīng)用的過程中，最具震撼性和實(shí)用性的就是電影動(dòng)畫技術(shù)。電影動(dòng)畫為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)提供了新鮮的血液，打開了新視角，自然界的一切美麗景象都可以通過計(jì)算機(jī)生動(dòng)形象地再現(xiàn)構(gòu)造宏觀、微觀世界。

2 計(jì)算機(jī)圖形處理電影動(dòng)畫的分類

計(jì)算機(jī)圖形處理電影動(dòng)畫是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和電影藝術(shù)相結(jié)合，并且相互促進(jìn)的產(chǎn)物，計(jì)算機(jī)軟硬件和圖形圖像算法高速發(fā)展促進(jìn)了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的突飛猛進(jìn)。計(jì)算機(jī)電影動(dòng)畫技術(shù)將圖形、圖案和畫面或者其中一部分顯示在屏幕上，并且按照一定規(guī)律或預(yù)定的要求在屏幕上移動(dòng)、變換，從而使計(jì)算機(jī)顯示出圖形動(dòng)態(tài)變換過程。

電影動(dòng)畫是運(yùn)動(dòng)中的藝術(shù)，運(yùn)動(dòng)的畫面是電影動(dòng)畫的表現(xiàn)形式，運(yùn)動(dòng)是電影動(dòng)畫的要素，運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)形式，才促使了二維和三維動(dòng)畫的發(fā)展。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫以其制作方法和表現(xiàn)特征的兩種表現(xiàn)形式就是二維電影動(dòng)畫和三維電影動(dòng)畫。

2.1 二維電影動(dòng)畫

傳統(tǒng)的電影卡通動(dòng)畫，是大量的畫片，每幅畫片高速翻轉(zhuǎn)以便實(shí)現(xiàn)是連續(xù)播放多幀畫面，每幅畫面表述的是運(yùn)動(dòng)物體的若干個(gè)瞬間的定格，利用觀看者在大腦內(nèi)殘留的瞬間視覺感覺而得到運(yùn)動(dòng)的視覺感受。傳統(tǒng)的電影卡通動(dòng)畫是先畫出一頭一尾兩個(gè)關(guān)鍵幀圖畫，然后在兩個(gè)關(guān)鍵幀中間插入一些列圖畫畫從而生成中間一系列畫。展現(xiàn)平面圖形是計(jì)算機(jī)二維電影動(dòng)畫的一大特點(diǎn)，是對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)畫制作的繼承和發(fā)展，制作時(shí)就像傳統(tǒng)在紙上作畫，通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)復(fù)雜的算法將一些列計(jì)算機(jī)圖畫對(duì)象的移動(dòng)、變形、變色等手法表現(xiàn)出傳統(tǒng)電影動(dòng)畫運(yùn)動(dòng)的效果。

ANIMO是世界上最受歡迎的、使用最廣的二維動(dòng)畫系統(tǒng)動(dòng)畫制作軟件，它是英國Cambridge Animation公司核心產(chǎn)品。ANIMO向計(jì)算機(jī)圖形設(shè)計(jì)者提供了靈活的顏色模板創(chuàng)建、修改調(diào)色板和調(diào)整顏色的工具，這些功能有助于二維電影動(dòng)畫前期制作和影片后期合成方面都有獨(dú)到的技術(shù)特點(diǎn)。ANIMO雖然不是最專業(yè)的二維電影動(dòng)畫制作軟件，但是它具有更大的靈活性，軟件獨(dú)有的內(nèi)部環(huán)境能夠?qū)⒍S電影動(dòng)畫和三維電影動(dòng)畫完美的結(jié)合起來。

ANIMO經(jīng)常用于二維電影動(dòng)畫和真實(shí)場景的結(jié)合，90年代籃球運(yùn)動(dòng)球星喬丹和華納動(dòng)畫人物共同主演的《空中大灌籃》，它是將二維電影動(dòng)畫與三維電影動(dòng)畫真實(shí)場景完美結(jié)合的成功范例。ANIMO軟件具有面向動(dòng)畫師設(shè)計(jì)的工作界面，在ANIOM軟件制作電影動(dòng)畫的同時(shí)，需要一臺(tái)高清掃描儀，底板動(dòng)畫圖片上放在掃描儀內(nèi)進(jìn)行掃描，掃描后的畫稿幾乎保持了動(dòng)畫設(shè)計(jì)者原始動(dòng)畫圖片的線條，ANIMO軟件的快速上色工具提供了給圖畫自動(dòng)上色和自動(dòng)線條封閉功能，并和軟件的顏色模型編輯器集成在一起，軟件提供了不受數(shù)目限制的顏色數(shù)量和調(diào)色板種類。三維電影動(dòng)畫中的陰影和燈光效果是最難轉(zhuǎn)化為二維電影動(dòng)畫的，ANIMO卻可以將這些難點(diǎn)完美的結(jié)合在一起，具有多種特技效果處理效果，包括動(dòng)畫的燈光效果、物體陰影變換、圖片背景的模糊處理、拍攝的攝像機(jī)鏡頭的移動(dòng)、波紋起伏波浪震動(dòng)的效果展現(xiàn)等等，并可與二維電影動(dòng)畫、三維電影動(dòng)畫和實(shí)拍鏡頭進(jìn)行合成處理。它所提供的可視化場景圖畫可以讓動(dòng)畫設(shè)計(jì)師在軟件內(nèi)只用幾個(gè)簡單的操作步驟就可完成比較復(fù)雜的動(dòng)畫制作，提高了計(jì)算機(jī)二維電影動(dòng)畫制作的工作效率和速度。

2.2 三維電影動(dòng)畫

三維電影動(dòng)畫則是展示立體的圖形，三維電影動(dòng)畫的制作過程就好像是在攝影棚中拍電影的景象：三維圖像影像制作首先是在布置攝像對(duì)象所處的位置、動(dòng)畫制作者規(guī)定其運(yùn)動(dòng)軌跡、并按照這個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行拍攝、各種燈光效果被制作者安排的妥當(dāng)，攝影機(jī)可以布置在特定位置上或者也可根據(jù)拍攝內(nèi)容設(shè)定攝影機(jī)的推拉搖移擺動(dòng)，最后利用計(jì)算機(jī)用圖形算法計(jì)算出這個(gè)攝影機(jī)所見到的動(dòng)態(tài)圖像效果。

篇（3）

簡單地說，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究內(nèi)容就是研究如何在計(jì)算機(jī)中表示圖形、以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的計(jì)算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。圖形通常由點(diǎn)、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。從處理技術(shù)上來看，圖形主要分為兩類，一類是基于線條信息表示的，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等，另一類是明暗圖，也就是通常所說的真實(shí)感圖形。1963年，伊凡?蘇澤蘭（Ivan Sutherland）在麻省理工學(xué)院發(fā)表了名為《畫板》的博士論文，它標(biāo)志著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的正式誕生。至今已有四十多年的歷史。此前的計(jì)算機(jī)主要是符號(hào)處理系統(tǒng)，自從有了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，計(jì)算機(jī)可以部分地表現(xiàn)人的右腦功能了，所以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的建立具有重要的意義。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)一個(gè)主要的目的就是要利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生令人賞心悅目的真實(shí)感圖形。為此，必須創(chuàng)建圖形所描述的場景的幾何表示，再用某種光照模型，計(jì)算在假想的光源、紋理、材質(zhì)屬性下的光照明效果。所以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與另一門學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)有著密切的關(guān)系。事實(shí)上，圖形學(xué)也把可以表示幾何場景的曲線曲面造型技術(shù)和實(shí)體造型技術(shù)作為其主要的研究內(nèi)容。同時(shí)，真實(shí)感圖形計(jì)算的結(jié)果是以數(shù)字圖象的方式提供的，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)也就和圖像處理有著密切的關(guān)系。

圖形與圖像兩個(gè)概念間的區(qū)別越來越模糊，但還是有區(qū)別的：圖像純指計(jì)算機(jī)內(nèi)以位圖形式存在的灰度信息，而圖形含有幾何屬性，或者說更強(qiáng)調(diào)場景的幾何表示，是由場景的幾何模型和景物的物理屬性共同組成的。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實(shí)體造型、真實(shí)感圖形計(jì)算與顯示算法、非真實(shí)感繪制，以及科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（Computer Graphics，簡稱CG）是研究怎樣用計(jì)算機(jī)表示、生成、處理和顯示圖形的一門學(xué)科。簡單地說，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)主要是研究怎樣運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的表示以及運(yùn)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)圖形的計(jì)算、處理和顯示等相關(guān)原理與算法。隨著數(shù)字化娛樂時(shí)代的到來，三維圖形的生產(chǎn)與顯示技術(shù)成為吸引群眾眼球的產(chǎn)物，群眾文化作為宣傳的窗口，信息的交流和傳播平臺(tái)，多方面引入了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)的技術(shù)，借以來推動(dòng)了群眾文化工作的持續(xù)發(fā)展。在此，筆者粗略的談一下計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在群眾文化工作中的應(yīng)用。

1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)豐富了群眾文化的表現(xiàn)內(nèi)容

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，目前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)成為各個(gè)領(lǐng)域中加強(qiáng)信息理解與傳遞的重要技術(shù)和工具。同時(shí)計(jì)算機(jī)圖形無論是硬件還是軟件的盛大生產(chǎn)，對(duì)人們的生活產(chǎn)生了一定的影響，使得人們的精神水平迅速提升，不再滿足于一般的精神文化需求，更多的是需要高科技的文化產(chǎn)物。文化館作為文化的宣傳窗口、群眾交流信息的平臺(tái)，應(yīng)科技發(fā)展的需求，開始廣泛運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)。如：運(yùn)用CAD技術(shù)進(jìn)行動(dòng)畫制作、仿真模擬；即：運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的CAD技術(shù)真實(shí)的模擬一些教育實(shí)踐案例、法律小故事、交通故事、群眾熱點(diǎn)事情重現(xiàn)等，加強(qiáng)對(duì)群眾經(jīng)濟(jì)、法律、教育等知識(shí)的滲透，同時(shí)還運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的造型仿真技術(shù)再現(xiàn)原始動(dòng)物、外星人等各種場景等等，還可以將群眾配以實(shí)際的背景運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)大放異彩，制作出群眾自己的電影巨片。此外，運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的科學(xué)計(jì)算技術(shù)能夠讓人們直觀的看到一些數(shù)據(jù)的發(fā)展規(guī)律，諸如：力學(xué)、氣象科學(xué)、天體物理、分析生物學(xué)等等，充實(shí)了文化館的文化內(nèi)容，有效的豐富了群眾文化的表現(xiàn)內(nèi)容。

2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)創(chuàng)新了群眾文化的表現(xiàn)形式

近些年來我國市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，人民群眾的生活水平也越來越高，連帶著對(duì)文化娛樂的欣賞水平也越來越高。新興劇場的多功能特色，即：舞臺(tái)演出、會(huì)議、報(bào)告、影院等等成為了人民群眾的最愛。多功能劇場的出現(xiàn)對(duì)群眾文化館的發(fā)展來說是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。為了人民群眾的需求，文化館必須革新自己的文化娛樂表現(xiàn)形式，運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)技術(shù)。如：文化館采取多媒體計(jì)算機(jī)的矩陣控制系統(tǒng)來控制整體的音響系統(tǒng)，這樣一來，整個(gè)過程都可以以數(shù)碼方式進(jìn)行處理，使得他們無論在精度、信噪比、還是失真方面都高于傳統(tǒng)的模擬設(shè)備。這樣，運(yùn)用媒體矩陣音響系統(tǒng)，就可以創(chuàng)新群眾文化工作的表現(xiàn)形式，即：能夠在禮堂、音樂廳、體育館、體育場、公園一些大型的場地實(shí)現(xiàn)擴(kuò)聲。能夠?yàn)槿罕娢幕顒?dòng)的順利開展提供有保障的后盾力量。同時(shí)，媒體矩陣還可以隨時(shí)執(zhí)行替換功能，文化館工作人員可以根據(jù)實(shí)際需求隨時(shí)修改或者添加諸如：調(diào)音臺(tái)、眼分音器、自動(dòng)音壓控制器、信號(hào)分配器等設(shè)備。群眾文化娛樂活動(dòng)大都是通過聲音來組織、引導(dǎo)群眾開展的，運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的技術(shù)能夠?qū)⒁纛l處理帶到一個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò)境界，提升了文化工作人員的工作效率和質(zhì)量。

在這種形式下，我們必須充分發(fā)揮現(xiàn)代傳媒技術(shù)的優(yōu)勢，加強(qiáng)對(duì)傳統(tǒng)文化精髓的提煉與傳播，打造民族文化精品，這不僅可以對(duì)國民進(jìn)行循序漸進(jìn)的傳統(tǒng)文化的精神洗禮，還可以充分利用媒介重新建構(gòu)起更加符合現(xiàn)在形勢的文化觀。同時(shí)，避免傳統(tǒng)藝術(shù)形式因內(nèi)涵意義不易理解而從我們的視野中消失，也避免產(chǎn)生因?yàn)橛?jì)算機(jī)形式輕內(nèi)涵而導(dǎo)致主流藝術(shù)缺乏文化深度的社會(huì)現(xiàn)象，而要以媒體語言整合傳統(tǒng)文化精神，讓世界更清楚地認(rèn)識(shí)中國的現(xiàn)在和過去，從而實(shí)現(xiàn)文化傳承，打造民族藝術(shù)精品。

3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)拓展了群眾文化的宣傳途徑

群眾文化工作是對(duì)外宣傳的窗口，更是當(dāng)?shù)乩习傩者M(jìn)行文化信息交流、傳播的平臺(tái)?，F(xiàn)如今是數(shù)字化時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)成為人們生活的重要組成部分，群眾文化運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)的特性實(shí)現(xiàn)高速度、高質(zhì)量的宣傳，進(jìn)而推動(dòng)群眾文化的繁榮發(fā)展。如：建設(shè)一個(gè)具有當(dāng)?shù)厝罕娢幕厣木W(wǎng)絡(luò)，讓全國各地的人通過互聯(lián)網(wǎng)就能夠?yàn)g覽文化信息，通過留言板、email、QQ、MSN等工具進(jìn)行文化信息的交流，拓展了傳統(tǒng)群眾文化的宣傳途徑。筆者所在的文化館，結(jié)合安徽的相關(guān)文化狀態(tài)、生活習(xí)俗等運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)知識(shí)建設(shè)了一個(gè)自己群文網(wǎng)絡(luò)，有：本館信息、非物質(zhì)文化介紹、在線服務(wù)（聯(lián)系我們）、藝術(shù)展廳、藝術(shù)圖畫展覽、活動(dòng)展示等等內(nèi)容，同時(shí)，將各地市級(jí)、縣級(jí)群文網(wǎng)站的鏈接也成立一個(gè)板塊設(shè)置在網(wǎng)站的首頁，形成網(wǎng)絡(luò)群眾文化聯(lián)盟，為瀏覽文化信息的群眾提供方便。這樣運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)將群眾文化活動(dòng)以影視、圖片加以文字制作成群眾文化的宣傳材料上傳至網(wǎng)站上，以互聯(lián)網(wǎng)為傳播路徑，推動(dòng)群眾文化形成全球化的宣傳、互動(dòng)、交流新格局。

群眾文化是人們生活?yuàn)蕵匪豢扇鄙俚?，而人們運(yùn)用計(jì)算機(jī)生活?yuàn)蕵?、運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等等成為發(fā)展的必然趨勢。計(jì)算機(jī)圖形以其科學(xué)性、技術(shù)性為群眾文化的建設(shè)與發(fā)展提供了無限的幫助，有著“催化劑”的作用?？梢哉f，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在群眾文化工作中的應(yīng)用涉及甚廣，是群眾文化可持續(xù)發(fā)展的后盾力量。

參考文獻(xiàn)：

篇（4）

0 引言

大學(xué)的主要任務(wù)是培養(yǎng)人才，特別是培養(yǎng)創(chuàng)新人才。培養(yǎng)創(chuàng)新人才的基本途徑與方法有課程教學(xué)、參與科學(xué)研究與項(xiàng)目開發(fā)、對(duì)外學(xué)術(shù)交流等。然而傳統(tǒng)本科課程教學(xué)多注重傳授學(xué)科的系統(tǒng)理論等專業(yè)知識(shí)，不重視對(duì)知識(shí)產(chǎn)生原因、方法的介紹，如忽視思考解決學(xué)科基本問題的具體過程等，這會(huì)造成課程教學(xué)傳授知識(shí)與科學(xué)研究相脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷，不利于他們將來從事創(chuàng)新等研究工作。為配合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的教學(xué)改革，根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的特點(diǎn)，筆者提出一種面向科學(xué)思維的教學(xué)新方法，它能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)本科課程教學(xué)的不足。

1 面向科學(xué)思維教學(xué)方法的基本要求

常見典型的教學(xué)方法有：結(jié)構(gòu)主義的教學(xué)方法、建構(gòu)主義的教學(xué)方法、問題（任務(wù)）驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法等。這3種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，一個(gè)好的教學(xué)方法最好能全面綜合這3種方法的優(yōu)點(diǎn)。面向科學(xué)思維的教學(xué)方法要求把思考問題的方法、系統(tǒng)分析與綜合的方法、科學(xué)研究的工作方法、查找資料與抽象的方法等知識(shí)產(chǎn)生的方法引入課程教學(xué)中，有效講解學(xué)科專業(yè)知識(shí)是根據(jù)發(fā)展需求、通過研究各種問題產(chǎn)生的；專業(yè)理論體系或與其學(xué)科結(jié)構(gòu)是由多項(xiàng)研究成果形成的，這些知識(shí)是科學(xué)研究與科學(xué)思維產(chǎn)生的結(jié)果。

結(jié)構(gòu)主義、建構(gòu)主義與面向科學(xué)思維教學(xué)方法的異同點(diǎn)見表1。

2 確立計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式

2.1 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)改革的原因

2013年以前，國內(nèi)外傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)以講授圖形標(biāo)準(zhǔn)（顯卡驅(qū)動(dòng)與顯示圖形等子程序的集合）或CAD為主。這種CAD與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（即圖形標(biāo)準(zhǔn)）學(xué)科的劃分有問題，它只便于圖形標(biāo)準(zhǔn)的硬件實(shí)現(xiàn)，卻因基本概念不全導(dǎo)致這兩者均不能獨(dú)立講清三維真實(shí)感圖形的自動(dòng)生成原理以及計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的基本規(guī)律，更不能總結(jié)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研發(fā)成果與發(fā)展規(guī)律，不能滿足計(jì)算機(jī)圖形學(xué)學(xué)科建設(shè)發(fā)展需求。

2.2 用系統(tǒng)分析與綜合的方法確立計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容

2.2.1 系統(tǒng)分析：從理論上確立實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程目標(biāo)的發(fā)展路線圖

本課程目標(biāo)是用計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)生成類似人眼觀察世界獲得的觀察圖像（亦為學(xué)科研究的基本問題，它適合作為建構(gòu)主義教學(xué)方法要求的教學(xué)環(huán)境需求問題）。為此至少要完成3個(gè)子任務(wù)：①掌握三維圖形的生成原理；②掌握生成三維動(dòng)畫等圖形的程序設(shè)計(jì)；③理順新課程教學(xué)內(nèi)容與圖形標(biāo)準(zhǔn)、CAD的相互關(guān)系。

1）第一個(gè)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)方法。

照相機(jī)生成照片遵循光線傳播生成三維圖形這一物理原理，計(jì)算機(jī)生成所有三維圖形（包括光線跟蹤算法、輻射度算法、投影、多邊形填充、紋理映射、陰影算法、圖像融合算法與二維直線的生成等）也應(yīng)遵循該原理。這是本課程知識(shí)理論體系的完備性與一致性的基本要求，它決定了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的學(xué)種性質(zhì)與教學(xué)定位。

2）第二個(gè)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)方法。

用輻射度和光線跟蹤算法生成的三維真實(shí)感圖形等程序，是一類典型的顯示圖形的計(jì)算機(jī)仿真應(yīng)用程序。故計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的編程實(shí)現(xiàn)既遵循計(jì)算機(jī)仿真的基本原理，也遵循計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的基本規(guī)律。

計(jì)算機(jī)仿真遵循系統(tǒng)（決定被仿真對(duì)象的范圍與其行為特性）、建模（用數(shù)學(xué)模型描述仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)象）、仿真算法（計(jì)算機(jī)通過執(zhí)行該仿真算法，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)）與評(píng)估（檢驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是否與應(yīng)用需求保持一致）這一基本原理。

計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)應(yīng)遵循計(jì)算理論可計(jì)算性的實(shí)現(xiàn)前提對(duì)程序設(shè)計(jì)的規(guī)范要求：①待解問題被模型與系統(tǒng)形式化方法所描述；②這種描述要轉(zhuǎn)換成算法；③算法要有合理的復(fù)雜度。

這里，形式化描述指用數(shù)學(xué)符號(hào)、邏輯符號(hào)與流程圖描述并要求保持邏輯上的一致性。系統(tǒng)的概念被本文定義為軟件系統(tǒng)：它按解決問題的系統(tǒng)流程要求，編程實(shí)現(xiàn)數(shù)個(gè)模型描述數(shù)據(jù)與命令的輸入、存儲(chǔ)管理、運(yùn)算處理、輸出顯示4個(gè)過程，能直接達(dá)到自動(dòng)運(yùn)行軟件的設(shè)定目標(biāo)并具有完整動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的綜合程序。軟件系統(tǒng)的概念是國內(nèi)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)核心課程教學(xué)缺失的重要概念。

故三維圖形學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，主要用3組數(shù)學(xué)模型描述可視物體、燈光、照相機(jī)物理模型的物理特性（如用幾何模型、材質(zhì)模型與紋理模型描述可視物體；用光線幾何模型、顏色模型、照明模型、輻射度算法和光線跟蹤算法等描述點(diǎn)光源；根據(jù)類照相機(jī)的觀察參數(shù)，用陰影算法、圖像融合等算法描述照相機(jī)模型；對(duì)光線跟蹤算法，應(yīng)重構(gòu)照相機(jī)模型）；在物理仿真、數(shù)學(xué)建模與軟件系統(tǒng)概念的指引下，編程構(gòu)建三維圖形軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三維圖形的自動(dòng)顯示。物體運(yùn)動(dòng)與變形、燈光變幻、照相機(jī)運(yùn)動(dòng)可形成計(jì)算機(jī)動(dòng)畫。計(jì)算機(jī)游戲是用人機(jī)交互的操作方式并通過實(shí)時(shí)動(dòng)畫與聲音有效描述具有智能行為能力的人（或動(dòng)物）的多種社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)。

3）第三個(gè)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)方法。

計(jì)算機(jī)動(dòng)畫包含了傳統(tǒng)圖形標(biāo)準(zhǔn)與CAD的原理，所以在課程最后，可講解圖形標(biāo)準(zhǔn)OpenGL的原理與編程使用方法。同時(shí)圖形標(biāo)準(zhǔn)是游戲軟件的基石，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)應(yīng)用不可缺少的基本配置。

2.2.2 系統(tǒng)綜合：介紹圖形學(xué)的基本原理與動(dòng)畫軟件的實(shí)現(xiàn)方法

這要求教師先查找資料、匯集前人發(fā)表解決以上問題的不同論文與教材（解決課程教學(xué)問題的先決條件），挑選材料編寫課程講義，詳細(xì)介紹完成該任務(wù)所需的基本原理與實(shí)現(xiàn)方法，講義試用成熟后再編著出版教材。

教材按以下思路組織：用二維圖形學(xué)構(gòu)建軟件系統(tǒng)概念的教學(xué)，用三維圖形學(xué)構(gòu)建三維圖形數(shù)學(xué)建模的教學(xué)（直接用三維圖形構(gòu)建軟件系統(tǒng)概念的教學(xué)，會(huì)導(dǎo)致課程教學(xué)內(nèi)容的復(fù)雜化）。在每章的開頭，均提出應(yīng)思考并解決哪些問題才能達(dá)到本章的教學(xué)要求，加強(qiáng)訓(xùn)練讀者思考問題的習(xí)慣。

學(xué)完本課程，學(xué)生要能勝任計(jì)算機(jī)動(dòng)畫軟件的設(shè)計(jì)與編程實(shí)現(xiàn)等任務(wù)。

2.3 歸納計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的學(xué)科結(jié)構(gòu)

以上教學(xué)充分展示：由物理模型（化學(xué)模型、生物模型、社會(huì)發(fā)展需求模型等）數(shù)學(xué)模型（數(shù)據(jù)模型是數(shù)學(xué)模型的一種簡單特例，其編程操作主要是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與檢索，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫軟件。根據(jù)數(shù)學(xué)模型“曲高和寡”的原理得知，數(shù)據(jù)庫軟件是應(yīng)用軟件中應(yīng)用面最廣的一類軟件；或用離散數(shù)學(xué)的方法、判斷規(guī)則與判據(jù)或可編程實(shí)現(xiàn)的自然語言與功能等描述解決問題的過程與步驟；或用通信協(xié)議描述數(shù)據(jù)通信過程要遵循的規(guī)則、約定等要求，這是網(wǎng)絡(luò)通信編程的基礎(chǔ)）軟件的系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)用算法語言實(shí)現(xiàn)程序編碼并形成算法軟件測試評(píng)估等過程所確立程序設(shè)計(jì)的基本規(guī)律。程序設(shè)計(jì)這一規(guī)律，能被雷達(dá)的設(shè)計(jì)與制造過程所佐證，如通過物理實(shí)驗(yàn)確立雷達(dá)原理用數(shù)學(xué)模型描述雷達(dá)的工作過程設(shè)計(jì)雷達(dá)系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)用電子技術(shù)制造雷達(dá)設(shè)備做好的雷達(dá)要通過測試評(píng)估才能交付使用等。

由此能用理論（物理原理、建模、軟件系統(tǒng)、仿真、程序設(shè)計(jì)）、工具（OpenGL、Direct3D、著色語言、ACIS、WebGL、OpenCL、3D游戲引擎等）與應(yīng)用（顯示圖形的應(yīng)用程序，如3D動(dòng)畫或CAD、地理信息系統(tǒng)（空間復(fù)雜性高而時(shí)間復(fù)雜性低）、游戲與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（時(shí)間復(fù)雜性高而空間復(fù)雜性低））3個(gè)學(xué)科形態(tài)描述計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的學(xué)科結(jié)構(gòu)。

2.4 用科學(xué)研究的工作方法確立計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的教學(xué)模式

（1）選題（發(fā)現(xiàn)問題）：找任務(wù)、了解用戶需求、檢索閱讀資料并提出問題。自由選題要確立研究問題的科學(xué)性、目標(biāo)性、創(chuàng)新性和可行性，并找準(zhǔn)課題的申報(bào)渠道。提出問題是對(duì)任務(wù)深入思考或科學(xué)研究的前提。如計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的學(xué)科屬性與教學(xué)內(nèi)容是否成熟，是此前國際計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教育界多年關(guān)注的教學(xué)疑難問題。

（2）分析問題：真實(shí)照片由照相機(jī)、可視物體與燈光3個(gè)主要因素決定，由此確立解決問題的方法。

（3）尋找解決問題的方法（提出假說）：首先用二維圖形建立軟件系統(tǒng)的概念；然后建立描述照相機(jī)、可視物體、燈光物理模型物理特性所需的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建仿真光線在計(jì)算機(jī)場景與照相機(jī)模型中傳播，生成三維動(dòng)畫圖形。

（4）做實(shí)驗(yàn)解決問題（找尋證據(jù)支持假說）：針對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型，選擇數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)算法，編寫程序源代碼并調(diào)試測試程序，構(gòu)建三維圖形軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)圖形的自動(dòng)顯示。

（5）取得新成果（查新驗(yàn)證）：改進(jìn)學(xué)科的系統(tǒng)理論與基本方法，發(fā)表研究論文，推廣該研究成果或論證申報(bào)新開發(fā)項(xiàng)目，推動(dòng)學(xué)科建設(shè)向前發(fā)展。當(dāng)我們解決好計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)問題時(shí)，就為撰寫本文并申報(bào)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)國家規(guī)劃教材奠定了基礎(chǔ)。

由此構(gòu)建程序設(shè)計(jì)教學(xué)的完整過程，并把程序設(shè)計(jì)拓展成科學(xué)研究工作方法的一種形式與組成部分。

該教學(xué)模式不僅把教學(xué)與科學(xué)研究兩個(gè)不同性質(zhì)的學(xué)術(shù)過程結(jié)合在一起，還說明圍繞課程教學(xué)思考問題的訓(xùn)練屬于科學(xué)研究領(lǐng)域思維活動(dòng)的一種基本形式。

3 在課程教學(xué)過程中合理安排思考問題的訓(xùn)練

教師在重點(diǎn)介紹、講解每個(gè)專題前，要考慮如何訓(xùn)練學(xué)生根據(jù)學(xué)科的發(fā)展需求思考問題，這些問題是任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法中各種問題的來源。

3.1 用二維圖形學(xué)構(gòu)建軟件系統(tǒng)概念的教學(xué)

專題1：線段圖形的描述與生成?；締栴}：如何用數(shù)學(xué)的語言與方式（如描述函數(shù)）描述各種線段圖形的幾何形狀，以形成各種線段圖形的幾何模型？如何形成矢量漢字等子圖形高效率的描述方法？如何把這種描述函數(shù)轉(zhuǎn)換成算法，并根據(jù)其描述數(shù)據(jù)生成這些基本圖形？

專題2：實(shí)面積圖形的描述與生成?；締栴}：用什么方法描述實(shí)面積圖形的幾何形狀，以形成各種實(shí)面積多邊形的幾何模型？如何利用顯示設(shè)備的繪圖功能生成實(shí)面積圖形？如何實(shí)現(xiàn)直線圖形邊緣的反走樣顯示？

專題3：圖形的基本運(yùn)算。基本問題：圖形運(yùn)算的目的是什么？如何用幾何變換矩陣的方式描述圖形幾何模型的幾何變換？若用實(shí)面積多邊形的布爾運(yùn)算構(gòu)建新的復(fù)雜圖形的幾何模型，則布爾運(yùn)算的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是什么？如何實(shí)現(xiàn)其布爾運(yùn)算？

專題4：圖形的觀察運(yùn)算?；締栴}：如何把輸入到計(jì)算機(jī)中的圖形幾何模型描述數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成顯示設(shè)備坐標(biāo)系中的圖形幾何模型描述數(shù)據(jù)？并調(diào)用圖形的生成算法顯示各種圖形的幾何形狀？

專題5：圖形數(shù)據(jù)與命令的輸入?；締栴}：能用哪些方法把圖形模型描述數(shù)據(jù)與命令高效率地輸入到計(jì)算機(jī)中？如何利用輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)輸入功能與顯示設(shè)備的圖形顯示功能，編程實(shí)現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)的交互輸入？如何規(guī)劃應(yīng)用程序中的人機(jī)交互設(shè)計(jì)問題？

專題6：圖形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?；締栴}：圖形數(shù)學(xué)模型的種類與復(fù)雜、復(fù)合圖形的構(gòu)建方法，這些對(duì)保存圖形幾何模型的描述數(shù)據(jù)提出了哪些動(dòng)態(tài)管理上的要求？如何設(shè)計(jì)相應(yīng)圖形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，才能有效地保存、管理存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中的各種圖形描述數(shù)據(jù)（命令）？如何把圖形顯示區(qū)中的圖形描述數(shù)據(jù)編譯轉(zhuǎn)換成多種顯示設(shè)備能識(shí)別并運(yùn)行的顯示指令代碼，以實(shí)現(xiàn)圖形的顯示？為編程實(shí)現(xiàn)各種圖形的自動(dòng)顯示，需要確定編程處理圖形數(shù)據(jù)的基本流程和程序的功能與結(jié)構(gòu)，以形成軟件系統(tǒng)的概念。

3.2 用三維圖形學(xué)構(gòu)建數(shù)學(xué)建模的教學(xué)

專題7：照相機(jī)模型的建立與三維幾何圖形的顯示?；締栴}：如何用數(shù)學(xué)模型，特別是用矩陣的方法，描述照相機(jī)拍攝（投影顯示）三維直線圖形的物理過程？

專題8：平面物體幾何模型的構(gòu)建與圖形顯示?；締栴}：如何用直線與平面函數(shù)描述平面物體的幾何形狀？如何記錄這種描述所形成的幾何模型數(shù)據(jù)？如何構(gòu)建形狀復(fù)雜的平面幾何物體？如何顯示平面物體的幾何形狀與表面？

專題9：曲面物體幾何模型的構(gòu)建基礎(chǔ)與線框模型圖形顯示。基本問題：用什么方法描述曲面物體的幾何形狀并構(gòu)建其幾何模型？如何顯示曲面物體的幾何形狀？

專題10：燈光模型的建立與光照物體的圖形顯示?；締栴}：如何用數(shù)學(xué)模型的方法描述燈光的物理特性？如何描述在燈光照射條件下幾何物體的可視物理特性？如何顯示光照效果的曲面物體的表面與幾何形狀？如何更有效地描述光線傳播的物理特性與變化規(guī)律？

學(xué)生按照這一思路進(jìn)行選題，可考慮為實(shí)現(xiàn)像照片一樣自然景觀（如白光的薄膜干涉等現(xiàn)象）的圖像顯示，需研究哪些問題等，并發(fā)表其研究成果。課程教學(xué)內(nèi)容成熟完整后，才便于界定計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的學(xué)科內(nèi)涵。

4 分析計(jì)算機(jī)專業(yè)主要課程的基本特點(diǎn)，提煉計(jì)算科學(xué)的學(xué)科結(jié)構(gòu)

4.1 計(jì)算機(jī)教學(xué)此前無計(jì)算科學(xué)學(xué)科結(jié)構(gòu)概念的原因分析

現(xiàn)有權(quán)威資料和維基百科、百度百科表明，此前國內(nèi)外計(jì)算機(jī)教學(xué)均無計(jì)算科學(xué)學(xué)科結(jié)構(gòu)這一重要概念。以下3點(diǎn)是導(dǎo)致這一現(xiàn)象存在的重要原因。

4.1.1 對(duì)計(jì)算工具的分類作用認(rèn)識(shí)不足

盡管人們知道計(jì)算機(jī)是一種計(jì)算工具，計(jì)算機(jī)有廣泛的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)科學(xué)有自己的一套理論根據(jù)，但僅用“理論、工具與應(yīng)用”很難全面概括計(jì)算科學(xué)的研究全貌與多項(xiàng)用途。事實(shí)上，計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)工具對(duì)總結(jié)計(jì)算科學(xué)的學(xué)科結(jié)構(gòu)非常重要。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)能對(duì)編程實(shí)現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型與邏輯模型，進(jìn)行自動(dòng)解算與推理的通用計(jì)算工具。這決定了程序設(shè)計(jì)在編程使用計(jì)算機(jī)上的重要性。

操作系統(tǒng)是對(duì)計(jì)算機(jī)的各種硬件資源與軟件資源進(jìn)行程序管理，使計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行的系統(tǒng)工具軟件。同時(shí)，它能對(duì)用戶程序（命令）的輸入、存儲(chǔ)管理與自動(dòng)運(yùn)行提供服務(wù)（包括對(duì)通信進(jìn)程進(jìn)行有效監(jiān)管控制），并用人機(jī)交互與圖形界面的方式記載這種用戶程序與命令操作的運(yùn)行結(jié)果。

編譯系統(tǒng)是用高級(jí)語言編程必備的系統(tǒng)工具軟件，它可以把用戶用高級(jí)語言編寫的程序源代碼、編譯轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別并自動(dòng)執(zhí)行的機(jī)器語言程序代碼。

算法語言是用戶為編程使用計(jì)算機(jī)的各種計(jì)算功能，用類自然語言的方式與計(jì)算機(jī)相互交流思想的符號(hào)表達(dá)工具。

這些計(jì)算工具本身沒有直接解決數(shù)學(xué)計(jì)算與邏輯推理等應(yīng)用問題，該任務(wù)由編程解決。

這類計(jì)算工具是在實(shí)際應(yīng)用過程中總結(jié)、提煉的結(jié)果，工具本身一般不直接解決最終的應(yīng)用問題，這是工具的第一個(gè)特點(diǎn)。它的第二個(gè)特點(diǎn)是工具的制造具有遞歸性，即可用簡單工具制造復(fù)雜工具。它的第三個(gè)特點(diǎn)是專業(yè)復(fù)雜工具的制造方法與技術(shù)具有封閉性與隱蔽性，但這不影響他人對(duì)工具的操作使用；且其隱蔽、封閉性是工具使用方便、高效的主要原因。

軟件系統(tǒng)與計(jì)算工具等概念的形成，是用抽象的方法（從眾多事物中總結(jié)提煉出具有共同本質(zhì)的特征、而舍棄其非本質(zhì)的特征等內(nèi)容）處理形成的結(jié)果。

4.1.2 傳統(tǒng)課程沒有講清計(jì)算機(jī)仿真的原理與計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的基本規(guī)律

傳統(tǒng)計(jì)算科學(xué)的核心課程（計(jì)算機(jī)導(dǎo)論、計(jì)算機(jī)原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、算法語言與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編譯系統(tǒng)與操作系統(tǒng)、軟件工程、離散數(shù)學(xué)、數(shù)據(jù)庫和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)）從未講清計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的基本規(guī)律與計(jì)算機(jī)仿真的基本原理。學(xué)生往往通過課后大量的編程訓(xùn)練，積累對(duì)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)仿真的認(rèn)識(shí)。這種程序設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)式教學(xué)培養(yǎng)模型，無助于學(xué)生總結(jié)并提煉計(jì)算科學(xué)的學(xué)科結(jié)構(gòu)。相反，人們?cè)谒惴ㄕZ言與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)上存在一些模糊認(rèn)識(shí)。例如，算法語言是用一組語法規(guī)則與功能約定的一種符號(hào)標(biāo)記系統(tǒng)，它讓人們掌握語言的符號(hào)約定、功能、特性以及用算法語句描述給定的數(shù)學(xué)計(jì)算與數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷等――即其教學(xué)主要是完成程序的編碼訓(xùn)練，由此形成算法；也為研制該語言的編譯系統(tǒng)做鋪墊。然而部分算法語言的教科書，只有一些算法驗(yàn)證性應(yīng)用實(shí)例，并把它們等同于計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)教學(xué)，這無助于初學(xué)者全面正確地掌握計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的基本規(guī)律，因?yàn)閷W(xué)習(xí)算法語言后，他們還是沒有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是研究用程序編碼的方式，在計(jì)算機(jī)中有效實(shí)現(xiàn)多種類型數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)組織（形成線性、非線性、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形式以及靜態(tài)或動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)形式的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法）、存儲(chǔ)管理、排序檢索與編程效率等任務(wù)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程有很多計(jì)算復(fù)雜性的案例，是培訓(xùn)人們掌握編程技巧的一種有效方法。因?yàn)榫帉懗绦蛩捎玫臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)往往決定了算法的編碼實(shí)現(xiàn)方法，更重要的是，CPU是根據(jù)保存在內(nèi)存各處程序代碼的邏輯次序、通過逐條讀取其指令代碼來完成用戶指定應(yīng)用程序（或命令）的執(zhí)行。如何規(guī)劃、設(shè)計(jì)、調(diào)度與管理內(nèi)存的使用，這與數(shù)據(jù)的調(diào)度與管理原理類似，是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)討論的問題之一（常在操作系統(tǒng)課程中介紹解決該問題的方法。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)問題本質(zhì)上屬計(jì)算機(jī)內(nèi)存的動(dòng)態(tài)、合理使用與管理問題）。而該課程中所謂抽象數(shù)據(jù)類型，是指在指定的數(shù)據(jù)集上定義對(duì)該數(shù)據(jù)元素進(jìn)行多種加工等編程操作方法。這個(gè)數(shù)據(jù)集以及對(duì)其數(shù)據(jù)元素的加工方法（數(shù)據(jù)集與其加工方法均能遞歸定義），應(yīng)來源于人們用數(shù)學(xué)的方法描述解決實(shí)際應(yīng)用問題這一過程，該主次關(guān)系不能顛倒。沒有這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與程序編碼等基礎(chǔ)訓(xùn)練，初學(xué)者很難規(guī)劃好一個(gè)軟件的系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)。

由于傳統(tǒng)的算法語言與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)無數(shù)學(xué)建模（它決定了解決多種應(yīng)用問題算法的來源）與軟件系統(tǒng)的概念，故傳統(tǒng)的算法語言與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程沒有講清程序設(shè)計(jì)的基本規(guī)律。

4.1.3 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)課程存在教學(xué)問題

首先，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程存在教學(xué)問題，現(xiàn)已被本教學(xué)改革有效化解。

其次，軟件工程課程存在教學(xué)效果空洞抽象等困惑。若把新的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程作為軟件工程課程的教學(xué)實(shí)習(xí)對(duì)象，可以有效解決該教學(xué)困惑。由于新的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程可以講清程序設(shè)計(jì)的基本規(guī)律與計(jì)算機(jī)仿真的基本原理，這使軟件工程課程的教學(xué)從理論上能達(dá)到軟件全生命周期設(shè)計(jì)的教學(xué)目的。

第三，計(jì)算機(jī)導(dǎo)論與計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程存在教學(xué)困惑。計(jì)算機(jī)導(dǎo)論應(yīng)對(duì)計(jì)算學(xué)科發(fā)展的全貌作整體介紹，并理順計(jì)算學(xué)科與其他學(xué)科之間的關(guān)系，引導(dǎo)讀者根據(jù)自己的需求有效選擇學(xué)習(xí)不同的計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)。由于此前計(jì)算機(jī)課程存在以上問題，導(dǎo)致歷次獲國家級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)的計(jì)算機(jī)教學(xué)改革成果以通過有效載體進(jìn)入課程教學(xué)，致使計(jì)算機(jī)課程教學(xué)體系仍然不夠成熟。這往往是行業(yè)外人士選修計(jì)算機(jī)課程的迷惑。因?yàn)樽耘ｎD時(shí)代以來，用數(shù)學(xué)的語言描述自然科學(xué)取得的新進(jìn)展，是各自然學(xué)科之間相互交流學(xué)術(shù)思想與成果的通用方法；然而目前其他自然科學(xué)工作者學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)后，卻無法順利地用計(jì)算工具的方法來表達(dá)其各自學(xué)科建設(shè)研究成果的數(shù)學(xué)模型等。這種計(jì)算機(jī)課程教學(xué)不便于計(jì)算機(jī)教育與其他自然科學(xué)教育進(jìn)行對(duì)等有效的學(xué)術(shù)交流，并導(dǎo)致計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)出現(xiàn)危機(jī)。另計(jì)算機(jī)教學(xué)無計(jì)算科學(xué)學(xué)科結(jié)構(gòu)的概念，即人們沒有評(píng)判計(jì)算機(jī)導(dǎo)論教材好壞的客觀標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)改革取得的新成果――發(fā)現(xiàn)計(jì)算科學(xué)學(xué)科結(jié)構(gòu)的客觀存在，為重構(gòu)計(jì)算機(jī)導(dǎo)論與計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程提供了重要借鑒。

最后，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程存在不足。如該課程介紹網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議較多，卻較少介紹網(wǎng)絡(luò)通信工具的構(gòu)建與編程使用方法，以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信程序的編程實(shí)現(xiàn)，這不利于初學(xué)者承擔(dān)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的重任。

4.2 借鑒計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教改成果。歸納計(jì)算科學(xué)的學(xué)科結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)核心課程缺少一門計(jì)算機(jī)的綜合運(yùn)用課程，以總結(jié)并提煉計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的基本規(guī)律與計(jì)算機(jī)仿真的基本原理。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程可以很好地承擔(dān)這一重任。有了計(jì)算工具的概念與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程后，可以重新分類、歸納已知計(jì)算機(jī)的多種應(yīng)用。

成熟的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)核心課程的教學(xué)，使計(jì)算科學(xué)理論（即計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)理論和專業(yè)知識(shí)。它需回答：什么能被工具有效地進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，用什么方法研究該命題并形成哪些結(jié)論、成熟的理論與發(fā)展方向；滿足何種條件的實(shí)物裝置能實(shí)現(xiàn)計(jì)算功能，計(jì)算裝置如何構(gòu)造實(shí)現(xiàn)并使其正常運(yùn)行、操作使用；可計(jì)算性的實(shí)現(xiàn)前提是什么，如何用該計(jì)算裝置實(shí)現(xiàn)這種自動(dòng)計(jì)算，如何保證計(jì)算結(jié)果的正確性和計(jì)算裝置運(yùn)行的安全穩(wěn)定，該計(jì)算裝置有多強(qiáng)大的計(jì)算能力；計(jì)算理論與計(jì)算機(jī)專業(yè)各課程的關(guān)系等）、工具（算法語言、編譯系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）與應(yīng)用（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與檢索，數(shù)據(jù)計(jì)算、仿真、符號(hào)變換與推理，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信，數(shù)據(jù)獲取、輸出表達(dá)與控制即多媒體）3個(gè)學(xué)科形態(tài)得到完整展現(xiàn)。它們是形成計(jì)算機(jī)專業(yè)多個(gè)發(fā)展方向（如殺毒與網(wǎng)絡(luò)防火墻、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)與查詢、網(wǎng)頁設(shè)計(jì)開發(fā)工具與網(wǎng)站建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，即時(shí)通信、流媒體與播放器、人工智能與專家系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)嵌入式應(yīng)用、計(jì)算機(jī)在通信與自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用等）與綜合（如3D網(wǎng)絡(luò)游戲）或研發(fā)計(jì)算機(jī)硬件（計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與CPU設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)工程）的基礎(chǔ)。

因互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算有網(wǎng)絡(luò)理論（在通信理論的支持下，如何可靠、快速、方便、安全地實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)信息描述數(shù)據(jù)的通信；網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的理論基礎(chǔ)與基本規(guī)則是什么，如何利用網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行有效的傳輸與計(jì)算）、網(wǎng)絡(luò)工具（計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)、路由器與交換機(jī)、調(diào)制解調(diào)器、Java、html語言、瀏覽器、Socket、遵循HLA標(biāo)準(zhǔn)的分布式實(shí)時(shí)仿真工具RTI、網(wǎng)絡(luò)游戲引擎）與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用（如計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信與監(jiān)管、電子商務(wù)、社交網(wǎng)站、網(wǎng)絡(luò)游戲、云計(jì)算、信息技術(shù)與信息系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的應(yīng)用等）。

圖1顯示了計(jì)算科學(xué)的學(xué)科結(jié)構(gòu)。由計(jì)算機(jī)仿真的基本原理與可計(jì)算性的實(shí)現(xiàn)前提，可論證程序設(shè)計(jì)教學(xué)與計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)的一致性。

故計(jì)算作為一門學(xué)科（招生專業(yè)）的根據(jù)是：①它有自己獨(dú)立的研究領(lǐng)域。即什么能被有效地用工具進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算以及可靠、安全、快速地傳輸？②產(chǎn)生專業(yè)知識(shí)的方法?？茖W(xué)研究與科學(xué)思維是產(chǎn)生（創(chuàng)造）多種學(xué)科新知識(shí)的主要方法，這是研究生階段的主要學(xué)習(xí)任務(wù)。③由此形成的理論體系與其學(xué)科結(jié)構(gòu)。這是本科生學(xué)習(xí)階段應(yīng)掌握的專業(yè)知識(shí)。④傳授知識(shí)的法定機(jī)構(gòu)與辦學(xué)條件。⑤廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。

篇（5）

主管單位：中國科學(xué)院

主辦單位：中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所;中國圖象圖形學(xué)學(xué)會(huì);北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)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(hào)：1006-8961

國內(nèi)刊號(hào)：11-3758/TB

郵發(fā)代號(hào)：82-831

發(fā)行范圍：國內(nèi)外統(tǒng)一發(fā)行

創(chuàng)刊時(shí)間：1996

期刊收錄：

中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)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)

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聯(lián)系方式

期刊簡介

篇（6）

核心期刊在發(fā)表的時(shí)候，大家應(yīng)該都知道它相對(duì)于其他的期刊來說，應(yīng)該都是比較難的吧，所以就有很多人就會(huì)選擇核心期刊的增刊，那么問題來說，核心期刊的增刊還屬于核心期刊嗎？今天小編就來和大家詳細(xì)的講解一下。

增刊并不是非法刊物，增刊是很多正規(guī)刊物每年出版的合集，新聞出版總署規(guī)定，正規(guī)刊物每年可以出版兩期增刊，由于增刊的刊號(hào)、主管單位、主辦單位等等信息都是完全一致的，但是發(fā)表增刊需要三思而后行。

增刊上發(fā)表的論文并非絕對(duì)無效，因?yàn)槠诳ǔ０岩恍┚哂邢喈?dāng)水準(zhǔn)，但又無法在正常周期的刊物上發(fā)表的文稿安排在增刊上，因此增刊的學(xué)術(shù)影響力較正常周期出版的刊物為弱，在評(píng)定中級(jí)以下職稱時(shí)，省級(jí)期刊的增刊大多不被承認(rèn)，但國家級(jí)期刊或核心期刊的增刊往往會(huì)被降級(jí)使用，相當(dāng)于省級(jí)期刊或普通學(xué)術(shù)期刊。

所以在職稱評(píng)審中，一般是不認(rèn)可增刊發(fā)表的文章的，即便是核心期刊的增刊，也同樣是不被認(rèn)可的，文章也不會(huì)被知網(wǎng)等數(shù)據(jù)庫收錄，因此在評(píng)職稱中是不能發(fā)揮作用的，建議作者不要發(fā)表增刊，評(píng)職稱晉升最好發(fā)表正刊，正刊發(fā)表確實(shí)不易，尤其核心期刊，但是作者只要做足充分的準(zhǔn)備也是可以順利發(fā)表的。

核心期刊推薦：《計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)》(月刊)創(chuàng)刊于1989年，是由中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)主辦的我國CAD和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域第一個(gè)公開出版的學(xué)術(shù)刊物。該刊以快速傳播CAD與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)為目的，刊登有創(chuàng)新的學(xué)術(shù)論文，報(bào)導(dǎo)最新科研成果和學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)，及時(shí)反映該領(lǐng)域發(fā)展水平與發(fā)展方向。

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關(guān)鍵詞: 虛擬森林;環(huán)境模擬;遺傳算法;L系統(tǒng);二叉樹

Key words: virtual trees;environmental simulation;genetic algorithm;L system;binary tree

中圖分類號(hào):TP34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1006-4311(2010)28-0155-02

1概述

虛擬森林環(huán)境(Virtual Forest Environments, VFE)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在林業(yè)科學(xué)上的應(yīng)用實(shí)踐,它以林業(yè)空間數(shù)據(jù)為依托,以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為特征,構(gòu)建森林對(duì)象,表達(dá)及分析復(fù)雜的森林現(xiàn)象,這種不同與以往二維圖形的表達(dá)方式誘發(fā)了三維可視化的新方法,新思想,新發(fā)展。虛擬森林環(huán)境是一個(gè)可進(jìn)行森林實(shí)驗(yàn)的虛擬工作室或人與人交流研討、協(xié)同工作的媒介平臺(tái),在虛擬森林環(huán)境中可以做定性與定量的綜合分析,解決復(fù)雜森林管理規(guī)劃問題、科學(xué)地協(xié)同決策。虛擬森林環(huán)境可用于對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的森林?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行模擬、分析、解釋、預(yù)測等,幫助理解復(fù)雜的森林生長現(xiàn)象,支持林業(yè)規(guī)劃、決策和調(diào)控。因此,面向林業(yè)的虛擬森林環(huán)境的研究,是一個(gè)十分復(fù)雜而迫切需要解決的問題,它將為林業(yè)建設(shè)提供一個(gè)廣泛而形象化的信息處理環(huán)境及支撐工具,為專家提供林業(yè)決策的新平臺(tái),有效推動(dòng)森林資源的合理保護(hù)和營林生產(chǎn)等林業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)的信息化進(jìn)程,進(jìn)而提高林業(yè)管理的現(xiàn)代化水平,促進(jìn)資源、環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展問題的討論,具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

地球表面上只要有植物生活所必須的環(huán)境條件就會(huì)有植物聚集生長并形成種群。植物種群的基本特征是植物與植物,植物與環(huán)境之間的相互關(guān)系。植物種群是植物群落的基本單元,具有以下三個(gè)基本特征:①空間特征:種群具有一定的分布區(qū)域、分布形式和空間等級(jí)結(jié)構(gòu);②數(shù)量特征:種群在單位面積上(空間內(nèi))有一定的個(gè)體數(shù)量,并將隨時(shí)間而發(fā)生變化;③遺傳特征:種群有特定的基因構(gòu)成,種群內(nèi)的所有個(gè)體具有一個(gè)共同的基因庫,基因頻率具有空間分布型,并隨時(shí)間而進(jìn)化。

虛擬森林環(huán)境中的研究重點(diǎn)是對(duì)植物種群的研究,最終是要說明植物種群的動(dòng)態(tài)分化與適應(yīng)過程。然而,虛擬自然景物技術(shù)發(fā)展到今天,構(gòu)造虛擬植物的模型已經(jīng)很多,但多數(shù)都側(cè)重于圖形學(xué)方面,主要研究對(duì)象在某一時(shí)刻的具體形態(tài)。本文受達(dá)爾文生物進(jìn)化論思想啟發(fā),借鑒生物界自然選擇和進(jìn)化機(jī)制,從植物種群著手,利用遺傳算法構(gòu)造了虛擬植物模擬器,為實(shí)現(xiàn)虛擬森林中植物個(gè)體間優(yōu)勝劣汰的競爭關(guān)系提供實(shí)現(xiàn)手段,在一定程度上實(shí)現(xiàn)虛擬森林反演過去,再現(xiàn)現(xiàn)實(shí),預(yù)測未來的動(dòng)態(tài)功能。

2模擬與實(shí)現(xiàn)

在為虛擬植物建模時(shí),本文使用了基于二叉樹的L系統(tǒng),該方法的特點(diǎn)是在L系統(tǒng)文法生成初期就已經(jīng)體現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)之間的上下文關(guān)系,并且在內(nèi)部生長因子和外部環(huán)境因子的共同作用下,將枝干的粗度、偏轉(zhuǎn)角度、長度、出芽點(diǎn)個(gè)數(shù)等信息存儲(chǔ)在相關(guān)結(jié)點(diǎn)中。二叉樹的建立是從頂向下遞增完成的,需要遍歷生長狀態(tài)對(duì)應(yīng)的字符串。該算法的創(chuàng)新在于各個(gè)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系在L系統(tǒng)建立時(shí)就已經(jīng)存在,結(jié)點(diǎn)與其相鄰的結(jié)點(diǎn)間存在著上下文的關(guān)系,這種新型的基于二叉樹的L系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在描述環(huán)境敏感型虛擬植物方便有效。枝條彎曲的模擬對(duì)于形象地模擬植物的形態(tài)很重要。彎曲模擬一般用參數(shù)曲線擬合的方法來模擬枝條的彎曲。該方法雖然能模擬各種枝條的彎曲,但需要對(duì)枝條彎曲形狀做大量測量,通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出曲線控制參數(shù)。這種方法不適合模擬植物生長的過程。本文通過分析枝干的受力情況,確定分枝偏轉(zhuǎn)的角度。分枝的空間位置體現(xiàn)了枝條受重力作用表現(xiàn)出的屈地性以及受光照影響表現(xiàn)出的向光性。使得不同生長長度和不同生長位置的枝條彎曲的程度不相同。因此建立了基于環(huán)境敏感型植物的虛擬森林模型。該模型包括了虛擬植物模型、虛擬植物模擬器、環(huán)境模擬器、環(huán)境模型和環(huán)境因子(陽光、溫度等)。該模型從宏觀和微觀兩個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)虛擬植物與環(huán)境之間的交互。宏觀方面,虛擬植物和環(huán)境之間存在交互,環(huán)境因子作用于虛擬植物的生長模擬,當(dāng)環(huán)境變化后,植物個(gè)體需要改變其形態(tài)來適應(yīng)環(huán)境的變化;微觀方面是從植物生態(tài)屬性出發(fā),利用遺傳算法通過改變植物的基因片段體現(xiàn)虛擬森林環(huán)境下種群中植物個(gè)體之間的競爭關(guān)系,模擬自然界中的優(yōu)勝劣汰的選擇規(guī)律。該模型的提出使得環(huán)境敏感型植物的模擬更加真實(shí)自然,有效地反映出植物之間的競爭關(guān)系,在一定程度上實(shí)現(xiàn)了虛擬森林環(huán)境反演過去、再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)、預(yù)測未來的功能。

3總結(jié)與展望

植物是自然場景的重要組成部分,在虛擬現(xiàn)實(shí)/環(huán)境、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫與仿真中,植物模型的精細(xì)程度和外觀效果直接影響室外場景的真實(shí)感。因此,植物的建模表示與真實(shí)感繪制一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件系統(tǒng)的飛速發(fā)展,特別是可編程圖形卡及相應(yīng)編程語言的功能日益完善和強(qiáng)大,人們開始考慮動(dòng)態(tài)自然場景的真實(shí)感繪制問題;另一方面,數(shù)字娛樂與媒體如影視特效、視頻游戲等也迫切希望圖形學(xué)提供有效、快捷的算法來處理動(dòng)態(tài)變化的室外場景,并在獲得更為逼真的動(dòng)態(tài)效果的同時(shí)加快制作工序并節(jié)省成本。注意到植物形態(tài)各異、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其生長和運(yùn)動(dòng)蘊(yùn)含著錯(cuò)綜復(fù)雜的物理和生物學(xué)規(guī)律與機(jī)理。因此,在保證一定的形態(tài)真實(shí)感的前提下,構(gòu)造合適的物理模型和生物學(xué)模型,加速模擬計(jì)算,以便最大限度獲得運(yùn)動(dòng)或變化真實(shí)感顯得頗為重要。本文基于物理和生物學(xué)原理,從植物的表達(dá)模型出發(fā),研究植物的動(dòng)力學(xué)模擬與生長模擬,力求在形態(tài)真實(shí)感、運(yùn)動(dòng)真實(shí)感以及效率之間取得較好的平衡,以滿足相關(guān)應(yīng)用的需求。

參考文獻(xiàn):

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[2]邵國凡,趙士洞,舒噶特.森林動(dòng)態(tài)模擬― 兼論紅松林的優(yōu)化經(jīng)營[M].北京:中國林業(yè)出版社,1995.

[3]陳昭炯.基于L-系統(tǒng)的植物結(jié)構(gòu)形態(tài)模擬方法[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2000,12(8):571- 574.

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[5]張帆.虛擬場景中的自然景觀模擬[D].南京:南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006.

篇（8）

 

動(dòng)畫自誕生之日起，從紙面時(shí)代走向如今的無紙時(shí)代，經(jīng)歷了兩次巨大的變革，一是賽璐珞片的應(yīng)用，另一次則為計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)在動(dòng)畫領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)的介入使得動(dòng)畫在制作環(huán)節(jié)節(jié)省了大量的人力與物力，將動(dòng)畫專業(yè)人員從繁重的繪制工作中解放出來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷深入，三維虛擬技術(shù)更是為動(dòng)畫注入了新的活力，上個(gè)世紀(jì)九十年代世界第一部全三維動(dòng)畫電影《玩具總動(dòng)員》問世，其后的十余年三維動(dòng)畫得到了迅猛的發(fā)展，涌現(xiàn)了諸如《冰河世紀(jì)》、《馬達(dá)加斯加》、《飛屋歷險(xiǎn)記》、《機(jī)器人瓦利》、《海底總動(dòng)員》等優(yōu)秀的動(dòng)畫影片。

1.計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)發(fā)展

計(jì)算機(jī)技術(shù)在動(dòng)畫方面的運(yùn)用可謂是由來已久，自從上個(gè)世紀(jì)六十年代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的興起，動(dòng)畫便悄然伴隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展而發(fā)生著日新月異的變化。動(dòng)畫目前的主流形式分為二維動(dòng)畫和三維動(dòng)畫，二維動(dòng)畫以平面繪畫為基礎(chǔ)，三維動(dòng)畫則將雕塑藝術(shù)融入其中，此二者由于所依托的基礎(chǔ)不同所以在制作層面上也有著迥然不同的方法。

首先，計(jì)算機(jī)的發(fā)展將二維動(dòng)畫帶入了一個(gè)無紙化時(shí)代，傳統(tǒng)動(dòng)畫使用賽璐珞片繪制動(dòng)畫的方式已經(jīng)逐漸被計(jì)算機(jī)繪圖所替代，如:photoshop、painter、coreldraw等核心繪圖軟件提供了動(dòng)畫專業(yè)技術(shù)人員眾多繪制平臺(tái)，數(shù)字筆的推陳出新更為他們提供了良好的繪圖工具，高效的感應(yīng)度，靈敏的壓感效果，無疑為動(dòng)畫的發(fā)展打開了一扇快捷之門。此外flash軟件作為方便而使用的動(dòng)畫制作工具，在目前的二維動(dòng)畫領(lǐng)域被廣泛使用，其方便快捷文件體積小等諸多特征都是其得以業(yè)界認(rèn)同的主要方面。當(dāng)然最新版本的flash cs 4還仿效三維軟件提供了骨骼綁定和攝影機(jī)功能，足見二維動(dòng)畫的三維化勢必要成為另一個(gè)發(fā)展趨勢。

其次，談及三維動(dòng)畫的發(fā)展不得不提及《玩具總動(dòng)員》，這部影片是世界上第一部真正意義上的全計(jì)算機(jī)虛擬合成的三維動(dòng)畫片。實(shí)際上動(dòng)畫片的三維時(shí)代早在計(jì)算機(jī)應(yīng)用于動(dòng)畫之前便已存在，傳統(tǒng)的偶動(dòng)畫在筆者看來就是三維動(dòng)畫的一種表現(xiàn)，只不過如今的人們，無論是動(dòng)畫業(yè)界還是普通觀眾提及三維動(dòng)畫首先想到的就是計(jì)算機(jī)虛擬三維合成動(dòng)畫而忘記了三維的實(shí)體形式。目前在制作計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫使用做多的當(dāng)屬3DMax和Maya軟件，計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫的制作與計(jì)算機(jī)二維動(dòng)畫有著很大的不同之處，三維動(dòng)畫在制作環(huán)節(jié)具體包含以下幾個(gè)流程：三維建模（根據(jù)二維設(shè)定稿建造三維模型）、骨骼綁定（主要針對(duì)三維角色）、貼圖繪制（使用繪圖軟件繪制模型表面）、貼圖縫合（將貼圖貼合于模型）、動(dòng)作（根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律調(diào)整角色動(dòng)作與鏡頭運(yùn)動(dòng)關(guān)系）。在三維動(dòng)畫制作的動(dòng)作環(huán)節(jié)，目前最新一項(xiàng)技術(shù)就是動(dòng)態(tài)捕捉，將此項(xiàng)技術(shù)用到極致的一部電影當(dāng)屬《阿凡達(dá)》，詹姆斯.卡梅隆不光使用更多的捕捉點(diǎn)進(jìn)行了身體動(dòng)作的動(dòng)態(tài)捕捉，而且特地在面部增加一臺(tái)攝影機(jī)對(duì)面部表情進(jìn)行細(xì)節(jié)捕捉，這一做法無疑為三維虛擬人物增添了真實(shí)度。論文參考。

然而也正是由于《阿凡達(dá)》中所創(chuàng)造的世外桃源般的虛擬星球潘多拉過于真實(shí)，甚至到達(dá)了真假難辨的境地，拖著長長尾巴的納美人看起來除了外觀上與你我無異，所以很多人都在質(zhì)疑《阿凡達(dá)》這部影片究竟該不該屬于動(dòng)畫的范疇，計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)的發(fā)展是對(duì)動(dòng)畫的發(fā)展還是迷失，在新的技術(shù)沖擊下動(dòng)畫路在何方？

2.何謂動(dòng)畫

什么才是動(dòng)畫，這似乎不應(yīng)該再成為問題，但是計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)于動(dòng)畫制作技術(shù)的革新卻一而再再而三地挑釁著何謂動(dòng)畫的命題，《大美百科全書》中的解釋是這樣的：動(dòng)畫藝術(shù)又稱為動(dòng)畫電影，系利用單格畫面拍攝法，經(jīng)由畫家特殊的技巧表現(xiàn)而攝制完成的影片，其內(nèi)容包括：卡通動(dòng)畫、剪紙動(dòng)畫、木偶動(dòng)畫及特殊的合成影片。Wikipedia（維奇百科）則這樣論述道: Animation is therapid display of a sequence of images of 2D or 3D artwork or model positions inorder to create an illusion of movement. It is an optical illusion of motiondue to the phenomenon of persistence of vision, and can be created anddemonstrated in a number of ways. The most common method of presentinganimation is as a motion picture or video program, although several other formsof presenting animation also exist.(動(dòng)畫是一系列二維圖畫或三維作品或模型的快速播放，目的在于創(chuàng)造運(yùn)動(dòng)的幻象。他是基于視覺暫留的運(yùn)動(dòng)視覺幻象，并且可以通過多種形式產(chǎn)生、呈現(xiàn)。動(dòng)畫呈現(xiàn)的最主要途徑是作為運(yùn)動(dòng)的畫面或者視頻節(jié)目，當(dāng)然很多其他形式的呈現(xiàn)方式也同樣存在)。論文參考。在筆者看來，無論是從基于傳統(tǒng)視覺暫留原理給出的定義，還是從創(chuàng)造運(yùn)動(dòng)幻想的角度進(jìn)行解讀，動(dòng)畫始終都是對(duì)于無生命的一種生命的創(chuàng)造，途徑與手段各有不同，但依舊殊途同歸。

以美國著名電影導(dǎo)演詹姆斯.卡梅隆的震撼巨制《阿凡達(dá)》為例，這部科幻大片在眾多人眼中只不過是普通的電影，技術(shù)上采用大量計(jì)算機(jī)模擬特效，在筆者看來則不然，《阿凡達(dá)》不僅僅為世人創(chuàng)造了一個(gè)世外桃源般的潘多拉星球，同時(shí)也全面揭開了動(dòng)畫創(chuàng)作的新紀(jì)元。該片中大量采用了計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)捕捉與三維模擬技術(shù)，將一系列的不可能、不存在轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)以無比絢爛奪目的畫面呈現(xiàn)于觀者面前，將我們帶入一個(gè)全權(quán)由導(dǎo)演設(shè)計(jì)的環(huán)境空間，體會(huì)著現(xiàn)實(shí)中早已消失的純凈。動(dòng)畫也正是在此刻真正意義上實(shí)現(xiàn)了一種對(duì)生命的創(chuàng)造，甚至是他的更高級(jí)——生命體系的構(gòu)建。

3.動(dòng)畫的發(fā)展趨勢

動(dòng)畫技術(shù)的發(fā)展不斷推動(dòng)著動(dòng)畫歷程的發(fā)展，每一次動(dòng)畫技術(shù)的革新帶來的都是動(dòng)畫效率的大幅提高，賽璐珞片的發(fā)明使得單幅場景最大限度上得到了運(yùn)用，更是將分層概念引入動(dòng)畫制作當(dāng)中，通過分層技術(shù)創(chuàng)造出豐富的鏡頭與景深影像，在早期動(dòng)畫電影《小鹿斑比》中這點(diǎn)尤為突出。論文參考。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的興起，對(duì)于動(dòng)畫來說是一件革命性的事件，他讓眾多動(dòng)畫專業(yè)制作人員從繁重而枯燥的繪制工作中擺脫出來，為動(dòng)畫領(lǐng)域帶來了一翻百家爭鳴的景象。商業(yè)動(dòng)畫電影越來越多的依賴于計(jì)算機(jī)圖形的處理，以絢爛奪目的視覺盛宴饕餮著觀者的眼球，藝術(shù)動(dòng)畫側(cè)重于動(dòng)畫畫面的繪畫藝術(shù)感與造型感，獨(dú)立動(dòng)畫則追尋著人類思想與情感的腳步前行，當(dāng)然這一切并非絕對(duì)，彼此的融合與滲透有時(shí)也會(huì)帶來與眾不同的化學(xué)反應(yīng)。

以《阿凡達(dá)》為例，詹姆斯.卡梅隆大量運(yùn)用了計(jì)算機(jī)三維虛擬技術(shù)為觀者創(chuàng)造了一場視覺的盛宴，然而之所以該片會(huì)讓全球范圍內(nèi)如此多的人趨之若鶩并非只有絢爛的視覺體驗(yàn)，從《阿凡達(dá)》故事發(fā)展的角度看,其脈絡(luò)圍繞著人類生存，關(guān)注人類發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間的博弈，試圖用最簡單的方式獲得最廣泛的共鳴，擺脫說教的成分，給每位觀者直接的心靈感應(yīng)。

動(dòng)畫發(fā)展到今日，計(jì)算機(jī)的介入日益深入，筆者認(rèn)為動(dòng)畫的界定不應(yīng)僅僅局限于技術(shù)層面，更應(yīng)當(dāng)是對(duì)虛擬世界的直觀展示，賦予生命的過程，這一過程或許受到技術(shù)的影響存在差異，但結(jié)果都一樣——非生命的生命化，靈魂在此過程中被一一賦予，然而對(duì)于類似《阿凡達(dá)》的商業(yè)電影，計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)所帶來的視覺饕餮是無以替代的，在未來相當(dāng)長的一段時(shí)期，占據(jù)動(dòng)畫電影市場的大半江山，這一點(diǎn)在近年來的動(dòng)畫電影上得到體現(xiàn)，如：《飛屋歷險(xiǎn)記》、《冰河世紀(jì)》等動(dòng)畫商業(yè)大片，相信基于計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)的動(dòng)畫巨制將持續(xù)引領(lǐng)動(dòng)畫主流趨勢。

參考文獻(xiàn)：

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[2]《The Animation Bible》 By Maureen Furniss Published by John Libbey Publishing,2008.

[3]《Animation from Pencilto Pixel》 By Tony White.

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中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

1引言

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,簡稱VR)主要采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高技術(shù)生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境(Virtual Environment,簡稱VE),用戶借助必要的設(shè)備(如特制的服裝、頭盔、手套和鞋),以自然的方式與虛擬環(huán)境中的實(shí)體對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響,從而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)具有3I特性,即交互(Interaction)特性、沉浸(Immersion)特性和構(gòu)想(Imagination)特性。交互特性強(qiáng)調(diào)參與者通過專用設(shè)備以人類自然方式與VE中的對(duì)象進(jìn)行相互操作;沉浸特性要求計(jì)算機(jī)所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境能使參與者產(chǎn)生置身其中的體驗(yàn);構(gòu)想特性是指虛擬環(huán)境能夠啟發(fā)參與者發(fā)現(xiàn)新問題并輔助產(chǎn)生創(chuàng)新思維。

二十世紀(jì)六十年代初,“圖靈獎(jiǎng)”獲得者,被稱為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之父的美國科學(xué)家Ivan Sutherland發(fā)表“終極顯示”論文提出虛擬現(xiàn)實(shí)概念,自此,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)歷經(jīng)一系列里程碑式的理論、方法與技術(shù)研究工作,并取得了重大工程應(yīng)用成果。今天虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)非常廣泛,主要包括三大應(yīng)用方向,即訓(xùn)練演練、規(guī)劃設(shè)計(jì)與預(yù)測、觀賞娛樂等。例如在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中進(jìn)行作戰(zhàn)指揮模擬,宇宙飛船、飛機(jī)、艦船模擬駕駛訓(xùn)練,飛機(jī)、導(dǎo)彈、輪船等復(fù)雜系統(tǒng)的虛擬設(shè)計(jì)與制造,城市環(huán)境規(guī)劃及其建筑物的展示,手術(shù)培訓(xùn)與導(dǎo)航,游戲動(dòng)漫與影視制作等。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)涉及的學(xué)科綜合性、交叉性強(qiáng),是可以拉動(dòng)多學(xué)科發(fā)展,不斷產(chǎn)生新思想、新技術(shù),具有廣泛和重大應(yīng)用前景的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)確定為信息領(lǐng)域優(yōu)先支持的三大前沿技術(shù)之一。

2課程的特點(diǎn)

北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院從1994年開始從事虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域的研究,取得許多創(chuàng)新成果,在相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域產(chǎn)生了較大影響,逐步形成了北航計(jì)算機(jī)學(xué)院一個(gè)新的優(yōu)勢學(xué)科方向。作為計(jì)算機(jī)應(yīng)用本科生的專業(yè)限選課程,“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”課程教學(xué)已經(jīng)講授了5年。本課程的教學(xué)目的是通過對(duì)有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)國內(nèi)外研究熱點(diǎn)問題、典型研究工作的介紹,使學(xué)生了解當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展趨勢;通過對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)基本原理、基本算法、開發(fā)方法、主流系統(tǒng)的介紹,使學(xué)生掌握虛擬現(xiàn)實(shí)主要技術(shù)、開發(fā)環(huán)境與平臺(tái);以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究工作為主要實(shí)踐教學(xué)支撐,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,滿足國民經(jīng)濟(jì)和國防部門對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域?qū)ｉT人才的需求。虛擬現(xiàn)實(shí)課程具有以下特點(diǎn):

2.1學(xué)科交叉性、綜合性強(qiáng)

國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要指出:“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)重點(diǎn)研究心理學(xué)、控制學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)分布系統(tǒng)、電子學(xué)和多媒體技術(shù)等多學(xué)科融合的技術(shù),研究醫(yī)學(xué)、娛樂、藝術(shù)與教育、軍事及工業(yè)制造等多個(gè)相關(guān)領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和系統(tǒng)?！碧摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要從計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、控制科學(xué)與技術(shù)、機(jī)械工程科學(xué)與先進(jìn)制造技術(shù)等學(xué)科中孕育并實(shí)現(xiàn)跨越,逐步發(fā)展成熟,涉及心理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)等,學(xué)科交叉性、綜合性強(qiáng),如圖1所示。

2.2數(shù)理基礎(chǔ)要求高

虛擬現(xiàn)實(shí)課程的許多理論、方法和技術(shù)涉及大量的數(shù)學(xué)公式和物理定律,例如在基于圖形的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中所涉及的計(jì)算機(jī)圖形學(xué),基于圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中所涉及的圖像處理和信號(hào)處理技術(shù),在建模技術(shù)中涉及的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等,都需要學(xué)生具備深厚的數(shù)理基礎(chǔ)。

2.3創(chuàng)新思維豐富

虛擬現(xiàn)實(shí)被眾多學(xué)者認(rèn)為是科學(xué)研究與工程實(shí)踐中理論和實(shí)驗(yàn)方法之外的第三種方法,可以虛擬和仿真人類難以到達(dá)的宏觀或微觀環(huán)境,進(jìn)行研究和體驗(yàn);在虛擬環(huán)境下進(jìn)行逼真的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、訓(xùn)練演練,作出評(píng)價(jià)和決策,其與生俱來的構(gòu)想特性能夠啟發(fā)參與者發(fā)現(xiàn)新問題并產(chǎn)生創(chuàng)新思維。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)由于多學(xué)科交叉性,在不同學(xué)科交叉融合中源源不斷地產(chǎn)生新思想、新方法。

2.4工程應(yīng)用突出

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)既有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和方法,也有大量的典型算法,同時(shí)又是一門應(yīng)用牽引強(qiáng),各種開發(fā)平臺(tái)和應(yīng)用工具豐富,人機(jī)交互設(shè)備多,軟硬件結(jié)合與系統(tǒng)集成占相當(dāng)比重的課程。

2.5課程內(nèi)容多課時(shí)緊

本課程是本科生計(jì)算機(jī)應(yīng)用方向的限選課程,在本科四年級(jí)上學(xué)期開設(shè),其間正值學(xué)生考研復(fù)習(xí)準(zhǔn)備階段,課時(shí)總計(jì)36學(xué)時(shí),課內(nèi)教學(xué)18學(xué)時(shí)、課外實(shí)踐18學(xué)時(shí),授課時(shí)間十分緊張。

3教學(xué)內(nèi)容安排

我們經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐,在不斷與學(xué)生教與學(xué)交互的活動(dòng)中,結(jié)合自身學(xué)科研究特色,總結(jié)、完善主要教學(xué)內(nèi)容,形成了如下的教學(xué)大綱:

第一章:概論(2h)

問題的提出、名詞術(shù)語、虛擬現(xiàn)實(shí)特征、里程碑工作和研究現(xiàn)狀、國內(nèi)外典型應(yīng)用實(shí)例。

第二章:虛擬現(xiàn)實(shí)硬件與系統(tǒng)(2h)

虛擬現(xiàn)實(shí)輸入設(shè)備、虛擬現(xiàn)實(shí)輸出設(shè)備、高端圖形工作站、圖形處理單元(Graphic Processing Unit簡稱GPU)、典型沉浸式交互系統(tǒng)的構(gòu)建實(shí)例。

第三章:基于圖形的虛擬現(xiàn)實(shí)建模與開發(fā)技術(shù)(6h)

視覺感知相關(guān)基本概念、場景表示與數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、CREATOR建模軟件與合成自然環(huán)實(shí)例、場景圖組織與基本繪制流程、OpenGVS與WTK開發(fā)軟件、虛擬場景漫游應(yīng)用程序開發(fā)實(shí)例。

第四章:基于圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)建模與繪制技術(shù)(2h)

IBMR技術(shù)與全光函數(shù)、全景圖像與柱面全景圖像實(shí)例、同心拼圖方法。

第五章:人工生命-人工魚實(shí)例(2h)

人工魚的總體方案、人工魚的生物力學(xué)分析、感知與行為建模、幾何建模與外觀屬性、虛擬海洋環(huán)境建模、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、逼真性與效率權(quán)衡。

第六章:虛擬人技術(shù)(2h)

人體抽象模型與國際標(biāo)準(zhǔn)、逼真運(yùn)動(dòng)獲取與表示、運(yùn)動(dòng)約束與重用、虛擬人技術(shù)應(yīng)用實(shí)例。

第七章:分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(2h)

DIS技術(shù)與IEEE1278、HLA技術(shù)與IEEE1516、分布交互仿真程序開發(fā)與應(yīng)用實(shí)例。

教學(xué)實(shí)踐與課外教學(xué)安排:(18h)

課外研讀學(xué)習(xí)OpenGL、構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)漫游程序;參觀虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,觀看演示、操作實(shí)驗(yàn)室研究設(shè)備,了解當(dāng)前主要研究方向和趨勢。

4教學(xué)實(shí)踐與思考

針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)課程的上述特點(diǎn),我們?cè)谡n程的教學(xué)活動(dòng)中形成了“突出三個(gè)基本,注重融會(huì)貫通;點(diǎn)面結(jié)合,各有側(cè)重;結(jié)合實(shí)例,促進(jìn)創(chuàng)新思維”的教學(xué)思路。

4.1突出三個(gè)基本,注重融會(huì)貫通

在教學(xué)中突出三個(gè)基本,即突出基本原理、基本方法、基本算法的講授。虛擬現(xiàn)實(shí)課程的諸多內(nèi)容來自不同的研究和應(yīng)用領(lǐng)域,貌似差之千里,但是其核心思想常常殊途同歸。對(duì)于這部分內(nèi)容在教學(xué)活動(dòng)中應(yīng)有意識(shí)進(jìn)行聯(lián)系,分析講解,努力讓學(xué)生融會(huì)貫通。以細(xì)節(jié)層次概念(LOD)為例,細(xì)節(jié)層次概念是圖形建模中的基本概念,是指用一組復(fù)雜程度(常常以多邊形數(shù)來衡量)各不相同的實(shí)體細(xì)節(jié)層次模型來描述對(duì)象,在運(yùn)行時(shí)根據(jù)一些主客觀標(biāo)準(zhǔn)在這些LOD模型間進(jìn)行切換,實(shí)時(shí)改變場景的復(fù)雜度,從而能夠繪制效率與效果的平衡,該方法需要解決模型間切換時(shí)產(chǎn)生的視景跳躍問題。在GPU的基本貼圖處理(MIP MAPPING )、復(fù)雜光照模型實(shí)時(shí)繪制等研究工作中也引入和應(yīng)用了同樣的原理,因此在講解細(xì)節(jié)層次概念時(shí)進(jìn)行舉一反三,加深學(xué)生對(duì)這一滿足逼真性和繪制實(shí)時(shí)性普適基本方法的理解,進(jìn)一步可以引伸出連續(xù)細(xì)節(jié)層次方法以及與視點(diǎn)相關(guān)的遞進(jìn)傳輸技術(shù)如何滿足基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用問題。這樣教學(xué)思路始終貫徹在七維全光函數(shù)降維、八叉樹的數(shù)據(jù)組織方法等諸多教學(xué)內(nèi)容中,以達(dá)到融會(huì)貫通的目的。

4.2點(diǎn)面結(jié)合,各有側(cè)重

虛擬現(xiàn)實(shí)課程涉及學(xué)科眾多,內(nèi)容十分豐富,有限的課時(shí)內(nèi)做到面面俱到幾乎不可能。我們的教學(xué)大綱基本覆蓋虛擬現(xiàn)實(shí)的主要研究分支,重點(diǎn)是基于圖形和基于圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在其他課程有重點(diǎn)講授,不過多涉及。其次注重對(duì)當(dāng)前國內(nèi)外的研究重點(diǎn)、熱點(diǎn)問題,以及當(dāng)前的主流設(shè)備、開發(fā)工具與平臺(tái)介紹。通過發(fā)揮授課教師的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)背景,結(jié)合實(shí)驗(yàn)室多年的研究工作進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的深入講解。例如在分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)中,實(shí)驗(yàn)室在該方向上開展了長達(dá)十年的研究工作,研究成果既體現(xiàn)了該內(nèi)容的基本方法、國際標(biāo)準(zhǔn),又體現(xiàn)了當(dāng)前的最新研究成果。該內(nèi)容的教學(xué)從早期的DIS入手,通過與HLA核心技術(shù)的對(duì)比,重點(diǎn)講解分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)如何應(yīng)用數(shù)據(jù)抽象與封裝、與訂購、基于值的信息過濾 (DDM)等核心技術(shù)解決大規(guī)模交互仿真問題,進(jìn)一步引伸介紹目前該方向的研究進(jìn)展,讓同學(xué)了解當(dāng)前研究熱點(diǎn)問題。

4.3結(jié)合實(shí)例,促進(jìn)創(chuàng)新思維

虛擬現(xiàn)實(shí)是一門多學(xué)科交叉的科學(xué)技術(shù),不同學(xué)科理論與方法的互相借鑒、啟迪、創(chuàng)新尤為明顯。因此在講授具體內(nèi)容的同時(shí),應(yīng)介紹該研究工作和成果產(chǎn)生的背景,體現(xiàn)交叉創(chuàng)新、集成創(chuàng)新思路,啟迪同學(xué)的創(chuàng)造性思維是本課程不斷追求“授之與漁”的目標(biāo)。在課程綜述中重點(diǎn)介紹信息資源環(huán)境的智能化、普適化、協(xié)同化、沉浸化發(fā)展的各個(gè)不同歷史時(shí)期代表性工作,以及仿真技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)等學(xué)科對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的重要貢獻(xiàn),突出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)交叉融合的特性。將具體的課程知識(shí)點(diǎn)講授融入到典型實(shí)例中,人工生命課程教學(xué)中以ACM優(yōu)秀博士論文工作為基礎(chǔ),講述了人工魚的感知與行為建模、幾何與外觀屬性建模、虛擬海洋環(huán)境建模等,目的在于突出建模內(nèi)涵的寬泛性和在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的重要地位,通過詳述人工魚的生物力學(xué)分析、總體方案設(shè)計(jì),行為與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),歸納總結(jié)出多學(xué)科交叉、逼真性與效率的完美平衡是其創(chuàng)新所在。在講授虛擬人技術(shù)時(shí),首先提出逼真人體運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性和實(shí)時(shí)性這一矛盾,引入機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)以及信號(hào)與系統(tǒng)中的信號(hào)處理方法,重點(diǎn)介紹借鑒其他學(xué)科方法解決虛擬人運(yùn)動(dòng)重用和大規(guī)模人群等關(guān)鍵問題,強(qiáng)調(diào)借鑒啟迪是創(chuàng)新的源泉。在諸如同心拼圖、分布式虛擬環(huán)境中同樣貫徹了結(jié)合實(shí)例,促進(jìn)創(chuàng)新思維這一教學(xué)思路。

5結(jié)論與展望

“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”涉及面寬、內(nèi)容十分豐富,同時(shí)發(fā)展迅速,應(yīng)用越來越廣泛,如何講授好該課程是一個(gè)需要不斷探討、研究總結(jié)的教學(xué)課題。筆者在多年的教學(xué)活動(dòng)中,通過教與學(xué)的交流,不斷總結(jié)形成了一些教學(xué)思路和方法,取得了良好的效果,但是仍然需要不斷完善充實(shí),主要包括兩個(gè)方面內(nèi)容:(1)如何做好虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課程與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、圖像處理技術(shù)的銜接;(2)如何利用好虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究環(huán)境、軟硬件資源以進(jìn)一步加強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)。我們將在今后繼續(xù)研究探索,以解決這些重要問題。

參考文獻(xiàn):

篇（10）

中途分類號(hào)： G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

1.前言

一提到建筑數(shù)字技術(shù)教育，首先想到的可能是一系列的軟件，除了傳統(tǒng)的AutoCAD，3Dmax，Sketchup等，還有基于建筑信息模型BIM技術(shù)的Revit 等，另外擅長曲面造型的Rhino，誠然，這些軟件的教學(xué)能讓學(xué)生掌握更多表達(dá)建筑的方法或提供更好的建筑設(shè)計(jì)的思考途徑，但是由于在教學(xué)過程中大多側(cè)重軟件使用方面的講授，忽視了與設(shè)計(jì)課的結(jié)合，同時(shí)其他專業(yè)基礎(chǔ)課與設(shè)計(jì)課在數(shù)字技術(shù)的銜接方面也不成體系，因此很難達(dá)到預(yù)期的效果。在2007年全國高等學(xué)校建筑院系建筑數(shù)字技術(shù)教學(xué)研討會(huì)上提出的改革思路的一個(gè)重要方面就是將建筑數(shù)字技術(shù)課程與建筑設(shè)計(jì)教學(xué)結(jié)合起來，原本專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)就應(yīng)該服務(wù)于設(shè)計(jì)課，更好的將個(gè)專業(yè)基礎(chǔ)課與設(shè)計(jì)課達(dá)到無縫銜接的程度才是建筑學(xué)專業(yè)教學(xué)的目的。數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用是滲透到整個(gè)建筑行業(yè)中的，因此建筑學(xué)專業(yè)教學(xué)體系應(yīng)抓住數(shù)字技術(shù)革新的契機(jī)，對(duì)各個(gè)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法做出相應(yīng)的改革，建立更緊密圍繞設(shè)計(jì)課為主的教學(xué)體系，讓學(xué)生更加適應(yīng)數(shù)字時(shí)代的到來！

2.建筑數(shù)字技術(shù)教學(xué)改革的現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，給建筑教學(xué)帶來了翻天覆地的變化。首先，網(wǎng)絡(luò)讓教學(xué)交流更容易。比如，班級(jí)一般都建有QQ群，任課老師經(jīng)常被邀請(qǐng)加入群里，討論作業(yè)、設(shè)計(jì)等，在更輕松、平等的網(wǎng)絡(luò)氛圍下的師生交流更愉快，教學(xué)效果更好。此外，學(xué)生還把作業(yè)放到ABBS等建筑論壇上請(qǐng)求點(diǎn)評(píng)，在論壇上經(jīng)常會(huì)碰到名師還有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)豐富的建筑師，學(xué)生反映收獲很大。除了增進(jìn)與老師的交流以外，學(xué)生與其他院校的同學(xué)交流也增多了，通過網(wǎng)絡(luò)他們了解了其他院校的同學(xué)都在學(xué)什么，怎么學(xué)，而且同齡人之間交流學(xué)習(xí)心得的效果比老師在課堂上反復(fù)強(qiáng)調(diào)要好。其次，實(shí)現(xiàn)了多媒體教學(xué)普及和精品課程資源共享。一般理論課教學(xué)都利用了多媒體教室，老師通過圖片、三維動(dòng)畫、視頻資料輔助教學(xué)，學(xué)生更容易接收。更重要的是多媒體教學(xué)也讓精品課程庫的建立成為可能，讓不少一般院校的學(xué)生也能通過精品課程庫享受到優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，對(duì)提高老師的教學(xué)質(zhì)量也有很大的幫助。最后，三維軟件的學(xué)習(xí)，增強(qiáng)了學(xué)生的空間思維和創(chuàng)新能力。絕大多數(shù)院校在大一下學(xué)期安排Sketchup軟件的教學(xué)，然后在接下來的設(shè)計(jì)課中馬上利用Sketchup建模并推敲方案，學(xué)生普遍都表現(xiàn)出比用手工模型推敲方案更高的熱情，他們對(duì)方案中內(nèi)部空間的布置和外部環(huán)境的營造以及對(duì)建筑的材質(zhì)、顏色的推敲顯得更細(xì)致入微。此外，幾乎所有重點(diǎn)高校，如清華大學(xué)、重慶大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等，以及部分普通高校，如湖北工業(yè)大學(xué)、河南工業(yè)大學(xué)，他們進(jìn)行了數(shù)字技術(shù)教育改革的腳步較早，除了Sketchup，他們更安排了Revit、Rhino等三維軟件的教學(xué)或?qū)ｎ}講座，讓不少學(xué)生使用Grasshopper體驗(yàn)了參數(shù)化設(shè)計(jì)這種全新的設(shè)計(jì)思維，大大開闊了空間設(shè)計(jì)的思路創(chuàng)新。

3.建筑數(shù)字技術(shù)教學(xué)改革中存在的問題

建筑數(shù)字教學(xué)改革中存在的最重要的問題就是與設(shè)計(jì)課結(jié)合的不緊密。主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面，第一，雖然在建筑數(shù)字教學(xué)中增加了大量的課時(shí)，但是大多普通院校主要用于講授新的軟件的使用方法，對(duì)數(shù)字建筑本身的意義和重要性對(duì)學(xué)生交待的不清楚，最后學(xué)生把興趣放在軟件的學(xué)習(xí)上，激動(dòng)于軟件帶來的感官刺激，比如用rhino創(chuàng)建的自由形體讓學(xué)生激動(dòng)不已，導(dǎo)致過分強(qiáng)調(diào)外部造型而忽視了設(shè)計(jì)最本質(zhì)的東西比如空間的組合。目前除了一少部分院校開始講授基于BIM技術(shù)的Revit 以外，大部分院校三維軟件教學(xué)以講授Sketchup和3DMax為主，其它軟件推薦學(xué)生自學(xué)，因此有的學(xué)生在草圖構(gòu)思階段也會(huì)受到軟件的限制，比如草圖大師不擅長曲面，學(xué)生在構(gòu)思階段有意避開曲線構(gòu)圖，或有想法也堅(jiān)持不到最后。其實(shí)數(shù)字技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)的影響之大遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們現(xiàn)在可以想象到的。比如在2011年CAADRIA（亞洲計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)）年會(huì)上SASADA獎(jiǎng)最佳論文獎(jiǎng)的冠軍獎(jiǎng)勵(lì)給一個(gè)使用彎曲傳感器和記憶合金實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中的織物曲面形態(tài)和計(jì)算機(jī)中的曲面模型之間互動(dòng)的研究，它使得建筑師對(duì)曲面形態(tài)的創(chuàng)作可以脫離計(jì)算機(jī)圖形界面而在物理世界中進(jìn)行。

第二，專業(yè)理論課的教育對(duì)數(shù)字技術(shù)的反應(yīng)太慢。正如建筑業(yè)對(duì)科技的反應(yīng)比其它專業(yè)如機(jī)械、航天、導(dǎo)彈等等專業(yè)都慢很多一樣，專業(yè)理論課對(duì)設(shè)計(jì)課的支持也總是慢一拍。三維建模出現(xiàn)后，特別是基于建筑信息模型的軟件出現(xiàn)后，還有不少學(xué)生甚至老師還認(rèn)為那只是類似或比3DMax高級(jí)的三維軟件，并沒有意識(shí)到BIM模型可以應(yīng)用于整個(gè)建筑周期，從方案設(shè)計(jì)到施工圖設(shè)計(jì)，并整合結(jié)構(gòu)、機(jī)電等，再到施工、物業(yè)管理等階段都有用武之地。比如Revit和ArchiCAD等三維軟件建立的模型或組件可以用于建筑構(gòu)造課程，從整體到局部到節(jié)點(diǎn)構(gòu)造均有比較精細(xì)的組件模型，而且利用這些軟件進(jìn)行理論課的教學(xué)讓學(xué)生倍感親切，和設(shè)計(jì)聯(lián)系的也愈加緊密。又如Ecotect軟件本來可以提供很好的對(duì)建筑物理環(huán)境聲、光、熱全面分析，但大多數(shù)學(xué)生面對(duì)大量的數(shù)據(jù)設(shè)定望而生畏，然而，如果在建筑物理理論課的教學(xué)中在聲、光、熱三方面分別以小例子來講解相應(yīng)的使用方法和分析途徑，學(xué)生也會(huì)對(duì)建筑物理這門本來比較難又略顯枯燥的課程更感興趣。因此在理論課上及時(shí)利用或補(bǔ)充數(shù)字技術(shù)方面的相關(guān)知識(shí)并與設(shè)計(jì)結(jié)合講解可能是數(shù)字技術(shù)帶給建筑教育課程體系的一個(gè)契機(jī)。

。4.建筑數(shù)字技術(shù)教學(xué)改革的探討

建筑學(xué)教育本來就是一個(gè)完整的體系，被人為的分成若干課程，最終通過設(shè)計(jì)課程來實(shí)現(xiàn)知識(shí)的整合。數(shù)字技術(shù)的發(fā)展特別是BIM技術(shù)，為學(xué)科的整合方式帶來的新的契機(jī)，通過BIM技術(shù)構(gòu)建一些歷史的、現(xiàn)代的、著名建筑模型，并建立一個(gè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，這個(gè)庫可以提供給各個(gè)課程分別引用，并根據(jù)知識(shí)側(cè)重點(diǎn)不同增添新的信息，然后成為這門課程的模型數(shù)據(jù)庫。因此借助數(shù)字技術(shù)的手段推動(dòng)建筑學(xué)教育體系中知識(shí)的整合度，讓學(xué)生將各課程所學(xué)融會(huì)貫通于設(shè)計(jì)課程應(yīng)該成為數(shù)字計(jì)算教學(xué)改革的重點(diǎn)。具體來講數(shù)字技術(shù)與各門課程之間的整合構(gòu)想如下。

4.1數(shù)字技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)課的整合

大多院校雖然開設(shè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)課已經(jīng)有十多年歷史了，但通常把計(jì)算機(jī)作為繪圖工具取代手工繪圖，充其量達(dá)到“無紙化設(shè)計(jì)”的程度。近幾年來受大量外來數(shù)字建筑作品的沖擊，國內(nèi)建筑師開始從創(chuàng)作思維層面上利用數(shù)字技術(shù)，重點(diǎn)建筑院校也開始探討數(shù)字技術(shù)教學(xué)改革的新模式。而要從創(chuàng)作思維層次上利用數(shù)字技術(shù)必須有有計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本知識(shí)，但對(duì)于建筑學(xué)專業(yè)學(xué)生來說，基本的圖形學(xué)算法已經(jīng)令人望而生畏，更不用說參數(shù)化設(shè)計(jì)這類需要總結(jié)設(shè)計(jì)的生成規(guī)則并轉(zhuǎn)化成算法的，更是讓人舉步維艱。但清華大學(xué)已邁出了第一步，開設(shè)了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程，在參數(shù)化設(shè)計(jì)課題上做出不少有益的探索。因此普通院校在開設(shè)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課有難度的情況下，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)課中增加相關(guān)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)知識(shí)是可行的。

4.2數(shù)字技術(shù)與建筑歷史課的整合

建筑歷史課教學(xué)宜從古建筑制式的介紹和現(xiàn)代建筑的數(shù)字設(shè)計(jì)方法兩個(gè)層次來結(jié)合數(shù)字技術(shù)。第一，利用數(shù)字技術(shù)建立古建筑模型庫，特別是基于BIM技術(shù)的三維模型。比如我國古代木結(jié)構(gòu)建筑都有嚴(yán)格的等級(jí)劃分，而劃分的規(guī)律多以柱徑尺寸或斗拱中斗口的尺寸來控制，通過參數(shù)化設(shè)計(jì)，整個(gè)古建筑木結(jié)構(gòu)模型一目了然，而且模型中各個(gè)部件均可以添加名稱和細(xì)部尺寸信息，學(xué)生只需更改參數(shù)即可查詢各種等級(jí)不同制式的古建筑，而且構(gòu)件名稱、尺寸以及安裝方法等信息均可查詢。雖然很多學(xué)校在這方面都做了不少有益的探索，但是，如果能夠在常用軟件中有準(zhǔn)確的三維模型，那將對(duì)歷史教學(xué)和設(shè)計(jì)課程的有機(jī)結(jié)合有很大幫助。另一方面，將數(shù)字技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀作為教學(xué)內(nèi)容。如果在介紹現(xiàn)代建筑時(shí)，結(jié)合其使用的數(shù)字技術(shù)進(jìn)行分析，將在提高建筑歷史課的學(xué)習(xí)熱情同時(shí)開拓學(xué)生創(chuàng)新思維能力。

4.3數(shù)字技術(shù)與建筑構(gòu)造課的整合

建筑構(gòu)造課教學(xué)宜從構(gòu)造節(jié)點(diǎn)信息和建造方法兩方面結(jié)合數(shù)字技術(shù)。一方面，利用通過BIM技術(shù)建立的模型庫添加細(xì)部信息，比如樓板、復(fù)合墻體、防水層的構(gòu)造信息。這樣學(xué)生可以方便查詢，畢竟學(xué)校不可能在構(gòu)造實(shí)驗(yàn)室把所有的構(gòu)造節(jié)點(diǎn)收集齊全。但是模型庫可以通用，構(gòu)造節(jié)點(diǎn)只需在原有數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上添加詳細(xì)的節(jié)點(diǎn)信息。另一方面，可嘗試整合相關(guān)的CAM知識(shí)作為教學(xué)內(nèi)容。因?yàn)閷W(xué)生在感嘆獨(dú)特的空間曲面造型的同時(shí)往往會(huì)有疑問這樣的造型怎么做。CAM是計(jì)算機(jī)輔助建造的縮寫，在汽車和航空領(lǐng)域的應(yīng)用廣闊，目前建筑業(yè)也有應(yīng)用的實(shí)例。如ONL設(shè)計(jì)的IWEB項(xiàng)目，一個(gè)類似太空飛船的造型，從設(shè)計(jì)到構(gòu)件生產(chǎn)建造到施工組裝完全用三維數(shù)字技術(shù)，建立了從三維設(shè)計(jì)到鋼材制造的直接聯(lián)系。如果學(xué)生對(duì)空間曲面造型的構(gòu)造更清晰會(huì)增加他們利用數(shù)字技術(shù)設(shè)計(jì)的信心。

4.4數(shù)字技術(shù)與建筑物理課的整合

建筑物理課教學(xué)應(yīng)該補(bǔ)充講授如何利用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行各種物理環(huán)境的分析。學(xué)生提到物理課往往比較頭疼的，因?yàn)槟壳暗慕逃齻?cè)重概念介紹和計(jì)算，真正能運(yùn)用于設(shè)計(jì)中的一般就是一些定性的知識(shí)。但如果利用數(shù)字技術(shù)對(duì)物理環(huán)境做足分析，可以為方案提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。對(duì)于如草圖大師上的日照分析，學(xué)生都非常樂意運(yùn)用，但對(duì)于如Ecotect等專業(yè)分析軟件，大多數(shù)院校的學(xué)生都苦于自學(xué)難度很大，面對(duì)大量物理數(shù)據(jù)的設(shè)定無從下手，而且對(duì)分析結(jié)果如何指導(dǎo)設(shè)計(jì)改進(jìn)也充滿困惑。在這方面，重慶大學(xué)已經(jīng)做了不少探索，而且在新編的建筑物理教材中增加了Ecotect應(yīng)用部分，為教學(xué)提供很大的方便。因此，結(jié)合設(shè)計(jì)案例講解軟件的使用方法，以及通過分析結(jié)果改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的手段是有必要的。

4.5數(shù)字技術(shù)與建筑設(shè)計(jì)課的整合

建筑設(shè)計(jì)課教學(xué)既要鼓勵(lì)學(xué)生在設(shè)計(jì)中運(yùn)用所學(xué)的新軟件，還要提醒他們不要被軟件左右設(shè)計(jì)思想。近幾年“非線性設(shè)計(jì)”、“建筑設(shè)計(jì)生成法”、“參數(shù)化設(shè)計(jì)”新的概念層出不窮，學(xué)生一邊向往這些新概念帶來的視覺沖擊，一邊又害怕困難，沒有把握去嘗試，往往放棄或半途而廢。設(shè)計(jì)課上老師應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生在大學(xué)設(shè)計(jì)課程中至少做一個(gè)非線性設(shè)計(jì)的方案，課堂上對(duì)于想法很好，但建模有困難的同學(xué)可以做一部分示范，幫助他建立一部分模型，正如建筑表現(xiàn)課上給學(xué)生做示范一樣。這方面，東南大學(xué)、清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)都開始了教育改革實(shí)踐取得了相當(dāng)喜人的成績。但對(duì)于有些軟件基礎(chǔ)好的學(xué)生，他們雖然能很快結(jié)合設(shè)計(jì)，但容易沉迷于軟件帶來的新奇造型，欲罷不能，反而忘記了設(shè)計(jì)的本質(zhì)，對(duì)他們則應(yīng)正確引導(dǎo)，提醒數(shù)字技術(shù)是工具，要為設(shè)計(jì)服務(wù)而不是成為它的奴隸。

5.結(jié)語

總之，無論對(duì)于走在改革前列的重點(diǎn)院校,還是正準(zhǔn)備邁出改革步伐的普通院校,要實(shí)現(xiàn)各課程之間的整合工作量相當(dāng)大，教師培訓(xùn)、教材編寫都需要付出大量心血，但是，借助數(shù)字技術(shù)的改革推動(dòng)建筑學(xué)教育體系的整合是必然趨勢，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，建筑教育體系必將同步發(fā)展、與時(shí)俱進(jìn)。

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