計算機圖形學與圖像處理的融合課程方案

郭曉新

（吉林大學 計算機科學與技術學院，吉林 長春 130012）

0 引 言

融合課程指將有關的教學科目合并起來成為一門新的教學科目的一種課程設計。計算機圖形學建立在數學基礎之上,是一門內容廣泛、實用性強、理論扎實的學科,它主要研究各種圖形數據表示算法及其相關理論。計算機圖形學在物理、工程、建筑學等很多領域內得到應用[1-3]。圖像處理是研究如何用計算機對圖像進行分析,以達到所需結果的研究領域。計算機圖形學和圖像處理是密切相關的兩門課程,二者之間存在重疊領域。計算機圖形學和圖像處理是從事相關工作人員需要學習的兩門專業課程,掌握計算機圖形學與圖像處理的基本理論、算法及相應的程序設計方法與技術,并在此基礎上開展研究或開發工作,是對相關從業人員基本知識和能力的要求。

1 相關課程的關系

課程融合是學科發展趨勢。計算機圖形學與圖像處理這兩門課程之間存在相關性。研究計算機圖形學與其他相關課程之間的關系具有實際意義。計算機圖形學課程除了圖形學內容之外,也涉及圖像合成等與圖像處理相關的內容。計算機圖形學與圖像處理具有一些共同點和相似的內容,兩者的密切關系為課程融合奠定了基礎[4-6]。表1列出了計算機圖形學與圖像處理之間的相關主題。表2列出了計算機圖形學或圖像處理研究方向的前沿問題。計算機圖形學和圖像處理兩者共同的前沿問題包括陰影和投影、小波方法、紋理分析與合成、圖像三維重建等。這些前沿問題的研究同樣依賴于計算機圖形學或圖像處理這兩個研究方向的融合,這也再次印證了融合課程的內在合理性。

2 融合課程的優勢

計算機圖形學和圖像處理結合起來形成融合課程比各自開設單獨課程具有優勢,這些優勢分別從教學資源整合和綜合素質提高兩個方面得以體現。一方面,在課時數不斷削減的背景下,融合后的課程可避免課程內容的重復講授以及課時和教學資源的浪費。另一方面, 融合課程內容之間的理論關系需要較強的相關背景知識,這對教師的專業性和綜合性的理論知識和業務能力提出了更高的要求。融合課程方案能夠促進教師進一步提升自身對課程內容的理解能力和把握能力,能夠從更高層次、從宏觀整體的角度來考慮課程內容的安排與設置,能夠更系統完整地理順計算機圖形學和圖像處理之間的相互關系和區別。同時,計算機圖形學和圖像處理融合課程可以為學生提供解決實際應用問題所需的綜合處理能力。很多應用并非局限于單一的圖形或圖像處理,而是需要學生具有綜合性的圖形圖像處理能力。計算機圖形學和圖像處理的基本素質對于程序員和圖形圖像設計人員來說都是至關重要的。單一課程教學模式無法全面培養學生實踐所需的綜合應用能力。開展課程融合可以使學生能夠全面了解和掌握課程內在聯系,使學生了解計算機圖形學和圖像處理算法工作原理,逐步掌握使用計算機圖形學和圖像處理軟件的能力,逐步掌握有效編輯圖形圖像內容的能力。融合課程為相關知識的系統學習和全面掌握奠定了良好基礎。

表1 計算機圖形學和圖像處理相關主題

表2 計算機圖形學和圖像處理前沿問題

3 教學方案

3.1 課程目標

通過圖形圖像處理理論與技術的學習,學生掌握了圖形圖像的基本原理,進而掌握圖形圖像應用的專業處理方法,學生養成了利用相關知識完成圖形圖像建模與解決實際問題的能力。課程目標的核心是講授能夠解決圖形圖像問題的方法,理論知識學習圍繞著圖形圖像問題來展開,為問題的解決提供適宜的模型和辦法,為培養學生具備解決圖形圖像問題的能力而服務。

3.2 前導課程

計算機圖形學和圖像處理都要求學生具有高等數學、線性代數、離散數學的基礎知識,同時為了完成課程實踐環節,也需要程序設計的基礎知識。

3.3 后續課程

計算機圖形學和圖像處理融合課程能夠為后續課程的學習打下良好基礎。后續課程包括虛擬現實、游戲編程、多媒體技術、計算機視覺、模式識別、計算機動畫、非照片真實感渲染技術等課程。

3.4 教學內容

計算機圖形學課程內容主要包括矢量圖元、曲線與曲面、半色調、圖形變換,而計算機圖形學和圖像處理融合課程則側重介紹傳統計算機圖形學和圖像處理課程的特定內容。它并不涵蓋傳統課程的所有內容,但卻包括兩門課程中共通的基礎內容和形成一致觀點的內容。表3列出了融合課程涵蓋的主要教學內容。

教學內容分為知識、能力和素質培養3個方面。

(1)知識培養:培養學生了解與掌握計算機圖形圖像理論知識、概念、圖形圖像處理的基本思想和原理以及與其他相關學科之間的關系,使學生對融合課程結構和理論體系、對計算機圖形學和圖像處理涵蓋的研究內容具有系統性、整體性的把握。

(2)能力培養:培養學生對圖形圖像理論知識具備學以致用的能力,培養學生了解并掌握多種計算機圖形圖像工具、標準和基本技術;學生在了解并掌握圖形圖像相關軟件工具以及支撐該軟件工具的相應理論與方法的同時,具備正確使用并靈活運用圖形圖像工具的能力,實現圖形圖像的繪制與顯示。表4列出了一些主要的圖形圖像工具。

(3)素質培養:培養學生能夠利用計算機圖形學和圖像處理知識完成圖形圖像問題分析與建模,并解決實際問題。以圖形圖像方法和技術幫助學生設計問題的解決方案,學生能夠借助圖形圖像處理思維來解決不同領域的應用問題。表5列出了學校實施的一些兼顧圖形圖像問題的大學生創新項目。

表3 融合課程涵蓋的主要教學內容與課時分配

表4 圖形圖像工具

表5 兼顧圖形圖像問題的大學生創新項目示例

通過在相應的教學環節上實施知識、能力和素質3個方面的培養,學生能夠做到以下幾點。

(1)理解和掌握計算機圖形學和圖像處理的基本概念、基本思想和原理以及與其他相關學科之間的關系;了解計算機圖形學和圖像處理在實踐中的各種應用及發展動向,了解圖形系統硬件及其構成、圖形顯示器的工作方式,了解圖形標準;對圖形圖像處理課程結構和理論體系具有系統性、整體性的把握,為圖形圖像處理方法和技術的學習打下理論基礎。

(2)全面系統地掌握圖形圖像處理的具體方法和技術。對圖形圖像處理涵蓋的研究內容具有系統性、整體性的把握,為后續相關課程的深入學習打下方法和技術基礎。

(3)理解和掌握圖形圖像建模、生成和顯示的流程。使用程序設計語言,設計并實現圖形圖像處理的基本算法。能夠利用圖形圖像技術完成圖形圖像的繪制與顯示。

(4)結合理論和實踐環節,獨立思考、獨立分析和解決圖形圖像問題。通過對各種算法的深入學習和扎實掌握,從而能夠針對實際問題的解決提出適宜的方法和模型,并加以實現。

3.5 課程設計

在教學實踐過程中開展課程設計教學環節,讓學生在掌握圖形圖像處理基本原理的基礎上,進一步提高實際應用與程序設計能力,提升理論教學的效果,并體現計算機圖形學和圖像處理相互融合的特點。表6列出了課程設計安排。這些課程設計安排兼顧了計算機圖形學和圖像處理的教學內容,同時也兼顧了矢量圖形和光柵圖像的分配比例,有利于進一步加深對課程內容相關性的理解。

表6 課程設計的主要內容

4 結 語

交叉融合是學科發展趨勢,在課時數不斷削減的背景下,開展計算機圖形學和圖像處理融合課程研究具有重要意義。計算機圖形學和圖像處理課程融合有助于教學資源的整合,有助于學生圖形圖像實踐能力的培養,有助于教師對課程整體理解能力的提升,有助于進一步促進相關前沿問題的研究與發展。

[1]羅杰斯, 石教英. 計算機圖形學的算法基礎[M]. 2版, 北京: 機械工業出版社, 2002.

[2]和青芳. 計算機圖形學原理及算法教程: Visual C++版[M]. 北京: 清華大學出版社, 2010.

[3]孫家廣, 胡事民. 計算機圖形學基礎教程[M]. 北京: 清華大學出版社, 2005.

[4]許志聞, 郭曉新, 楊瀛濤. 計算機圖形學[M]. 上海: 上海交通大學出版社, 2013.

[5]徐長青, 許志聞, 郭曉新. 計算機圖形學[M]. 北京: 機械工業出版社, 2010.

[6]龔聲蓉, 劉純平, 趙勛杰. 數字圖像處理與分析[M]. 北京: 清華大學出版社, 2014.