計算機圖形學的結課論文計算機圖形學課程期末論文(2)
計算機圖形學的結課論文篇二
試論計算機圖形學在電影和動畫中的應用
摘要：計算機制作電影動畫，是計算機應用發展的重要分支，也是計算機圖形學研究的重要課題。本文主要總結了計算機動畫的分類和原理，分析了當前計算機動畫現狀及存在的問題，同時展示計算機圖形學在電影和動畫中的創新和應用。
關鍵字：計算機圖形學 電影 動畫 分類 原理 應用
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。
三維電影動畫制作首先要創建物體模型結構，其次是讓這些物體在空間內動起來，如變化圖形、變化顏色、移動位置、旋轉物體等制作手段。再通過打燈光等特效生成栩栩如生的畫面。計算機三維電影動畫數據是在計算機內部自動生成的。
MAYA是美國Autodesk公司出品的世界頂級的三維電影動畫制作軟件，MAYA軟件功能完善，工作靈活，易學易用，制作效率極高，渲染真實感極強，是電影級別頂尖的制作軟件。MAYA是電影動畫前期制作軟件，如果把這些三維電影動畫有機的結合起來的話，就需要Houdini電影特效魔術師軟件，該軟件是 Side Effects Software公司的旗艦級產品，是創建高級電影動畫視覺效果的有效工具，因為它有橫跨公司、跨平臺的整個產品線的能力，Houdini Master為那些想讓三維電影動畫更加精彩的動畫制作家們提供了空前的能力和工作效率。
Houdini的流程比較適合喜歡計算機編程的人，它的架構非常清晰。MAYA的許多操作是在視圖中進行，而Houdini用戶更喜歡直接在節點網絡(類似于MAYA的hupershade)進行所有操作。Houdini的動力學也很不錯，粒子、體積和毛發方面是優勢。Houdini自帶的渲染器mantra比MAYA自帶的軟件渲染器要強。MAYA的渲染需要依賴于其他渲染器(mental ray，vray)，而Houdini完全可以用mantra完成渲染。這就意味著在做三維特效時，對象的許多屬性都可以被渲染器調用(例如每粒子或每粒子替代的alpha)，流程上很順暢。指環王中人物“甘道夫”放的那些“魔法禮花”還有“水馬”沖垮“戒靈”的場面都是由Houdini軟件制作的。
計算機圖形學的結課論文篇三
淺談計算機圖形學實驗教學
摘 要：《計算機圖形學》是一門實踐性較強的課程，實驗課程是其不可缺少的教學環節。本文針對該課程實驗教學現狀的存在問題，從實驗內容、實驗的課堂教學活動和教學方法、考核方式等方面提出了改革措施。
關鍵詞：計算機圖形學;實驗教學;教學改革
計算機圖形學是研究通過計算機將數據轉換為圖形，并在專門顯示設備上顯示的原理、方法和技術的學科。從汽車的計算機輔助設計，到電視廣告、游戲，無一不應用計算機圖形生成技術。作為一門實踐性非常強的課程，與之配套的實驗教學環節顯得尤為重要。
1 實驗教學現狀
由于計算機圖形學是一門建立在多門學科之上的綜合性交叉學科，要求學生先修“程序設計”、“數據結構”等課程，課程中的許多算法抽象，原理難懂，實踐性強，學生在上課時看似聽懂算法原理，但面對具體問題則難以編程實現，致使學生的學習積極性隨著課程的推進而逐漸下降。傳統的“理論為主，實驗為輔”的教學模式，不僅使學生對于抽象的理論知識難以形成感性認識，還使學生無法將所學的原理和算法應用于實驗，容易產生學習挫敗感。
筆者認為該課程應理論與實驗并重，在理論教學的基礎上，應加強實驗教學環節。針對上述問題，建議實驗教學可從以下幾個方面進行改進。
2 實驗教學改革措施
2.1 合理設計實驗內容
《計算機圖形學》課程的理論內容包括基本圖形生成、曲線和曲面、圖形變換等。實驗教學中可根據教學進度安排六個實驗項目，分別是基本圖形生成算法程序設計、線寬與線型處理算法程序設計、區域填充算法程序設計、二維圖形裁剪算法程序設計、自由曲線繪制算法程序設計、二維圖形的幾何變換算法程序設計。
此外，為了讓學生能夠由淺入深地掌握教學內容，在實驗課程中還安排輔導性實驗和進階選做項目，譬如，在實驗課初始時安排熟悉使用VC中的MFC、OpenGL;在六個實驗項目之后安排三維圖形觀察、變換算法、分形幾何造型算法、自由曲面造型算法、真實感圖形繪制算法程序設計等項目，作為學生分組團隊選做項目。通過驗證性實驗和設計性實驗相結合，提高學生應用圖形學應用能力。
例如，在基本圖形生成算法程序設計的DDA直線生成算法實驗中，學生在了解了DDA直線生成的數學原理之后，新建一個Win32 Application的“Hello World”程序，工程命名為：DDA直線生成算法，打開DDA直線生成算法.cpp文件，加入如下代碼：
2.2 科學設計課堂活動
計算機圖形學實驗課與大多數實驗課類似，采用傳統的教學模式：先由教師設計好實驗的題目、內容和重點，然后學生上機編寫、調試代碼程序，同時教師輔導、答疑，最后學生撰寫實驗報告。該模式的弊端在于，由于大多數學校師生比不足，造成實驗課上老師只能解答主動提問的學生的問題，而部分學生特別是學習主動性不足的學生則在機房上網或對實驗任務無所適從，提不起興趣。不少學生的實驗報告也是敷衍了事，甚至互相抄襲，達不到課程的實踐效果。
為了培養學生的動手能力，除了安排個人上機實驗任務之外，教師還可以采用分組教學，團隊合作的形式組織教學。在實驗課上引入幾個難度相近的實驗項目，由學生自由分組，選題，完成實驗內容。教師參與學生的分析與討論，并適當給予修改意見。實驗完成后各組展示實驗結果，分組之間相互比較、評價，總結出同一問題的多種解決思路和算法。此外，在期末還可以安排學生分組完成綜合性較強的設計性實驗，要求設計出包含理論教學中有關算法原理的作品，并撰寫實驗報告和實驗心得。分組教學不僅激發了學生的學習興趣，讓學生從被動接受知識變為主動獲取知識，還增強了學生動手實踐能力和理論聯系實際的能力。
2.3 改進教學方法
目前，實驗課教學主要采用多媒體教學，實驗課在計算機實驗室進行。教師課前應收集或制作相關的教學資源，將抽象的算法原理與實際應用相結合，通過直觀的或動態的演示向學生介紹算法原理。例如，可以用Flash動畫演示二維圖形的變換，三維圖形的變換過程可以投影用3D MAX軟件來演示。同時，還可以采用讓學生上講臺講課的方式開展教學。把講臺留給學生，讓學生備好課，以學生的角度介紹實驗內容，展示自己的實驗成果等，最后由老師進行補充或更正。這種教學方式一改老師完全主導實驗課堂的局面，充分調動了學生的學習積極性，讓學生善于思考，敢于創新，實驗課不再是老師對學生的單向交流的枯燥教學活動。
2.4 改革實驗考核方法
以往的計算機圖形學課程成績采用理論卷面考核成績為主、上機實踐成績為輔的考核方式。在強化實驗教學環節之后，為避免學生死記硬背算法原理，考完即忘，可將考核方式改為理論考試成績與實驗成績并重，即課程成績除了包含理論課的卷面成績之外，還包括實驗成績。實驗成績由個人獨立實驗部分和團隊分組實驗部分組成。個人獨立實驗部分要求完成圖形學基本算法的程序設計。教師根據學生的實驗完成情況給分。團隊分組實驗部分提供有一定難度的選做項目。團隊分組實驗部分的成績，由教師評分和各組學生代表評審小組的評分組成。
3 結束語
本文針對傳統的計算機圖形學實驗教學模式中存在的不足，提出了改進實驗教學的教學組織模式和教學方法，以課內理論知識為基礎，加強實驗實踐環節，發揮學生的學習主觀能動性，培養學生的動手實踐能力和創新能力，最終能夠運用所學算法理論分析問題和解決問題。
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