計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法演示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法演示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 張朝1，許孟煒2，郭秀娟2，金川皓2（1吉林建筑大學(xué)電氣與電子信息工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130118；2吉林建筑大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130118）Reference：圖形生成算法是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法演示系統(tǒng)的開發(fā)解決了圖形生成算法抽象、難于理解的難題。文章介紹演示系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、算法演示直觀、交互性強(qiáng)的特點(diǎn)，提出該系統(tǒng)對(duì)提高計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)質(zhì)量起到了很好的輔助作用。Keys：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；算法；可視化1 背景計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一門集程序設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)知識(shí)于一體的交叉學(xué)科，是研究利用計(jì)算機(jī)處理圖形的學(xué)科。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教

2、學(xué)目標(biāo)要求學(xué)生具有堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)和扎實(shí)的程序設(shè)計(jì)能力。由于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的算法原理抽象、復(fù)雜，學(xué)生在學(xué)習(xí)的時(shí)候很難真正理解和消化其中的精要，影響了學(xué)習(xí)積極性，使計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教與學(xué)存在一定的困難。為了使學(xué)生更好地掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法的原理及其實(shí)現(xiàn)，根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)大綱的要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法演示系統(tǒng)，旨在為學(xué)生提供學(xué)習(xí)算法的平臺(tái)，讓學(xué)生更好地理解圖形學(xué)算法原理，進(jìn)而提高計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法教學(xué)質(zhì)量。系統(tǒng)以網(wǎng)上教學(xué)為主，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的各個(gè)功能，即實(shí)現(xiàn)在線學(xué)習(xí)、在線練習(xí)、在線交流與解答等功能，為學(xué)生提供一個(gè)良好的算法學(xué)習(xí)平臺(tái)。算法演示是一個(gè)集成的圖形界面，包括基本圖形元素的生成、圖形的

3、裁剪、二維圖形的變換、圖形掃描及填充、交互式Bezier曲線、實(shí)體造型、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等算法，同時(shí)與相關(guān)編譯環(huán)境鏈接，實(shí)現(xiàn)算法的代碼開發(fā)，便于學(xué)生學(xué)習(xí)。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)中表示、處理和生成圖形的原理與算法構(gòu)成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容，是該課程的主要教學(xué)內(nèi)容，也是該算法演示系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的主要功能。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本目標(biāo)是學(xué)生通過學(xué)習(xí)掌握教學(xué)大綱要求的知識(shí)體系，完成基本圖形元素的算法實(shí)現(xiàn)、圖形的編輯及部分真實(shí)感圖形的處理，提高其自主學(xué)習(xí)的能力。基于該教學(xué)目標(biāo)，本系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)遵循以下原則和步驟。2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則為了使系統(tǒng)更好地輔助教學(xué)，便于學(xué)生自主學(xué)習(xí)，該演示系統(tǒng)要求：界面美觀，

4、交互性好、操作簡(jiǎn)單；動(dòng)態(tài)顯示算法的實(shí)現(xiàn)過程；提供算法原理及代碼的瀏覽功能；具有圖形編輯的功能。系統(tǒng)采用JS+Html+VC+6.O+Visual Studio2008等語言和平臺(tái)，將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本圖形元素和處理圖形圖像的原理、算法分析過程及算法實(shí)現(xiàn)可視化，主要包括繪制直線、圓、橢圓等基本圖形以及編輯圖形、實(shí)體造型等實(shí)現(xiàn)過程的動(dòng)態(tài)演示。學(xué)生可以根據(jù)個(gè)人的實(shí)際情況有選擇地學(xué)習(xí)感興趣的知識(shí)點(diǎn)，從而提高了學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)質(zhì)量。2.2 系統(tǒng)分析系統(tǒng)主要包括知識(shí)點(diǎn)介紹、算法原理、算法程序設(shè)計(jì)、算法演示、練習(xí)、測(cè)試、工程實(shí)驗(yàn)等8個(gè)功能模塊，其框架如圖1所示。在系統(tǒng)功能示意圖中，算法演示模塊為學(xué)生提供最直接

5、的算法演示教學(xué)資源，學(xué)生能夠通過相關(guān)算法的演示加深對(duì)算法的理解。本部分包括基本圖形元素、圖像剪裁、區(qū)域填充、2D/3D圖形變換、多邊形掃描轉(zhuǎn)換、幾何造型等模塊。(1)基本圖形元素部分主要針對(duì)圖形的構(gòu)成，按照原理分析、算法設(shè)計(jì)和代碼實(shí)現(xiàn)的思路，立足于從點(diǎn)到線、從線到面的整體思想進(jìn)行設(shè)計(jì)。該部分由點(diǎn)的繪制、直線的繪制、曲線的繪制等多個(gè)元素構(gòu)成。(2)圖形剪裁部分主要讓學(xué)生掌握裁剪的方法，該部分按照要求針對(duì)視窗中可見實(shí)體進(jìn)行選擇和處理，達(dá)到裁剪的目的。(3)圖形轉(zhuǎn)換模塊主要包含圖形的平移、比例縮放、旋轉(zhuǎn)、錯(cuò)切及混合變換等基本變換，從變換的原理介紹人手，過渡到不同變換矩陣的選擇，最后設(shè)計(jì)圖形變換算法并

6、編寫程序。(4)圖形掃描模塊主要講解圖形的掃描處理原理、方法及實(shí)現(xiàn)過程。3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)采用可視化編程工具將每一個(gè)算法的實(shí)現(xiàn)原理、程序設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)過程動(dòng)態(tài)展示出來，為學(xué)生提供可視化的教學(xué)資源。在教學(xué)過程中，學(xué)生可以一邊觀看圖形生成的過程，一邊瀏覽算法的原理及代碼，進(jìn)而加深對(duì)抽象算法的理解。算法可視化界面如圖2所示。本系統(tǒng)的算法模塊設(shè)計(jì)側(cè)重于基本圖形元素的可視化，在完成基本圖形元素的算法原理分析、程序設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過程演示的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行曲線、曲面、透視及分形等算法的可視化設(shè)計(jì)，即分層進(jìn)行。這樣基本能反映出計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要教學(xué)內(nèi)容，滿足學(xué)生的個(gè)性學(xué)習(xí)需求?；緢D形元素算法有：DDA直線算法、Bresenham直線、中點(diǎn)畫圓、Bresenham畫圓、Bresenham畫橢圓、二維填充算法、圖形變換和裁剪算法等。提高部分有：三維造型、曲線及曲面、透視及分形等算法的實(shí)現(xiàn)。算法演示如圖3所示。4 結(jié)語計(jì)算機(jī)圖形學(xué)涉及的內(nèi)容廣泛，與數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)有著密切的聯(lián)系，僅靠教師的課堂講授很難達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法可視化系統(tǒng)的開發(fā)，將學(xué)生難以理解的、枯燥