序論：好文章的創作是一個不斷探索和完善的過程，我們為您推薦十篇計算機圖形學論文范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質，帶來更深刻的閱讀感受。

篇（1）

1計算機圖形學的發展

計算機圖形學是利用計算機研究圖形的表示、生成、處理，顯示的科學。經過30多年的發展，計算機圖形學已成為計算機科學中最為活躍的分支之一，并得到廣泛的應用。1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學院（MIT）旋風一號——（Whirlwind）計算機的附件誕生．該顯示器用一個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50年代，只有電子管計算機，用機器語言編程，主要應用于科學計算，為這些計算機配置的圖形設備僅具有輸出功能。計算機圖形學處于準備和醞釀時期，并稱之為：“被動式”圖形學。

2計算機圖形學在曲面造型技術中的應用

曲面造型技術是計算機圖形學和計算機輔助幾何設計的一項重要內容，主要研究在計算機圖象系統的環境下對曲面的表示、設計、顯示和分析。它肇源機、船舶的外形放樣工藝，經三十多年發展，現在它已經形成了以Bezier和B樣條方法為代表的參數化特征設計和隱式代數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。隨著計算機圖形顯示對于真實性、實時性和交互性要求的日益增強，隨著幾何設計對象向著多樣性、特殊性和拓撲結構復雜性靠攏的趨勢的日益明顯，隨著圖形工業和制造工業邁向一體化、集成化和網絡化步伐的日益加快，隨著激光測距掃描等三維數據采樣技術和硬件設備的日益完善，曲面造型在近幾年來得到了長足的發展。

2．1從研究領域來看，曲面造型技術已從傳統的研究曲面表示、曲面求交和曲面拼接，擴充到曲面變形、曲面重建、曲面簡化、曲面轉換和曲面位差。

曲面變形（DeformationorShapeBlending）：傳統的非均勻有理B樣條（NURBS）曲面模型，僅允許調整控制頂點或權因子來局部改變曲面形狀，至多利用層次細化模型在曲面特定點進行直接操作；一些簡單的基于參數曲線的曲面設計方法，如掃掠法（Sweeping），蒙皮法（skinning），旋轉法和拉伸法，也僅允許調整生成曲線來改變曲面形狀。計算機動畫業和實體造型業迫切需要發展與曲面表示方式無關的變形方法或形狀調配方法，于是產生了自由變形（fFD）法，基于彈性變形或熱彈性力學等物理模型（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和基于多面體對應關系或基于圖象形態學中Minkowski和操作的曲面形狀調配技術。

2．2從表示方法來看，以網格細分（Sub-division）為特征的離散造型與傳統的連續造型相比，大有后來居上的創新之勢。而且，這種曲面造型方法在生動逼真的特征動畫和雕塑曲面的設計加工中如魚得水，得到了高度的運用。

3在計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）的應用

這是一個最廣泛，最活躍的應用領域。計算機輔助設計（ComputerAidedDesign，CAD）是利用計算機強有力的計算功能和高效率的圖形處理能力，輔助知識勞動者進行工程和產品的設計與分析，以達到理想的目的或取得創新成果的一種技術。它是綜合了計算機科學與工程設計方法的最新發展而形成的一門新興學科。計算機輔助設計技術的發展是與計算機軟件、硬件技術的發展和完善，與工程設計方法的革新緊密相關的。采用計算機輔助設計已是現代工程設計的迫切需要。CAD技術目前已廣泛應用于國民經濟的各個方面，其主要的應用領域有以下幾個方面。

3.1制造業中的應用。CAD技術已在制造業中廣泛應用，其中以機床、汽車、飛機、船舶、航天器等制造業應用最為廣泛、深入。眾所周知，一個產品的設計過程要經過概念設計、詳細設計、結構分析和優化、仿真模擬等幾個主要階段。同時，現代設計技術將并行工程的概念引入到整個設計過程中，在設計階段就對產品整個生命周期進行綜合考慮。當前先進的CAD應用系統已經將設計、繪圖、分析、仿真、加工等一系列功能集成于一個系統內。現在較常用的軟件有UGII、I-DEAS、CATIA、PRO/E、Euclid等CAD應用系統，這些系統主要運行在圖形工作站平臺上。在PC平臺上運行的CAD應用軟件主要有Cimatron、Solidwork、MDT、SolidEdge等。由于各種因素，目前在二維CAD系統中Autodesk公司的AutoCAD占據了相當的市場。

3．2工程設計中的應用。CAD技術在工程領域巾的應用有以下幾個方面：①建筑設計，包括方案設計、三維造型、建筑渲染圖設計等。②結構設計，包括有限元分析、結構平面設計、框/排架結構計算和分析等。③設備設計，包括水、電、暖各種設備及管道設計。④城市規劃、城市交通設計，如城市道路、高架、輕軌等。⑤市政管線設計，如自來水、污水排放、煤氣等。⑥交通工程設計，如公路、橋梁、鐵路等。⑦水利工程設計，如大壩、水渠等。⑧其他工程設計和管理，如房地產開發及物業管理、工程概預算等。

3．3電氣和電子電路方面的應用。CAD技術最早曾用于電路原理圖和布線圖的設計工作。目前，CAD技術已擴展到印刷電路板的設計（布線及元器件布局），并在集成電路、大規模集成電路和超大規模集成電路的設計制造中大顯身手，并由此大大推動了微電子技術和計算及技術的發展。

3．4仿真模擬和動畫制作。應用CAD技術可以真實地模擬機械零件的加工處理過程、飛機起降、船舶進出港口、物體受力破壞分析、飛行訓練環境、作戰方針系統、事故現場重現等現象。在文化娛樂界已大量利用計算機造型仿真出逼真的現實世界中沒有的原始動物、外星人以及各種場景等，并將動畫和實際背景以及演員的表演天衣無縫地合在一起，在電影制作技術上大放異彩，拍制出一個個激動人心的巨片。

篇（2）

1 引言

隨著計算機應用技術的迅猛發展，促進了一系列相關學科的發展。計算機圖形學便是其一。1963年，美國人伊凡?蘇澤蘭在麻省理工學院畢業論文課題是關于三維交互式圖形系統，在此基礎上發表了題目為《畫板》的博士畢業論文， 這篇畢業論文是計算機圖形學里程碑的標志，它的發表標志著計算機圖形學科正式誕生。計算機圖形學它標志著計算機處理方式由處理符號系統轉變為處理圖形系統的方式，計算機圖形學的出現，計算機處理方式可以部分地模擬現實圖形和展現人的右腦功能，因此計算機圖形學的理論和實踐具有劃時代的意義。

在計算機圖形學發展和應用的過程中，最具震撼性和實用性的就是電影動畫技術。電影動畫為計算機圖形學提供了新鮮的血液，打開了新視角，自然界的一切美麗景象都可以通過計算機生動形象地再現構造宏觀、微觀世界。

2 計算機圖形處理電影動畫的分類

計算機圖形處理電影動畫是計算機圖形學和電影藝術相結合，并且相互促進的產物，計算機軟硬件和圖形圖像算法高速發展促進了計算機圖形學的突飛猛進。計算機電影動畫技術將圖形、圖案和畫面或者其中一部分顯示在屏幕上，并且按照一定規律或預定的要求在屏幕上移動、變換，從而使計算機顯示出圖形動態變換過程。

電影動畫是運動中的藝術，運動的畫面是電影動畫的表現形式，運動是電影動畫的要素，運動的表現形式，才促使了二維和三維動畫的發展。計算機動畫以其制作方法和表現特征的兩種表現形式就是二維電影動畫和三維電影動畫。

2.1 二維電影動畫

傳統的電影卡通動畫，是大量的畫片，每幅畫片高速翻轉以便實現是連續播放多幀畫面，每幅畫面表述的是運動物體的若干個瞬間的定格，利用觀看者在大腦內殘留的瞬間視覺感覺而得到運動的視覺感受。傳統的電影卡通動畫是先畫出一頭一尾兩個關鍵幀圖畫，然后在兩個關鍵幀中間插入一些列圖畫畫從而生成中間一系列畫。展現平面圖形是計算機二維電影動畫的一大特點，是對傳統動畫制作的繼承和發展，制作時就像傳統在紙上作畫，通過計算機圖形學復雜的算法將一些列計算機圖畫對象的移動、變形、變色等手法表現出傳統電影動畫運動的效果。

ANIMO是世界上最受歡迎的、使用最廣的二維動畫系統動畫制作軟件，它是英國Cambridge Animation公司核心產品。ANIMO向計算機圖形設計者提供了靈活的顏色模板創建、修改調色板和調整顏色的工具，這些功能有助于二維電影動畫前期制作和影片后期合成方面都有獨到的技術特點。ANIMO雖然不是最專業的二維電影動畫制作軟件，但是它具有更大的靈活性，軟件獨有的內部環境能夠將二維電影動畫和三維電影動畫完美的結合起來。

ANIMO經常用于二維電影動畫和真實場景的結合，90年代籃球運動球星喬丹和華納動畫人物共同主演的《空中大灌籃》，它是將二維電影動畫與三維電影動畫真實場景完美結合的成功范例。ANIMO軟件具有面向動畫師設計的工作界面，在ANIOM軟件制作電影動畫的同時，需要一臺高清掃描儀，底板動畫圖片上放在掃描儀內進行掃描，掃描后的畫稿幾乎保持了動畫設計者原始動畫圖片的線條，ANIMO軟件的快速上色工具提供了給圖畫自動上色和自動線條封閉功能，并和軟件的顏色模型編輯器集成在一起，軟件提供了不受數目限制的顏色數量和調色板種類。三維電影動畫中的陰影和燈光效果是最難轉化為二維電影動畫的，ANIMO卻可以將這些難點完美的結合在一起，具有多種特技效果處理效果，包括動畫的燈光效果、物體陰影變換、圖片背景的模糊處理、拍攝的攝像機鏡頭的移動、波紋起伏波浪震動的效果展現等等，并可與二維電影動畫、三維電影動畫和實拍鏡頭進行合成處理。它所提供的可視化場景圖畫可以讓動畫設計師在軟件內只用幾個簡單的操作步驟就可完成比較復雜的動畫制作，提高了計算機二維電影動畫制作的工作效率和速度。

2.2 三維電影動畫

三維電影動畫則是展示立體的圖形，三維電影動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象所處的位置、動畫制作者規定其運動軌跡、并按照這個運動軌跡進行拍攝、各種燈光效果被制作者安排的妥當，攝影機可以布置在特定位置上或者也可根據拍攝內容設定攝影機的推拉搖移擺動，最后利用計算機用圖形算法計算出這個攝影機所見到的動態圖像效果。

篇（3）

簡單地說，計算機圖形學的主要研究內容就是研究如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關原理與算法。圖形通常由點、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感圖形。1963年，伊凡?蘇澤蘭（Ivan Sutherland）在麻省理工學院發表了名為《畫板》的博士論文，它標志著計算機圖形學的正式誕生。至今已有四十多年的歷史。此前的計算機主要是符號處理系統，自從有了計算機圖形學，計算機可以部分地表現人的右腦功能了，所以計算機圖形學的建立具有重要的意義。

計算機圖形學一個主要的目的就是要利用計算機產生令人賞心悅目的真實感圖形。為此，必須創建圖形所描述的場景的幾何表示，再用某種光照模型，計算在假想的光源、紋理、材質屬性下的光照明效果。所以計算機圖形學與另一門學科計算機輔助幾何設計有著密切的關系。事實上，圖形學也把可以表示幾何場景的曲線曲面造型技術和實體造型技術作為其主要的研究內容。同時，真實感圖形計算的結果是以數字圖象的方式提供的，計算機圖形學也就和圖像處理有著密切的關系。

圖形與圖像兩個概念間的區別越來越模糊，但還是有區別的：圖像純指計算機內以位圖形式存在的灰度信息，而圖形含有幾何屬性，或者說更強調場景的幾何表示，是由場景的幾何模型和景物的物理屬性共同組成的。

計算機圖形學的研究內容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標準、圖形交互技術、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實體造型、真實感圖形計算與顯示算法、非真實感繪制，以及科學計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現實等。

計算機圖形學（Computer Graphics，簡稱CG）是研究怎樣用計算機表示、生成、處理和顯示圖形的一門學科。簡單地說，計算機圖形學主要是研究怎樣運用計算機進行圖形的表示以及運用計算機實現圖形的計算、處理和顯示等相關原理與算法。隨著數字化娛樂時代的到來，三維圖形的生產與顯示技術成為吸引群眾眼球的產物，群眾文化作為宣傳的窗口，信息的交流和傳播平臺，多方面引入了計算機圖形學相關的技術，借以來推動了群眾文化工作的持續發展。在此，筆者粗略的談一下計算機圖形學在群眾文化工作中的應用。

1 計算機圖形學豐富了群眾文化的表現內容

隨著計算機技術的迅猛發展，目前計算機圖形學成為各個領域中加強信息理解與傳遞的重要技術和工具。同時計算機圖形無論是硬件還是軟件的盛大生產，對人們的生活產生了一定的影響，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物。文化館作為文化的宣傳窗口、群眾交流信息的平臺，應科技發展的需求，開始廣泛運用計算機圖形學。如：運用CAD技術進行動畫制作、仿真模擬；即：運用計算機圖形學的CAD技術真實的模擬一些教育實踐案例、法律小故事、交通故事、群眾熱點事情重現等，加強對群眾經濟、法律、教育等知識的滲透，同時還運用計算機圖形學中的造型仿真技術再現原始動物、外星人等各種場景等等，還可以將群眾配以實際的背景運用計算機圖形技術大放異彩，制作出群眾自己的電影巨片。此外，運用計算機圖形學中的科學計算技術能夠讓人們直觀的看到一些數據的發展規律，諸如：力學、氣象科學、天體物理、分析生物學等等，充實了文化館的文化內容，有效的豐富了群眾文化的表現內容。

2 計算機圖形學創新了群眾文化的表現形式

近些年來我國市場經濟發展迅猛，人民群眾的生活水平也越來越高，連帶著對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：舞臺演出、會議、報告、影院等等成為了人民群眾的最愛。多功能劇場的出現對群眾文化館的發展來說是機遇也是挑戰。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形式，運用計算機圖形學的相關技術。如：文化館采取多媒體計算機的矩陣控制系統來控制整體的音響系統，這樣一來，整個過程都可以以數碼方式進行處理，使得他們無論在精度、信噪比、還是失真方面都高于傳統的模擬設備。這樣，運用媒體矩陣音響系統，就可以創新群眾文化工作的表現形式，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現擴聲。能夠為群眾文化活動的順利開展提供有保障的后盾力量。同時，媒體矩陣還可以隨時執行替換功能，文化館工作人員可以根據實際需求隨時修改或者添加諸如：調音臺、眼分音器、自動音壓控制器、信號分配器等設備。群眾文化娛樂活動大都是通過聲音來組織、引導群眾開展的，運用計算機圖形學中的技術能夠將音頻處理帶到一個全新的網絡境界，提升了文化工作人員的工作效率和質量。

在這種形式下，我們必須充分發揮現代傳媒技術的優勢，加強對傳統文化精髓的提煉與傳播，打造民族文化精品，這不僅可以對國民進行循序漸進的傳統文化的精神洗禮，還可以充分利用媒介重新建構起更加符合現在形勢的文化觀。同時，避免傳統藝術形式因內涵意義不易理解而從我們的視野中消失，也避免產生因為計算機形式輕內涵而導致主流藝術缺乏文化深度的社會現象，而要以媒體語言整合傳統文化精神，讓世界更清楚地認識中國的現在和過去，從而實現文化傳承，打造民族藝術精品。

3 計算機圖形學拓展了群眾文化的宣傳途徑

群眾文化工作是對外宣傳的窗口，更是當地老百姓進行文化信息交流、傳播的平臺。現如今是數字化時代，網絡成為人們生活的重要組成部分，群眾文化運用網絡的特性實現高速度、高質量的宣傳，進而推動群眾文化的繁榮發展。如：建設一個具有當地群眾文化特色的網絡，讓全國各地的人通過互聯網就能夠瀏覽文化信息，通過留言板、email、QQ、MSN等工具進行文化信息的交流，拓展了傳統群眾文化的宣傳途徑。筆者所在的文化館，結合安徽的相關文化狀態、生活習俗等運用計算機圖形學的相關知識建設了一個自己群文網絡，有：本館信息、非物質文化介紹、在線服務（聯系我們）、藝術展廳、藝術圖畫展覽、活動展示等等內容，同時，將各地市級、縣級群文網站的鏈接也成立一個板塊設置在網站的首頁，形成網絡群眾文化聯盟，為瀏覽文化信息的群眾提供方便。這樣運用計算機圖形學技術將群眾文化活動以影視、圖片加以文字制作成群眾文化的宣傳材料上傳至網站上，以互聯網為傳播路徑，推動群眾文化形成全球化的宣傳、互動、交流新格局。

群眾文化是人們生活娛樂所不可缺少的，而人們運用計算機生活娛樂、運用計算機進行數據處理等等成為發展的必然趨勢。計算機圖形以其科學性、技術性為群眾文化的建設與發展提供了無限的幫助，有著“催化劑”的作用。可以說，計算機圖形學在群眾文化工作中的應用涉及甚廣，是群眾文化可持續發展的后盾力量。

參考文獻：

篇（4）

0 引言

大學的主要任務是培養人才，特別是培養創新人才。培養創新人才的基本途徑與方法有課程教學、參與科學研究與項目開發、對外學術交流等。然而傳統本科課程教學多注重傳授學科的系統理論等專業知識，不重視對知識產生原因、方法的介紹，如忽視思考解決學科基本問題的具體過程等，這會造成課程教學傳授知識與科學研究相脫節，導致學生的知識結構產生缺陷，不利于他們將來從事創新等研究工作。為配合計算機圖形學課程的教學改革，根據計算機圖形學課程的特點，筆者提出一種面向科學思維的教學新方法，它能有效彌補傳統本科課程教學的不足。

1 面向科學思維教學方法的基本要求

常見典型的教學方法有：結構主義的教學方法、建構主義的教學方法、問題（任務）驅動教學方法等。這3種方法各有其優缺點，一個好的教學方法最好能全面綜合這3種方法的優點。面向科學思維的教學方法要求把思考問題的方法、系統分析與綜合的方法、科學研究的工作方法、查找資料與抽象的方法等知識產生的方法引入課程教學中，有效講解學科專業知識是根據發展需求、通過研究各種問題產生的；專業理論體系或與其學科結構是由多項研究成果形成的，這些知識是科學研究與科學思維產生的結果。

結構主義、建構主義與面向科學思維教學方法的異同點見表1。

2 確立計算機圖形學課程的教學內容與教學模式

2.1 傳統計算機圖形學課程教學改革的原因

2013年以前，國內外傳統計算機圖形學課程教學以講授圖形標準（顯卡驅動與顯示圖形等子程序的集合）或CAD為主。這種CAD與計算機圖形學（即圖形標準）學科的劃分有問題，它只便于圖形標準的硬件實現，卻因基本概念不全導致這兩者均不能獨立講清三維真實感圖形的自動生成原理以及計算機程序設計的基本規律，更不能總結計算機圖形學的研發成果與發展規律，不能滿足計算機圖形學學科建設發展需求。

2.2 用系統分析與綜合的方法確立計算機圖形學課程的教學內容

2.2.1 系統分析：從理論上確立實現計算機圖形學課程目標的發展路線圖

本課程目標是用計算機程序自動生成類似人眼觀察世界獲得的觀察圖像（亦為學科研究的基本問題，它適合作為建構主義教學方法要求的教學環境需求問題）。為此至少要完成3個子任務：①掌握三維圖形的生成原理；②掌握生成三維動畫等圖形的程序設計；③理順新課程教學內容與圖形標準、CAD的相互關系。

1）第一個任務的實現方法。

照相機生成照片遵循光線傳播生成三維圖形這一物理原理，計算機生成所有三維圖形（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）也應遵循該原理。這是本課程知識理論體系的完備性與一致性的基本要求，它決定了計算機圖形學的學種性質與教學定位。

2）第二個任務的實現方法。

用輻射度和光線跟蹤算法生成的三維真實感圖形等程序，是一類典型的顯示圖形的計算機仿真應用程序。故計算機圖形學的編程實現既遵循計算機仿真的基本原理，也遵循計算機程序設計的基本規律。

計算機仿真遵循系統（決定被仿真對象的范圍與其行為特性）、建模（用數學模型描述仿真實驗對象）、仿真算法（計算機通過執行該仿真算法，進行仿真實驗）與評估（檢驗仿真實驗的結果是否與應用需求保持一致）這一基本原理。

計算機程序設計應遵循計算理論可計算性的實現前提對程序設計的規范要求：①待解問題被模型與系統形式化方法所描述；②這種描述要轉換成算法；③算法要有合理的復雜度。

這里，形式化描述指用數學符號、邏輯符號與流程圖描述并要求保持邏輯上的一致性。系統的概念被本文定義為軟件系統：它按解決問題的系統流程要求，編程實現數個模型描述數據與命令的輸入、存儲管理、運算處理、輸出顯示4個過程，能直接達到自動運行軟件的設定目標并具有完整動態結構的綜合程序。軟件系統的概念是國內傳統計算機核心課程教學缺失的重要概念。

故三維圖形學的教學內容，主要用3組數學模型描述可視物體、燈光、照相機物理模型的物理特性（如用幾何模型、材質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光源；根據類照相機的觀察參數，用陰影算法、圖像融合等算法描述照相機模型；對光線跟蹤算法，應重構照相機模型）；在物理仿真、數學建模與軟件系統概念的指引下，編程構建三維圖形軟件系統，實現三維圖形的自動顯示。物體運動與變形、燈光變幻、照相機運動可形成計算機動畫。計算機游戲是用人機交互的操作方式并通過實時動畫與聲音有效描述具有智能行為能力的人（或動物）的多種社會實踐活動。

3）第三個任務的實現方法。

計算機動畫包含了傳統圖形標準與CAD的原理，所以在課程最后，可講解圖形標準OpenGL的原理與編程使用方法。同時圖形標準是游戲軟件的基石，是現代計算機應用不可缺少的基本配置。

2.2.2 系統綜合：介紹圖形學的基本原理與動畫軟件的實現方法

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

教材按以下思路組織：用二維圖形學構建軟件系統概念的教學，用三維圖形學構建三維圖形數學建模的教學（直接用三維圖形構建軟件系統概念的教學，會導致課程教學內容的復雜化）。在每章的開頭，均提出應思考并解決哪些問題才能達到本章的教學要求，加強訓練讀者思考問題的習慣。

學完本課程，學生要能勝任計算機動畫軟件的設計與編程實現等任務。

2.3 歸納計算機圖形學的學科結構

以上教學充分展示：由物理模型（化學模型、生物模型、社會發展需求模型等）數學模型（數據模型是數學模型的一種簡單特例，其編程操作主要是數據的存儲與檢索，以實現數據庫軟件。根據數學模型“曲高和寡”的原理得知，數據庫軟件是應用軟件中應用面最廣的一類軟件；或用離散數學的方法、判斷規則與判據或可編程實現的自然語言與功能等描述解決問題的過程與步驟；或用通信協議描述數據通信過程要遵循的規則、約定等要求，這是網絡通信編程的基礎）軟件的系統功能與結構用算法語言實現程序編碼并形成算法軟件測試評估等過程所確立程序設計的基本規律。程序設計這一規律，能被雷達的設計與制造過程所佐證，如通過物理實驗確立雷達原理用數學模型描述雷達的工作過程設計雷達系統的功能與結構用電子技術制造雷達設備做好的雷達要通過測試評估才能交付使用等。

由此能用理論（物理原理、建模、軟件系統、仿真、程序設計）、工具（OpenGL、Direct3D、著色語言、ACIS、WebGL、OpenCL、3D游戲引擎等）與應用（顯示圖形的應用程序，如3D動畫或CAD、地理信息系統（空間復雜性高而時間復雜性低）、游戲與虛擬現實系統（時間復雜性高而空間復雜性低））3個學科形態描述計算機圖形學的學科結構。

2.4 用科學研究的工作方法確立計算機圖形學課程的教學模式

（1）選題（發現問題）：找任務、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性、目標性、創新性和可行性，并找準課題的申報渠道。提出問題是對任務深入思考或科學研究的前提。如計算機圖形學的學科屬性與教學內容是否成熟，是此前國際計算機圖形學教育界多年關注的教學疑難問題。

（2）分析問題：真實照片由照相機、可視物體與燈光3個主要因素決定，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的概念；然后建立描述照相機、可視物體、燈光物理模型物理特性所需的數學模型，構建仿真光線在計算機場景與照相機模型中傳播，生成三維動畫圖形。

（4）做實驗解決問題（找尋證據支持假說）：針對建立的數學模型，選擇數據結構，設計算法，編寫程序源代碼并調試測試程序，構建三維圖形軟件系統，實現圖形的自動顯示。

（5）取得新成果（查新驗證）：改進學科的系統理論與基本方法，發表研究論文，推廣該研究成果或論證申報新開發項目，推動學科建設向前發展。當我們解決好計算機圖形學的教學問題時，就為撰寫本文并申報計算機圖形學國家規劃教材奠定了基礎。

由此構建程序設計教學的完整過程，并把程序設計拓展成科學研究工作方法的一種形式與組成部分。

該教學模式不僅把教學與科學研究兩個不同性質的學術過程結合在一起，還說明圍繞課程教學思考問題的訓練屬于科學研究領域思維活動的一種基本形式。

3 在課程教學過程中合理安排思考問題的訓練

教師在重點介紹、講解每個專題前，要考慮如何訓練學生根據學科的發展需求思考問題，這些問題是任務驅動教學法中各種問題的來源。

3.1 用二維圖形學構建軟件系統概念的教學

專題1：線段圖形的描述與生成。基本問題：如何用數學的語言與方式（如描述函數）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轉換成算法，并根據其描述數據生成這些基本圖形？

專題2：實面積圖形的描述與生成。基本問題：用什么方法描述實面積圖形的幾何形狀，以形成各種實面積多邊形的幾何模型？如何利用顯示設備的繪圖功能生成實面積圖形？如何實現直線圖形邊緣的反走樣顯示？

專題3：圖形的基本運算。基本問題：圖形運算的目的是什么？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？若用實面積多邊形的布爾運算構建新的復雜圖形的幾何模型，則布爾運算的數學基礎是什么？如何實現其布爾運算？

專題4：圖形的觀察運算。基本問題：如何把輸入到計算機中的圖形幾何模型描述數據，轉換成顯示設備坐標系中的圖形幾何模型描述數據？并調用圖形的生成算法顯示各種圖形的幾何形狀？

專題5：圖形數據與命令的輸入。基本問題：能用哪些方法把圖形模型描述數據與命令高效率地輸入到計算機中？如何利用輸入設備的數據輸入功能與顯示設備的圖形顯示功能，編程實現圖形數據的交互輸入？如何規劃應用程序中的人機交互設計問題？

專題6：圖形的數據結構。基本問題：圖形數學模型的種類與復雜、復合圖形的構建方法，這些對保存圖形幾何模型的描述數據提出了哪些動態管理上的要求？如何設計相應圖形的數據結構，才能有效地保存、管理存儲于計算機中的各種圖形描述數據（命令）？如何把圖形顯示區中的圖形描述數據編譯轉換成多種顯示設備能識別并運行的顯示指令代碼，以實現圖形的顯示？為編程實現各種圖形的自動顯示，需要確定編程處理圖形數據的基本流程和程序的功能與結構，以形成軟件系統的概念。

3.2 用三維圖形學構建數學建模的教學

專題7：照相機模型的建立與三維幾何圖形的顯示。基本問題：如何用數學模型，特別是用矩陣的方法，描述照相機拍攝（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建與圖形顯示。基本問題：如何用直線與平面函數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據？如何構建形狀復雜的平面幾何物體？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建基礎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。基本問題：如何用數學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律？

學生按照這一思路進行選題，可考慮為實現像照片一樣自然景觀（如白光的薄膜干涉等現象）的圖像顯示，需研究哪些問題等，并發表其研究成果。課程教學內容成熟完整后，才便于界定計算機圖形學的學科內涵。

4 分析計算機專業主要課程的基本特點，提煉計算科學的學科結構

4.1 計算機教學此前無計算科學學科結構概念的原因分析

現有權威資料和維基百科、百度百科表明，此前國內外計算機教學均無計算科學學科結構這一重要概念。以下3點是導致這一現象存在的重要原因。

4.1.1 對計算工具的分類作用認識不足

盡管人們知道計算機是一種計算工具，計算機有廣泛的應用，計算機科學有自己的一套理論根據，但僅用“理論、工具與應用”很難全面概括計算科學的研究全貌與多項用途。事實上，計算機的系統工具對總結計算科學的學科結構非常重要。

計算機系統是一個能對編程實現的數學模型與邏輯模型，進行自動解算與推理的通用計算工具。這決定了程序設計在編程使用計算機上的重要性。

操作系統是對計算機的各種硬件資源與軟件資源進行程序管理，使計算機正常運行的系統工具軟件。同時，它能對用戶程序（命令）的輸入、存儲管理與自動運行提供服務（包括對通信進程進行有效監管控制），并用人機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行結果。

編譯系統是用高級語言編程必備的系統工具軟件，它可以把用戶用高級語言編寫的程序源代碼、編譯轉換成計算機能識別并自動執行的機器語言程序代碼。

算法語言是用戶為編程使用計算機的各種計算功能，用類自然語言的方式與計算機相互交流思想的符號表達工具。

這些計算工具本身沒有直接解決數學計算與邏輯推理等應用問題，該任務由編程解決。

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

軟件系統與計算工具等概念的形成，是用抽象的方法（從眾多事物中總結提煉出具有共同本質的特征、而舍棄其非本質的特征等內容）處理形成的結果。

4.1.2 傳統課程沒有講清計算機仿真的原理與計算機程序設計的基本規律

傳統計算科學的核心課程（計算機導論、計算機原理與系統結構、算法語言與數據結構、編譯系統與操作系統、軟件工程、離散數學、數據庫和計算機網絡）從未講清計算機程序設計的基本規律與計算機仿真的基本原理。學生往往通過課后大量的編程訓練，積累對計算機程序設計與計算機仿真的認識。這種程序設計經驗式教學培養模型，無助于學生總結并提煉計算科學的學科結構。相反，人們在算法語言與數據結構課程的教學上存在一些模糊認識。例如，算法語言是用一組語法規則與功能約定的一種符號標記系統，它讓人們掌握語言的符號約定、功能、特性以及用算法語句描述給定的數學計算與數據處理、邏輯判斷等――即其教學主要是完成程序的編碼訓練，由此形成算法；也為研制該語言的編譯系統做鋪墊。然而部分算法語言的教科書，只有一些算法驗證性應用實例，并把它們等同于計算機程序設計教學，這無助于初學者全面正確地掌握計算機程序設計的基本規律，因為學習算法語言后，他們還是沒有數據結構的概念。

數據結構是研究用程序編碼的方式，在計算機中有效實現多種類型數據的存儲組織（形成線性、非線性、網狀結構形式以及靜態或動態結構形式的數據存儲方法）、存儲管理、排序檢索與編程效率等任務的一門專業基礎課程。數據結構課程有很多計算復雜性的案例，是培訓人們掌握編程技巧的一種有效方法。因為編寫程序所采用的數據結構往往決定了算法的編碼實現方法，更重要的是，CPU是根據保存在內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用程序（或命令）的執行。如何規劃、設計、調度與管理內存的使用，這與數據的調度與管理原理類似，是數據結構討論的問題之一（常在操作系統課程中介紹解決該問題的方法。數據結構問題本質上屬計算機內存的動態、合理使用與管理問題）。而該課程中所謂抽象數據類型，是指在指定的數據集上定義對該數據元素進行多種加工等編程操作方法。這個數據集以及對其數據元素的加工方法（數據集與其加工方法均能遞歸定義），應來源于人們用數學的方法描述解決實際應用問題這一過程，該主次關系不能顛倒。沒有這些數據結構與程序編碼等基礎訓練，初學者很難規劃好一個軟件的系統功能與結構。

由于傳統的算法語言與數據結構課程教學無數學建模（它決定了解決多種應用問題算法的來源）與軟件系統的概念，故傳統的算法語言與數據結構課程沒有講清程序設計的基本規律。

4.1.3 傳統計算機課程存在教學問題

首先，傳統計算機圖形學課程存在教學問題，現已被本教學改革有效化解。

其次，軟件工程課程存在教學效果空洞抽象等困惑。若把新的計算機圖形學課程作為軟件工程課程的教學實習對象，可以有效解決該教學困惑。由于新的計算機圖形學課程可以講清程序設計的基本規律與計算機仿真的基本原理，這使軟件工程課程的教學從理論上能達到軟件全生命周期設計的教學目的。

第三，計算機導論與計算機基礎課程存在教學困惑。計算機導論應對計算學科發展的全貌作整體介紹，并理順計算學科與其他學科之間的關系，引導讀者根據自己的需求有效選擇學習不同的計算機專業知識。由于此前計算機課程存在以上問題，導致歷次獲國家級獎勵的計算機教學改革成果以通過有效載體進入課程教學，致使計算機課程教學體系仍然不夠成熟。這往往是行業外人士選修計算機課程的迷惑。因為自牛頓時代以來，用數學的語言描述自然科學取得的新進展，是各自然學科之間相互交流學術思想與成果的通用方法；然而目前其他自然科學工作者學習計算機后，卻無法順利地用計算工具的方法來表達其各自學科建設研究成果的數學模型等。這種計算機課程教學不便于計算機教育與其他自然科學教育進行對等有效的學術交流，并導致計算機基礎課程教學出現危機。另計算機教學無計算科學學科結構的概念，即人們沒有評判計算機導論教材好壞的客觀標準。計算機圖形學教學改革取得的新成果――發現計算科學學科結構的客觀存在，為重構計算機導論與計算機基礎課程提供了重要借鑒。

最后，計算機網絡課程存在不足。如該課程介紹網絡通信協議較多，卻較少介紹網絡通信工具的構建與編程使用方法，以及計算機網絡通信程序的編程實現，這不利于初學者承擔計算機網絡計算的重任。

4.2 借鑒計算機圖形學的教改成果。歸納計算科學的學科結構

傳統計算機核心課程缺少一門計算機的綜合運用課程，以總結并提煉計算機程序設計的基本規律與計算機仿真的基本原理。計算機圖形學課程可以很好地承擔這一重任。有了計算工具的概念與計算機圖形學課程后，可以重新分類、歸納已知計算機的多種應用。

成熟的計算機圖形學與傳統計算機核心課程的教學，使計算科學理論（即計算機的系統理論和專業知識。它需回答：什么能被工具有效地進行自動計算，用什么方法研究該命題并形成哪些結論、成熟的理論與發展方向；滿足何種條件的實物裝置能實現計算功能，計算裝置如何構造實現并使其正常運行、操作使用；可計算性的實現前提是什么，如何用該計算裝置實現這種自動計算，如何保證計算結果的正確性和計算裝置運行的安全穩定，該計算裝置有多強大的計算能力；計算理論與計算機專業各課程的關系等）、工具（算法語言、編譯系統、操作系統、計算機系統）與應用（數據存儲與檢索，數據計算、仿真、符號變換與推理，數據網絡通信，數據獲取、輸出表達與控制即多媒體）3個學科形態得到完整展現。它們是形成計算機專業多個發展方向（如殺毒與網絡防火墻、網絡存儲與查詢、網頁設計開發工具與網站建設、網絡瀏覽器，即時通信、流媒體與播放器、人工智能與專家系統、計算機嵌入式應用、計算機在通信與自動控制系統中的應用等）與綜合（如3D網絡游戲）或研發計算機硬件（計算機系統結構與CPU設計、計算機工程）的基礎。

因互聯網的應用，計算機網絡計算有網絡理論（在通信理論的支持下，如何可靠、快速、方便、安全地實現計算機信息描述數據的通信；網絡計算的理論基礎與基本規則是什么，如何利用網絡資源進行有效的傳輸與計算）、網絡工具（計算機與互聯網、路由器與交換機、調制解調器、Java、html語言、瀏覽器、Socket、遵循HLA標準的分布式實時仿真工具RTI、網絡游戲引擎）與網絡應用（如計算機數據通信與監管、電子商務、社交網站、網絡游戲、云計算、信息技術與信息系統、物聯網、大數據的應用等）。

圖1顯示了計算科學的學科結構。由計算機仿真的基本原理與可計算性的實現前提，可論證程序設計教學與計算機仿真教學的一致性。

故計算作為一門學科（招生專業）的根據是：①它有自己獨立的研究領域。即什么能被有效地用工具進行自動計算以及可靠、安全、快速地傳輸？②產生專業知識的方法。科學研究與科學思維是產生（創造）多種學科新知識的主要方法，這是研究生階段的主要學習任務。③由此形成的理論體系與其學科結構。這是本科生學習階段應掌握的專業知識。④傳授知識的法定機構與辦學條件。⑤廣泛的應用基礎。

篇（5）

主管單位：中國科學院

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

出版周期：月刊

出版地址：北京市

語

種：中文

開

本：大16開

國際刊號：1006-8961

國內刊號：11-3758/TB

郵發代號：82-831

發行范圍：國內外統一發行

創刊時間：1996

期刊收錄：

中國科學引文數據庫(CSCD―2008)

核心期刊：

中文核心期刊(2008)

中文核心期刊(2004)

中文核心期刊(2000)

期刊榮譽：

聯系方式

期刊簡介

篇（6）

核心期刊在發表的時候，大家應該都知道它相對于其他的期刊來說，應該都是比較難的吧，所以就有很多人就會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的講解一下。

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

增刊上發表的論文并非絕對無效，因為期刊通常把一些具有相當水準，但又無法在正常周期的刊物上發表的文稿安排在增刊上，因此增刊的學術影響力較正常周期出版的刊物為弱，在評定中級以下職稱時，省級期刊的增刊大多不被承認，但國家級期刊或核心期刊的增刊往往會被降級使用，相當于省級期刊或普通學術期刊。

所以在職稱評審中，一般是不認可增刊發表的文章的，即便是核心期刊的增刊，也同樣是不被認可的，文章也不會被知網等數據庫收錄，因此在評職稱中是不能發揮作用的，建議作者不要發表增刊，評職稱晉升最好發表正刊，正刊發表確實不易，尤其核心期刊，但是作者只要做足充分的準備也是可以順利發表的。

核心期刊推薦：《計算機輔助設計與圖形學學報》(月刊)創刊于1989年，是由中國計算機學會主辦的我國CAD和計算機圖形學領域第一個公開出版的學術刊物。該刊以快速傳播CAD與計算機圖形學領域的知識與經驗為目的，刊登有創新的學術論文，報導最新科研成果和學術動態，及時反映該領域發展水平與發展方向。

篇（7）

關鍵詞: 虛擬森林;環境模擬;遺傳算法;L系統;二叉樹

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

中圖分類號:TP34文獻標識碼:A文章編號:1006-4311(2010)28-0155-02

1概述

虛擬森林環境(Virtual Forest Environments, VFE)是虛擬現實技術在林業科學上的應用實踐,它以林業空間數據為依托,以虛擬現實技術為特征,構建森林對象,表達及分析復雜的森林現象,這種不同與以往二維圖形的表達方式誘發了三維可視化的新方法,新思想,新發展。虛擬森林環境是一個可進行森林實驗的虛擬工作室或人與人交流研討、協同工作的媒介平臺,在虛擬森林環境中可以做定性與定量的綜合分析,解決復雜森林管理規劃問題、科學地協同決策。虛擬森林環境可用于對現實世界的森林數據進行模擬、分析、解釋、預測等,幫助理解復雜的森林生長現象,支持林業規劃、決策和調控。因此,面向林業的虛擬森林環境的研究,是一個十分復雜而迫切需要解決的問題,它將為林業建設提供一個廣泛而形象化的信息處理環境及支撐工具,為專家提供林業決策的新平臺,有效推動森林資源的合理保護和營林生產等林業各個環節的信息化進程,進而提高林業管理的現代化水平,促進資源、環境、社會、經濟的可持續發展問題的討論,具有重要的理論和現實意義。

地球表面上只要有植物生活所必須的環境條件就會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,植物與環境之間的相互關系。植物種群是植物群落的基本單元,具有以下三個基本特征:①空間特征:種群具有一定的分布區域、分布形式和空間等級結構;②數量特征:種群在單位面積上(空間內)有一定的個體數量,并將隨時間而發生變化;③遺傳特征:種群有特定的基因構成,種群內的所有個體具有一個共同的基因庫,基因頻率具有空間分布型,并隨時間而進化。

虛擬森林環境中的研究重點是對植物種群的研究,最終是要說明植物種群的動態分化與適應過程。然而,虛擬自然景物技術發展到今天,構造虛擬植物的模型已經很多,但多數都側重于圖形學方面,主要研究對象在某一時刻的具體形態。本文受達爾文生物進化論思想啟發,借鑒生物界自然選擇和進化機制,從植物種群著手,利用遺傳算法構造了虛擬植物模擬器,為實現虛擬森林中植物個體間優勝劣汰的競爭關系提供實現手段,在一定程度上實現虛擬森林反演過去,再現現實,預測未來的動態功能。

2模擬與實現

在為虛擬植物建模時,本文使用了基于二叉樹的L系統,該方法的特點是在L系統文法生成初期就已經體現了節點之間的上下文關系,并且在內部生長因子和外部環境因子的共同作用下,將枝干的粗度、偏轉角度、長度、出芽點個數等信息存儲在相關結點中。二叉樹的建立是從頂向下遞增完成的,需要遍歷生長狀態對應的字符串。該算法的創新在于各個狀態節點之間的邏輯關系在L系統建立時就已經存在,結點與其相鄰的結點間存在著上下文的關系,這種新型的基于二叉樹的L系統結構在描述環境敏感型虛擬植物方便有效。枝條彎曲的模擬對于形象地模擬植物的形態很重要。彎曲模擬一般用參數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,但需要對枝條彎曲形狀做大量測量,通過統計數據得出曲線控制參數。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,確定分枝偏轉的角度。分枝的空間位置體現了枝條受重力作用表現出的屈地性以及受光照影響表現出的向光性。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、環境模擬器、環境模型和環境因子(陽光、溫度等)。該模型從宏觀和微觀兩個方面來實現虛擬植物與環境之間的交互。宏觀方面,虛擬植物和環境之間存在交互,環境因子作用于虛擬植物的生長模擬,當環境變化后,植物個體需要改變其形態來適應環境的變化;微觀方面是從植物生態屬性出發,利用遺傳算法通過改變植物的基因片段體現虛擬森林環境下種群中植物個體之間的競爭關系,模擬自然界中的優勝劣汰的選擇規律。該模型的提出使得環境敏感型植物的模擬更加真實自然,有效地反映出植物之間的競爭關系,在一定程度上實現了虛擬森林環境反演過去、再現現實、預測未來的功能。

3總結與展望

植物是自然場景的重要組成部分,在虛擬現實/環境、計算機動畫與仿真中,植物模型的精細程度和外觀效果直接影響室外場景的真實感。因此,植物的建模表示與真實感繪制一直是計算機圖形學領域研究的熱點和難點之一。隨著計算機硬件和軟件系統的飛速發展,特別是可編程圖形卡及相應編程語言的功能日益完善和強大,人們開始考慮動態自然場景的真實感繪制問題;另一方面,數字娛樂與媒體如影視特效、視頻游戲等也迫切希望圖形學提供有效、快捷的算法來處理動態變化的室外場景,并在獲得更為逼真的動態效果的同時加快制作工序并節省成本。注意到植物形態各異、結構復雜,其生長和運動蘊含著錯綜復雜的物理和生物學規律與機理。因此,在保證一定的形態真實感的前提下,構造合適的物理模型和生物學模型,加速模擬計算,以便最大限度獲得運動或變化真實感顯得頗為重要。本文基于物理和生物學原理,從植物的表達模型出發,研究植物的動力學模擬與生長模擬,力求在形態真實感、運動真實感以及效率之間取得較好的平衡,以滿足相關應用的需求。

參考文獻:

[1]舒娛琴.基于林分生長規律的虛擬森林環境的構建研究[D].武漢:武漢大學博士論文,2004.

[2]邵國凡,趙士洞,舒噶特.森林動態模擬― 兼論紅松林的優化經營[M].北京:中國林業出版社,1995.

[3]陳昭炯.基于L-系統的植物結構形態模擬方法[J].計算機輔助設計與圖形學學報,2000,12(8):571- 574.

[4]Hutchinson J. Fractals and self-similarity. University Journal of Mathematics, 1981, 30 (1):713-747.

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

篇（8）

 

動畫自誕生之日起，從紙面時代走向如今的無紙時代，經歷了兩次巨大的變革，一是賽璐珞片的應用，另一次則為計算機圖形技術在動畫領域的廣泛應用，計算機的介入使得動畫在制作環節節省了大量的人力與物力，將動畫專業人員從繁重的繪制工作中解放出來，隨著計算機技術的不斷深入，三維虛擬技術更是為動畫注入了新的活力，上個世紀九十年代世界第一部全三維動畫電影《玩具總動員》問世，其后的十余年三維動畫得到了迅猛的發展，涌現了諸如《冰河世紀》、《馬達加斯加》、《飛屋歷險記》、《機器人瓦利》、《海底總動員》等優秀的動畫影片。

1.計算機虛擬技術發展

計算機技術在動畫方面的運用可謂是由來已久，自從上個世紀六十年代計算機圖形學的興起，動畫便悄然伴隨著計算機圖形學的發展而發生著日新月異的變化。動畫目前的主流形式分為二維動畫和三維動畫，二維動畫以平面繪畫為基礎，三維動畫則將雕塑藝術融入其中，此二者由于所依托的基礎不同所以在制作層面上也有著迥然不同的方法。

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

其次，談及三維動畫的發展不得不提及《玩具總動員》，這部影片是世界上第一部真正意義上的全計算機虛擬合成的三維動畫片。實際上動畫片的三維時代早在計算機應用于動畫之前便已存在，傳統的偶動畫在筆者看來就是三維動畫的一種表現，只不過如今的人們，無論是動畫業界還是普通觀眾提及三維動畫首先想到的就是計算機虛擬三維合成動畫而忘記了三維的實體形式。目前在制作計算機三維動畫使用做多的當屬3DMax和Maya軟件，計算機三維動畫的制作與計算機二維動畫有著很大的不同之處，三維動畫在制作環節具體包含以下幾個流程：三維建模（根據二維設定稿建造三維模型）、骨骼綁定（主要針對三維角色）、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）、動作（根據運動規律調整角色動作與鏡頭運動關系）。在三維動畫制作的動作環節，目前最新一項技術就是動態捕捉，將此項技術用到極致的一部電影當屬《阿凡達》，詹姆斯.卡梅隆不光使用更多的捕捉點進行了身體動作的動態捕捉，而且特地在面部增加一臺攝影機對面部表情進行細節捕捉，這一做法無疑為三維虛擬人物增添了真實度。論文參考。

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

2.何謂動畫

什么才是動畫，這似乎不應該再成為問題，但是計算機技術對于動畫制作技術的革新卻一而再再而三地挑釁著何謂動畫的命題，《大美百科全書》中的解釋是這樣的：動畫藝術又稱為動畫電影，系利用單格畫面拍攝法，經由畫家特殊的技巧表現而攝制完成的影片，其內容包括：卡通動畫、剪紙動畫、木偶動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，目的在于創造運動的幻象。他是基于視覺暫留的運動視覺幻象，并且可以通過多種形式產生、呈現。動畫呈現的最主要途徑是作為運動的畫面或者視頻節目，當然很多其他形式的呈現方式也同樣存在)。論文參考。在筆者看來，無論是從基于傳統視覺暫留原理給出的定義，還是從創造運動幻想的角度進行解讀，動畫始終都是對于無生命的一種生命的創造，途徑與手段各有不同，但依舊殊途同歸。

以美國著名電影導演詹姆斯.卡梅隆的震撼巨制《阿凡達》為例，這部科幻大片在眾多人眼中只不過是普通的電影，技術上采用大量計算機模擬特效，在筆者看來則不然，《阿凡達》不僅僅為世人創造了一個世外桃源般的潘多拉星球，同時也全面揭開了動畫創作的新紀元。該片中大量采用了計算機動態捕捉與三維模擬技術，將一系列的不可能、不存在轉化為現實以無比絢爛奪目的畫面呈現于觀者面前，將我們帶入一個全權由導演設計的環境空間，體會著現實中早已消失的純凈。動畫也正是在此刻真正意義上實現了一種對生命的創造，甚至是他的更高級——生命體系的構建。

3.動畫的發展趨勢

動畫技術的發展不斷推動著動畫歷程的發展，每一次動畫技術的革新帶來的都是動畫效率的大幅提高，賽璐珞片的發明使得單幅場景最大限度上得到了運用，更是將分層概念引入動畫制作當中，通過分層技術創造出豐富的鏡頭與景深影像，在早期動畫電影《小鹿斑比》中這點尤為突出。論文參考。

計算機圖形學的興起，對于動畫來說是一件革命性的事件，他讓眾多動畫專業制作人員從繁重而枯燥的繪制工作中擺脫出來，為動畫領域帶來了一翻百家爭鳴的景象。商業動畫電影越來越多的依賴于計算機圖形的處理，以絢爛奪目的視覺盛宴饕餮著觀者的眼球，藝術動畫側重于動畫畫面的繪畫藝術感與造型感，獨立動畫則追尋著人類思想與情感的腳步前行，當然這一切并非絕對，彼此的融合與滲透有時也會帶來與眾不同的化學反應。

以《阿凡達》為例，詹姆斯.卡梅隆大量運用了計算機三維虛擬技術為觀者創造了一場視覺的盛宴，然而之所以該片會讓全球范圍內如此多的人趨之若鶩并非只有絢爛的視覺體驗，從《阿凡達》故事發展的角度看,其脈絡圍繞著人類生存，關注人類發展與環境保護之間的博弈，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。

動畫發展到今日，計算機的介入日益深入，筆者認為動畫的界定不應僅僅局限于技術層面，更應當是對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的影響存在差異，但結果都一樣——非生命的生命化，靈魂在此過程中被一一賦予，然而對于類似《阿凡達》的商業電影，計算機虛擬技術所帶來的視覺饕餮是無以替代的，在未來相當長的一段時期，占據動畫電影市場的大半江山，這一點在近年來的動畫電影上得到體現，如：《飛屋歷險記》、《冰河世紀》等動畫商業大片，相信基于計算機虛擬技術的動畫巨制將持續引領動畫主流趨勢。

參考文獻：

[1]聶欣如著.動畫概論.復旦大學出版社,2008,1.

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

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

篇（9）

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1引言

虛擬現實(Virtual Reality,簡稱VR)主要采用以計算機技術為核心的現代高技術生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環境(Virtual Environment,簡稱VE),用戶借助必要的設備(如特制的服裝、頭盔、手套和鞋),以自然的方式與虛擬環境中的實體對象進行交互作用、相互影響,從而產生身臨其境的感受和體驗。虛擬現實具有3I特性,即交互(Interaction)特性、沉浸(Immersion)特性和構想(Imagination)特性。交互特性強調參與者通過專用設備以人類自然方式與VE中的對象進行相互操作;沉浸特性要求計算機所創建的虛擬環境能使參與者產生置身其中的體驗;構想特性是指虛擬環境能夠啟發參與者發現新問題并輔助產生創新思維。

二十世紀六十年代初,“圖靈獎”獲得者,被稱為計算機圖形學之父的美國科學家Ivan Sutherland發表“終極顯示”論文提出虛擬現實概念,自此,虛擬現實技術歷經一系列里程碑式的理論、方法與技術研究工作,并取得了重大工程應用成果。今天虛擬現實技術的應用領域已經非常廣泛,主要包括三大應用方向,即訓練演練、規劃設計與預測、觀賞娛樂等。例如在虛擬戰場環境中進行作戰指揮模擬,宇宙飛船、飛機、艦船模擬駕駛訓練,飛機、導彈、輪船等復雜系統的虛擬設計與制造,城市環境規劃及其建筑物的展示,手術培訓與導航,游戲動漫與影視制作等。由于虛擬現實技術涉及的學科綜合性、交叉性強,是可以拉動多學科發展,不斷產生新思想、新技術,具有廣泛和重大應用前景的科學技術領域,國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020)把虛擬現實技術確定為信息領域優先支持的三大前沿技術之一。

2課程的特點

北京航空航天大學計算機學院從1994年開始從事虛擬現實技術領域的研究,取得許多創新成果,在相關學科領域產生了較大影響,逐步形成了北航計算機學院一個新的優勢學科方向。作為計算機應用本科生的專業限選課程,“虛擬現實技術”課程教學已經講授了5年。本課程的教學目的是通過對有關虛擬現實技術國內外研究熱點問題、典型研究工作的介紹,使學生了解當前虛擬現實技術的發展趨勢;通過對虛擬現實基本原理、基本算法、開發方法、主流系統的介紹,使學生掌握虛擬現實主要技術、開發環境與平臺;以虛擬現實技術與系統國家重點實驗室研究工作為主要實踐教學支撐,培養學生的創新能力,滿足國民經濟和國防部門對虛擬現實領域專門人才的需求。虛擬現實課程具有以下特點:

2.1學科交叉性、綜合性強

國家中長期科學和技術發展規劃綱要指出:“虛擬現實技術重點研究心理學、控制學、計算機圖形學、數據庫設計、實時分布系統、電子學和多媒體技術等多學科融合的技術,研究醫學、娛樂、藝術與教育、軍事及工業制造等多個相關領域的虛擬現實技術和系統。”虛擬現實技術主要從計算機科學與技術、控制科學與技術、機械工程科學與先進制造技術等學科中孕育并實現跨越,逐步發展成熟,涉及心理學、認知科學、計算機圖形學、仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、計算機網絡技術、并行處理技術和多傳感器技術等,學科交叉性、綜合性強,如圖1所示。

2.2數理基礎要求高

虛擬現實課程的許多理論、方法和技術涉及大量的數學公式和物理定律,例如在基于圖形的虛擬現實技術中所涉及的計算機圖形學,基于圖像的虛擬現實技術中所涉及的圖像處理和信號處理技術,在建模技術中涉及的動力學、運動學等,都需要學生具備深厚的數理基礎。

2.3創新思維豐富

虛擬現實被眾多學者認為是科學研究與工程實踐中理論和實驗方法之外的第三種方法,可以虛擬和仿真人類難以到達的宏觀或微觀環境,進行研究和體驗;在虛擬環境下進行逼真的規劃、設計、訓練演練,作出評價和決策,其與生俱來的構想特性能夠啟發參與者發現新問題并產生創新思維。虛擬現實技術由于多學科交叉性,在不同學科交叉融合中源源不斷地產生新思想、新方法。

2.4工程應用突出

虛擬現實技術既有堅實的理論基礎和方法,也有大量的典型算法,同時又是一門應用牽引強,各種開發平臺和應用工具豐富,人機交互設備多,軟硬件結合與系統集成占相當比重的課程。

2.5課程內容多課時緊

本課程是本科生計算機應用方向的限選課程,在本科四年級上學期開設,其間正值學生考研復習準備階段,課時總計36學時,課內教學18學時、課外實踐18學時,授課時間十分緊張。

3教學內容安排

我們經過多年的教學實踐,在不斷與學生教與學交互的活動中,結合自身學科研究特色,總結、完善主要教學內容,形成了如下的教學大綱:

第一章:概論(2h)

問題的提出、名詞術語、虛擬現實特征、里程碑工作和研究現狀、國內外典型應用實例。

第二章:虛擬現實硬件與系統(2h)

虛擬現實輸入設備、虛擬現實輸出設備、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的構建實例。

第三章:基于圖形的虛擬現實建模與開發技術(6h)

視覺感知相關基本概念、場景表示與數據庫結構設計、CREATOR建模軟件與合成自然環實例、場景圖組織與基本繪制流程、OpenGVS與WTK開發軟件、虛擬場景漫游應用程序開發實例。

第四章:基于圖像的虛擬現實建模與繪制技術(2h)

IBMR技術與全光函數、全景圖像與柱面全景圖像實例、同心拼圖方法。

第五章:人工生命-人工魚實例(2h)

人工魚的總體方案、人工魚的生物力學分析、感知與行為建模、幾何建模與外觀屬性、虛擬海洋環境建模、運動系統、逼真性與效率權衡。

第六章:虛擬人技術(2h)

人體抽象模型與國際標準、逼真運動獲取與表示、運動約束與重用、虛擬人技術應用實例。

第七章:分布式虛擬現實技術(2h)

DIS技術與IEEE1278、HLA技術與IEEE1516、分布交互仿真程序開發與應用實例。

教學實踐與課外教學安排:(18h)

課外研讀學習OpenGL、構建虛擬現實漫游程序;參觀虛擬現實技術與系統國家重點實驗室,觀看演示、操作實驗室研究設備,了解當前主要研究方向和趨勢。

4教學實踐與思考

針對虛擬現實課程的上述特點,我們在課程的教學活動中形成了“突出三個基本,注重融會貫通;點面結合,各有側重;結合實例,促進創新思維”的教學思路。

4.1突出三個基本,注重融會貫通

在教學中突出三個基本,即突出基本原理、基本方法、基本算法的講授。虛擬現實課程的諸多內容來自不同的研究和應用領域,貌似差之千里,但是其核心思想常常殊途同歸。對于這部分內容在教學活動中應有意識進行聯系,分析講解,努力讓學生融會貫通。以細節層次概念(LOD)為例,細節層次概念是圖形建模中的基本概念,是指用一組復雜程度(常常以多邊形數來衡量)各不相同的實體細節層次模型來描述對象,在運行時根據一些主客觀標準在這些LOD模型間進行切換,實時改變場景的復雜度,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產生的視景跳躍問題。在GPU的基本貼圖處理(MIP MAPPING )、復雜光照模型實時繪制等研究工作中也引入和應用了同樣的原理,因此在講解細節層次概念時進行舉一反三,加深學生對這一滿足逼真性和繪制實時性普適基本方法的理解,進一步可以引伸出連續細節層次方法以及與視點相關的遞進傳輸技術如何滿足基于網絡的虛擬現實應用問題。這樣教學思路始終貫徹在七維全光函數降維、八叉樹的數據組織方法等諸多教學內容中,以達到融會貫通的目的。

4.2點面結合,各有側重

虛擬現實課程涉及學科眾多,內容十分豐富,有限的課時內做到面面俱到幾乎不可能。我們的教學大綱基本覆蓋虛擬現實的主要研究分支,重點是基于圖形和基于圖像的虛擬現實技術,由于增強現實在其他課程有重點講授,不過多涉及。其次注重對當前國內外的研究重點、熱點問題,以及當前的主流設備、開發工具與平臺介紹。通過發揮授課教師的計算機科學與技術專業背景,結合實驗室多年的研究工作進行知識點的深入講解。例如在分布式虛擬現實技術教學中,實驗室在該方向上開展了長達十年的研究工作,研究成果既體現了該內容的基本方法、國際標準,又體現了當前的最新研究成果。該內容的教學從早期的DIS入手,通過與HLA核心技術的對比,重點講解分布式虛擬現實技術如何應用數據抽象與封裝、與訂購、基于值的信息過濾 (DDM)等核心技術解決大規模交互仿真問題,進一步引伸介紹目前該方向的研究進展,讓同學了解當前研究熱點問題。

4.3結合實例,促進創新思維

虛擬現實是一門多學科交叉的科學技術,不同學科理論與方法的互相借鑒、啟迪、創新尤為明顯。因此在講授具體內容的同時,應介紹該研究工作和成果產生的背景,體現交叉創新、集成創新思路,啟迪同學的創造性思維是本課程不斷追求“授之與漁”的目標。在課程綜述中重點介紹信息資源環境的智能化、普適化、協同化、沉浸化發展的各個不同歷史時期代表性工作,以及仿真技術、先進制造技術等學科對虛擬現實的重要貢獻,突出虛擬現實技術交叉融合的特性。將具體的課程知識點講授融入到典型實例中,人工生命課程教學中以ACM優秀博士論文工作為基礎,講述了人工魚的感知與行為建模、幾何與外觀屬性建模、虛擬海洋環境建模等,目的在于突出建模內涵的寬泛性和在虛擬現實技術中的重要地位,通過詳述人工魚的生物力學分析、總體方案設計,行為與運動系統實現,歸納總結出多學科交叉、逼真性與效率的完美平衡是其創新所在。在講授虛擬人技術時,首先提出逼真人體運動復雜性和實時性這一矛盾,引入機器人技術領域的逆向運動學以及信號與系統中的信號處理方法,重點介紹借鑒其他學科方法解決虛擬人運動重用和大規模人群等關鍵問題,強調借鑒啟迪是創新的源泉。在諸如同心拼圖、分布式虛擬環境中同樣貫徹了結合實例,促進創新思維這一教學思路。

5結論與展望

“虛擬現實技術”涉及面寬、內容十分豐富,同時發展迅速,應用越來越廣泛,如何講授好該課程是一個需要不斷探討、研究總結的教學課題。筆者在多年的教學活動中,通過教與學的交流,不斷總結形成了一些教學思路和方法,取得了良好的效果,但是仍然需要不斷完善充實,主要包括兩個方面內容:(1)如何做好虛擬現實技術課程與計算機圖形學、多媒體技術、圖像處理技術的銜接;(2)如何利用好虛擬現實技術與系統國家重點實驗室的研究環境、軟硬件資源以進一步加強虛擬現實課程的實踐環節。我們將在今后繼續研究探索,以解決這些重要問題。

參考文獻:

篇（10）

中途分類號： G642文獻標識碼：A文章編號：

1.前言

一提到建筑數字技術教育，首先想到的可能是一系列的軟件，除了傳統的AutoCAD，3Dmax，Sketchup等，還有基于建筑信息模型BIM技術的Revit 等，另外擅長曲面造型的Rhino，誠然，這些軟件的教學能讓學生掌握更多表達建筑的方法或提供更好的建筑設計的思考途徑，但是由于在教學過程中大多側重軟件使用方面的講授，忽視了與設計課的結合，同時其他專業基礎課與設計課在數字技術的銜接方面也不成體系，因此很難達到預期的效果。在2007年全國高等學校建筑院系建筑數字技術教學研討會上提出的改革思路的一個重要方面就是將建筑數字技術課程與建筑設計教學結合起來，原本專業基礎課程的學習就應該服務于設計課，更好的將個專業基礎課與設計課達到無縫銜接的程度才是建筑學專業教學的目的。數字技術的應用是滲透到整個建筑行業中的，因此建筑學專業教學體系應抓住數字技術革新的契機，對各個課程的教學內容和教學方法做出相應的改革，建立更緊密圍繞設計課為主的教學體系，讓學生更加適應數字時代的到來！

2.建筑數字技術教學改革的現狀

隨著計算機、網絡、數字技術的發展，給建筑教學帶來了翻天覆地的變化。首先，網絡讓教學交流更容易。比如，班級一般都建有QQ群，任課老師經常被邀請加入群里，討論作業、設計等，在更輕松、平等的網絡氛圍下的師生交流更愉快，教學效果更好。此外，學生還把作業放到ABBS等建筑論壇上請求點評，在論壇上經常會碰到名師還有設計經驗豐富的建筑師，學生反映收獲很大。除了增進與老師的交流以外，學生與其他院校的同學交流也增多了，通過網絡他們了解了其他院校的同學都在學什么，怎么學，而且同齡人之間交流學習心得的效果比老師在課堂上反復強調要好。其次，實現了多媒體教學普及和精品課程資源共享。一般理論課教學都利用了多媒體教室，老師通過圖片、三維動畫、視頻資料輔助教學，學生更容易接收。更重要的是多媒體教學也讓精品課程庫的建立成為可能，讓不少一般院校的學生也能通過精品課程庫享受到優質教學資源，對提高老師的教學質量也有很大的幫助。最后，三維軟件的學習，增強了學生的空間思維和創新能力。絕大多數院校在大一下學期安排Sketchup軟件的教學，然后在接下來的設計課中馬上利用Sketchup建模并推敲方案，學生普遍都表現出比用手工模型推敲方案更高的熱情，他們對方案中內部空間的布置和外部環境的營造以及對建筑的材質、顏色的推敲顯得更細致入微。此外，幾乎所有重點高校，如清華大學、重慶大學、同濟大學等，以及部分普通高校，如湖北工業大學、河南工業大學，他們進行了數字技術教育改革的腳步較早，除了Sketchup，他們更安排了Revit、Rhino等三維軟件的教學或專題講座，讓不少學生使用Grasshopper體驗了參數化設計這種全新的設計思維，大大開闊了空間設計的思路創新。

3.建筑數字技術教學改革中存在的問題

建筑數字教學改革中存在的最重要的問題就是與設計課結合的不緊密。主要表現在以下兩個方面，第一，雖然在建筑數字教學中增加了大量的課時，但是大多普通院校主要用于講授新的軟件的使用方法，對數字建筑本身的意義和重要性對學生交待的不清楚，最后學生把興趣放在軟件的學習上，激動于軟件帶來的感官刺激，比如用rhino創建的自由形體讓學生激動不已，導致過分強調外部造型而忽視了設計最本質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技術的Revit 以外，大部分院校三維軟件教學以講授Sketchup和3DMax為主，其它軟件推薦學生自學，因此有的學生在草圖構思階段也會受到軟件的限制，比如草圖大師不擅長曲面，學生在構思階段有意避開曲線構圖，或有想法也堅持不到最后。其實數字技術對設計的影響之大遠遠超出我們現在可以想象到的。比如在2011年CAADRIA（亞洲計算機輔助建筑設計協會）年會上SASADA獎最佳論文獎的冠軍獎勵給一個使用彎曲傳感器和記憶合金實現現實中的織物曲面形態和計算機中的曲面模型之間互動的研究，它使得建筑師對曲面形態的創作可以脫離計算機圖形界面而在物理世界中進行。

第二，專業理論課的教育對數字技術的反應太慢。正如建筑業對科技的反應比其它專業如機械、航天、導彈等等專業都慢很多一樣，專業理論課對設計課的支持也總是慢一拍。三維建模出現后，特別是基于建筑信息模型的軟件出現后，還有不少學生甚至老師還認為那只是類似或比3DMax高級的三維軟件，并沒有意識到BIM模型可以應用于整個建筑周期，從方案設計到施工圖設計，并整合結構、機電等，再到施工、物業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造課程，從整體到局部到節點構造均有比較精細的組件模型，而且利用這些軟件進行理論課的教學讓學生倍感親切，和設計聯系的也愈加緊密。又如Ecotect軟件本來可以提供很好的對建筑物理環境聲、光、熱全面分析，但大多數學生面對大量的數據設定望而生畏，然而，如果在建筑物理理論課的教學中在聲、光、熱三方面分別以小例子來講解相應的使用方法和分析途徑，學生也會對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利用或補充數字技術方面的相關知識并與設計結合講解可能是數字技術帶給建筑教育課程體系的一個契機。

。4.建筑數字技術教學改革的探討

建筑學教育本來就是一個完整的體系，被人為的分成若干課程，最終通過設計課程來實現知識的整合。數字技術的發展特別是BIM技術，為學科的整合方式帶來的新的契機，通過BIM技術構建一些歷史的、現代的、著名建筑模型，并建立一個基礎數據庫，這個庫可以提供給各個課程分別引用，并根據知識側重點不同增添新的信息，然后成為這門課程的模型數據庫。因此借助數字技術的手段推動建筑學教育體系中知識的整合度，讓學生將各課程所學融會貫通于設計課程應該成為數字計算教學改革的重點。具體來講數字技術與各門課程之間的整合構想如下。

4.1數字技術與計算機輔助設計課的整合

大多院校雖然開設計算機輔助設計課已經有十多年歷史了，但通常把計算機作為繪圖工具取代手工繪圖，充其量達到“無紙化設計”的程度。近幾年來受大量外來數字建筑作品的沖擊，國內建筑師開始從創作思維層面上利用數字技術，重點建筑院校也開始探討數字技術教學改革的新模式。而要從創作思維層次上利用數字技術必須有有計算機圖形學的基本知識，但對于建筑學專業學生來說，基本的圖形學算法已經令人望而生畏，更不用說參數化設計這類需要總結設計的生成規則并轉化成算法的，更是讓人舉步維艱。但清華大學已邁出了第一步，開設了計算機圖形學課程，在參數化設計課題上做出不少有益的探索。因此普通院校在開設計算機圖形學課有難度的情況下，在計算機輔助設計課中增加相關的計算機圖形學知識是可行的。

4.2數字技術與建筑歷史課的整合

建筑歷史課教學宜從古建筑制式的介紹和現代建筑的數字設計方法兩個層次來結合數字技術。第一，利用數字技術建立古建筑模型庫，特別是基于BIM技術的三維模型。比如我國古代木結構建筑都有嚴格的等級劃分，而劃分的規律多以柱徑尺寸或斗拱中斗口的尺寸來控制，通過參數化設計，整個古建筑木結構模型一目了然，而且模型中各個部件均可以添加名稱和細部尺寸信息，學生只需更改參數即可查詢各種等級不同制式的古建筑，而且構件名稱、尺寸以及安裝方法等信息均可查詢。雖然很多學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確的三維模型，那將對歷史教學和設計課程的有機結合有很大幫助。另一方面，將數字技術的發展現狀作為教學內容。如果在介紹現代建筑時，結合其使用的數字技術進行分析，將在提高建筑歷史課的學習熱情同時開拓學生創新思維能力。

4.3數字技術與建筑構造課的整合

建筑構造課教學宜從構造節點信息和建造方法兩方面結合數字技術。一方面，利用通過BIM技術建立的模型庫添加細部信息，比如樓板、復合墻體、防水層的構造信息。這樣學生可以方便查詢，畢竟學校不可能在構造實驗室把所有的構造節點收集齊全。但是模型庫可以通用，構造節點只需在原有數據庫的基礎上添加詳細的節點信息。另一方面，可嘗試整合相關的CAM知識作為教學內容。因為學生在感嘆獨特的空間曲面造型的同時往往會有疑問這樣的造型怎么做。CAM是計算機輔助建造的縮寫，在汽車和航空領域的應用廣闊，目前建筑業也有應用的實例。如ONL設計的IWEB項目，一個類似太空飛船的造型，從設計到構件生產建造到施工組裝完全用三維數字技術，建立了從三維設計到鋼材制造的直接聯系。如果學生對空間曲面造型的構造更清晰會增加他們利用數字技術設計的信心。

4.4數字技術與建筑物理課的整合

建筑物理課教學應該補充講授如何利用數字技術進行各種物理環境的分析。學生提到物理課往往比較頭疼的，因為目前的教育側重概念介紹和計算，真正能運用于設計中的一般就是一些定性的知識。但如果利用數字技術對物理環境做足分析，可以為方案提供強有力的數據支持。對于如草圖大師上的日照分析，學生都非常樂意運用，但對于如Ecotect等專業分析軟件，大多數院校的學生都苦于自學難度很大，面對大量物理數據的設定無從下手，而且對分析結果如何指導設計改進也充滿困惑。在這方面，重慶大學已經做了不少探索，而且在新編的建筑物理教材中增加了Ecotect應用部分，為教學提供很大的方便。因此，結合設計案例講解軟件的使用方法，以及通過分析結果改進設計方案的手段是有必要的。

4.5數字技術與建筑設計課的整合

建筑設計課教學既要鼓勵學生在設計中運用所學的新軟件，還要提醒他們不要被軟件左右設計思想。近幾年“非線性設計”、“建筑設計生成法”、“參數化設計”新的概念層出不窮，學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。設計課上老師應該鼓勵學生在大學設計課程中至少做一個非線性設計的方案，課堂上對于想法很好，但建模有困難的同學可以做一部分示范，幫助他建立一部分模型，正如建筑表現課上給學生做示范一樣。這方面，東南大學、清華大學、同濟大學都開始了教育改革實踐取得了相當喜人的成績。但對于有些軟件基礎好的學生，他們雖然能很快結合設計，但容易沉迷于軟件帶來的新奇造型，欲罷不能，反而忘記了設計的本質，對他們則應正確引導，提醒數字技術是工具，要為設計服務而不是成為它的奴隸。

5.結語

總之，無論對于走在改革前列的重點院校,還是正準備邁出改革步伐的普通院校,要實現各課程之間的整合工作量相當大，教師培訓、教材編寫都需要付出大量心血，但是，借助數字技術的改革推動建筑學教育體系的整合是必然趨勢，隨著數字技術的發展，建筑教育體系必將同步發展、與時俱進。

參考文獻

許景峰 等. 數字技術在建筑物理課程教學中的應用[J].高等建筑教育.2012第21卷第一期：139-141

雷貴洲 等. 淺談數字技術對建筑草圖設計的影響——從數字技術審視建筑學教育[J].中外建筑.2009(12):43-45

李建成. 建筑信息模型與建筑學專業的教學[J].建筑學報.2007.7:100-102

李建成. 對當前建筑數字技術教學改革的思考，建筑數字流——從創作到建造[M]，同濟大學出版社.2010.

寧玲. 數字技術在房屋建筑學中的運用[J].高等建筑教育2010第19卷第6期:151-153

彭冀. 數字技術在本科建筑教學中的應用[J].華中建筑.2007(12)第25卷：167-169

王一平 等.建筑數字化之教育論題[J].華中建筑.2009(11)第21卷：177-178

王軍，樊海彬，魏卓.Computer，Drawing＆Design——數字時代的建筑設計課程數字化教學的探討[J].建筑教育改革理論與實踐（第九卷）2007.6：322-324

建筑設計術科轉型促成教學轉變——從畫法幾何到計算機圖形學，張東升，同濟大學建筑與城市規劃學院碩士學位論文，2009

李茉.數字技術對建筑基礎教學的影響初探[M].建筑設計信息流，重慶大學出版社.2011

魏旭 等.基于C/S模式下的設計圖紙查詢系統研究與開發，建筑數字流——從創作到建造[M].同濟大學出版社