计算机图形学与图像处理的融合课程方案

2018-06-27郭晓新

计算机教育 2018年6期

郭晓新

（吉林大学计算机科学与技术学院，吉林长春 130012）

0 引言

融合课程指将有关的教学科目合并起来成为一门新的教学科目的一种课程设计。计算机图形学建立在数学基础之上,是一门内容广泛、实用性强、理论扎实的学科,它主要研究各种图形数据表示算法及其相关理论。计算机图形学在物理、工程、建筑学等很多领域内得到应用[1-3]。图像处理是研究如何用计算机对图像进行分析,以达到所需结果的研究领域。计算机图形学和图像处理是密切相关的两门课程,二者之间存在重叠领域。计算机图形学和图像处理是从事相关工作人员需要学习的两门专业课程,掌握计算机图形学与图像处理的基本理论、算法及相应的程序设计方法与技术,并在此基础上开展研究或开发工作,是对相关从业人员基本知识和能力的要求。

1 相关课程的关系

课程融合是学科发展趋势。计算机图形学与图像处理这两门课程之间存在相关性。研究计算机图形学与其他相关课程之间的关系具有实际意义。计算机图形学课程除了图形学内容之外,也涉及图像合成等与图像处理相关的内容。计算机图形学与图像处理具有一些共同点和相似的内容,两者的密切关系为课程融合奠定了基础[4-6]。表1列出了计算机图形学与图像处理之间的相关主题。表2列出了计算机图形学或图像处理研究方向的前沿问题。计算机图形学和图像处理两者共同的前沿问题包括阴影和投影、小波方法、纹理分析与合成、图像三维重建等。这些前沿问题的研究同样依赖于计算机图形学或图像处理这两个研究方向的融合,这也再次印证了融合课程的内在合理性。

2 融合课程的优势

计算机图形学和图像处理结合起来形成融合课程比各自开设单独课程具有优势,这些优势分别从教学资源整合和综合素质提高两个方面得以体现。一方面,在课时数不断削减的背景下,融合后的课程可避免课程内容的重复讲授以及课时和教学资源的浪费。另一方面, 融合课程内容之间的理论关系需要较强的相关背景知识,这对教师的专业性和综合性的理论知识和业务能力提出了更高的要求。融合课程方案能够促进教师进一步提升自身对课程内容的理解能力和把握能力,能够从更高层次、从宏观整体的角度来考虑课程内容的安排与设置,能够更系统完整地理顺计算机图形学和图像处理之间的相互关系和区别。同时,计算机图形学和图像处理融合课程可以为学生提供解决实际应用问题所需的综合处理能力。很多应用并非局限于单一的图形或图像处理,而是需要学生具有综合性的图形图像处理能力。计算机图形学和图像处理的基本素质对于程序员和图形图像设计人员来说都是至关重要的。单一课程教学模式无法全面培养学生实践所需的综合应用能力。开展课程融合可以使学生能够全面了解和掌握课程内在联系,使学生了解计算机图形学和图像处理算法工作原理,逐步掌握使用计算机图形学和图像处理软件的能力,逐步掌握有效编辑图形图像内容的能力。融合课程为相关知识的系统学习和全面掌握奠定了良好基础。

表1 计算机图形学和图像处理相关主题

表2 计算机图形学和图像处理前沿问题

3 教学方案

3.1 课程目标

通过图形图像处理理论与技术的学习,学生掌握了图形图像的基本原理,进而掌握图形图像应用的专业处理方法,学生养成了利用相关知识完成图形图像建模与解决实际问题的能力。课程目标的核心是讲授能够解决图形图像问题的方法,理论知识学习围绕着图形图像问题来展开,为问题的解决提供适宜的模型和办法,为培养学生具备解决图形图像问题的能力而服务。

3.2 前导课程

计算机图形学和图像处理都要求学生具有高等数学、线性代数、离散数学的基础知识,同时为了完成课程实践环节,也需要程序设计的基础知识。

3.3 后续课程

计算机图形学和图像处理融合课程能够为后续课程的学习打下良好基础。后续课程包括虚拟现实、游戏编程、多媒体技术、计算机视觉、模式识别、计算机动画、非照片真实感渲染技术等课程。

3.4 教学内容

计算机图形学课程内容主要包括矢量图元、曲线与曲面、半色调、图形变换,而计算机图形学和图像处理融合课程则侧重介绍传统计算机图形学和图像处理课程的特定内容。它并不涵盖传统课程的所有内容,但却包括两门课程中共通的基础内容和形成一致观点的内容。表3列出了融合课程涵盖的主要教学内容。

教学内容分为知识、能力和素质培养3个方面。

(1)知识培养:培养学生了解与掌握计算机图形图像理论知识、概念、图形图像处理的基本思想和原理以及与其他相关学科之间的关系,使学生对融合课程结构和理论体系、对计算机图形学和图像处理涵盖的研究内容具有系统性、整体性的把握。

(2)能力培养:培养学生对图形图像理论知识具备学以致用的能力,培养学生了解并掌握多种计算机图形图像工具、标准和基本技术;学生在了解并掌握图形图像相关软件工具以及支撑该软件工具的相应理论与方法的同时,具备正确使用并灵活运用图形图像工具的能力,实现图形图像的绘制与显示。表4列出了一些主要的图形图像工具。

(3)素质培养:培养学生能够利用计算机图形学和图像处理知识完成图形图像问题分析与建模,并解决实际问题。以图形图像方法和技术帮助学生设计问题的解决方案,学生能够借助图形图像处理思维来解决不同领域的应用问题。表5列出了学校实施的一些兼顾图形图像问题的大学生创新项目。

表3 融合课程涵盖的主要教学内容与课时分配

表4 图形图像工具

表5 兼顾图形图像问题的大学生创新项目示例

通过在相应的教学环节上实施知识、能力和素质3个方面的培养,学生能够做到以下几点。

(1)理解和掌握计算机图形学和图像处理的基本概念、基本思想和原理以及与其他相关学科之间的关系;了解计算机图形学和图像处理在实践中的各种应用及发展动向,了解图形系统硬件及其构成、图形显示器的工作方式,了解图形标准;对图形图像处理课程结构和理论体系具有系统性、整体性的把握,为图形图像处理方法和技术的学习打下理论基础。

(2)全面系统地掌握图形图像处理的具体方法和技术。对图形图像处理涵盖的研究内容具有系统性、整体性的把握,为后续相关课程的深入学习打下方法和技术基础。

(3)理解和掌握图形图像建模、生成和显示的流程。使用程序设计语言,设计并实现图形图像处理的基本算法。能够利用图形图像技术完成图形图像的绘制与显示。

(4)结合理论和实践环节,独立思考、独立分析和解决图形图像问题。通过对各种算法的深入学习和扎实掌握,从而能够针对实际问题的解决提出适宜的方法和模型,并加以实现。

3.5 课程设计

在教学实践过程中开展课程设计教学环节,让学生在掌握图形图像处理基本原理的基础上,进一步提高实际应用与程序设计能力,提升理论教学的效果,并体现计算机图形学和图像处理相互融合的特点。表6列出了课程设计安排。这些课程设计安排兼顾了计算机图形学和图像处理的教学内容,同时也兼顾了矢量图形和光栅图像的分配比例,有利于进一步加深对课程内容相关性的理解。