Компьютерная графика в области информатики инженерного образования

Computer Graphics in the Scope of Informatics Engineering Education

Manuel Próspero dos Santos
Computer Science Department
Faculty of Science and Technology
 New University of Lisbon

На факультете науки и техники Нового Университета Лиссабона (New University of Lisbon) образование в области информатики было поддержано курсами кандидата наук и степенью магистра. Оба из них включают в себя лекции по компьютерной графике, являющиеся соответствующими учебными программами, максимально адаптированными к другим основным научным вопросам. С другой стороны, инструменты и методы обучения были также учтены в соответствии с глобальными ресурсами, доступными на факультете для этих курсов, а именно вычислительными. В статье представлены методологии, используемые сегодня для обучения компьютерной графике в Новом Университете  Лиссабона, приводятся результаты некоторых успешных экспериментов, рассматриваются наиболее актуальные отношения с другими предметами и поставлены важные вопросы к будущему образования компьютерной графики в сфере информатики.

Этот позиционный документ посвящен обучению компьютерной графики на факультете науки и технологии Нового университета Лиссабона (UNL), который был первым университетом, присуждающим степень бакалавра наук степень в области информатики в Португалии. Способ обучения и соответствующие учебные планы могут быть предметом обобщенного обсуждения, которое в конечном итоге приведет к некоторым улучшениям не только в этих курсах, но и в аналогичных. Как известно, поле компьютерной графики носит многодисциплинарный характер и в настоящее время развивается. Влияние новых продуктов и различных техник, которые могут быть использованы сегодня, например Интернет, ясно показывает другую ориентацию, которую учитель должен дать, чтобы решить некоторые возникающие проблемы.

Хотя основное внимание в настоящем документе связано с преподаванием компьютерной графики в B.Sc. и M.Sc. курсов, влияние этого предмета исследования в других областях информатики в UNL также подчеркивается. Поэтому обучение компьютерной графике было ориентировано не только в перспективе конечного пользователя графического

но особенно с точки зрения базовой конструкции и реализации. Таким образом, как API, так и базовый уровень программирования графической системы должны быть охвачены в курсах.

2. Учебные планы компьютерной графики

В следующих подразделах описывается основное содержание различных курсов компьютерной графики в UNL. В дополнение к незаменимым учебникам, собственные заметки учителя также доступны для всех этих курсов. С другой стороны, поскольку влияние Интернета было огромным, не только этот инструмент заполняет общую нехватку книг и журналов в наших академических библиотеках, но также позволяет легко находить очень полезные программные продукты.

2.1. Уровень окончания курса

Существование отдельных модулей на разных уровнях интереса показало, что это очень удобно для обучения компьютерной графике в учебном курсе по информатике, который составляет пять лет. В нижеследующих подразделах можно увидеть выбор, сделанный в реальной ситуации.

2.1.1. основы

Очевидно, что первый из нескольких модулей всегда должен иметь более вводную программу. В случае с B.Sc. курс в UNL, этот модуль называется Computer Graphics I. Это один семестр длинный и обязательный предмет. Темы, соответствующие охватываемым вопросам, подразделяются на некоторые относительно разнообразные и хорошо известные основные области:

• Определение компьютерной графики, история и приложения

• Основные алгоритмы для вывода примитивного растрового преобразования и соответствующих атрибутов

• Обрезка линий и полигонов

• Геометрические примитивы в графических системах

• 2D-обзорный конвейер: системы координат и преобразования окна-просмотра

• 2D и 3D геометрические преобразования

• Полезные функции для композиции геометрических преобразований

• Параллельные и перспективные прогнозы

• Интерактивные методы проектирования 2D и 3D-кривых, включая методы оценки и представления

• Интерактивные методы проектирования поверхностей свободной формы, включая методы оценки и представления

• Входные логические устройства и методы взаимодействия

• Методы внедрения локатора e Выберите логические устройства

• Основные функции управления и парадигмы как в PHIGS, так и в OpenGL ™

• Концепции иерархического моделирования и издания с использованием PHIGS, OpenGL ™ и VRML

2.1.2. Расширенный курс

Основываясь на предыдущих знаниях учащихся о графическом программировании и концепциях, второй модуль под названием «Компьютерная графика II» охватывает более ограниченный домен, хотя основной учебник одинаковый в обоих модулях [1]. Из-за недавней важности 3D-графики выбранные темы в основном связаны с фотореализмом и могут быть разделены на следующие группы:

• Введение в проблему фотореалистичных изображений

• Интеграция геометрических проекций

• Просмотр томов для произвольных параллельных и перспективных прогнозов

• Синтетическая парадигма камеры

• Нормализация трансформации и перспективная трансформация

• 3D-обрезка в однородных координатах

• Алгоритмы скрытой линии и скрытой обработки поверхности

• Ахроматический цвет и методы полутонирования

• Основы колориметрии

• Цветные модели

• Правила использования и гармонии цветов

• Основные понятия фотометрии

• Модели освещения

• Специальные эффекты

• Методы затенения для многоугольных сеток

• Отображение текстур

• Трассировка лучей

• Radiosity

• Методы сглаживания

Сравнение учебных программ этих курсов бакалавриата, как указывалось выше, может привести к некоторым ошибочным выводам. Например, трехмерная графика, по-видимому, отложена на продвинутый курс, что вызывает важный недостаток в базовом. Однако это не совсем так. На самом деле, каковы на самом деле существенные характеристики 3D-графики, которые не охватываются темами первого курса? Обратите внимание, что геометрические проекции, 3D-кривые и дизайн поверхностей свободной формы, среди прочего, уже были там включены. По этой причине мы считаем недостающие темы следующими: алгоритмы HLHSR, моделирование сплошного моделирования, затенения и освещения. Но эти проблемы представлены студентам в течение семестра с точки зрения конечного пользователя, иногда с помощью фотографий, созданных известными коммерческими продуктами или извлеченных из последних фильмов. Такая информация легко доступна в Интернете в наши дни. Если это так, почему бы нам не обойтись без курса второго уровня? Просто потому, что таким образом, уровень образования учащихся не был бы вполне адекватным для выпускного экзамена по информатике. Таким образом, конкретные темы о 3D, явно появляющиеся в продвинутом курсе, рассматриваются с точки зрения программиста, а не только путем информирования учащихся о правильном прикладном продукте для быстрого получения конечного результата.

2.2. Последипломный курс

Одна из важных целей Курс по информатике - это специальность в области информатики выпускников. Из-за важности компьютерной графики в настоящее время эта область знаний не может остаться в стороне.

Фактическая учебная программа основана на следующих пунктах, основной упор будет рассмотрен в разделе 4:

• Роль компьютерной графики

• Основные методы графического представления

• Элементы вычислительной геометрии

• Геометрическое моделирование, поддерживающее построение синтетических изображений

• Моделирование сплошного моделирования и представления, а именно B-rep, BSP, Octree и CSG

• Справочные модели и стандарты API

• Концепции, парадигмы и методы программирования с использованием PHIGS / PHIGS +, OpenGL ™, Java и VRML

• Визуализация данных, включая создание изосурфов, системы частиц и методы объемной рендеринга

...

5. Выводы

В целом эволюция образовательных методов в значительной степени обусловлена ​​анализом прошлого опыта. Но эти системы очень сложны, и сотрудники, отвечающие за обучение, не всегда имеют знания обо всех соответствующих параметрах. Хотя многие учителя добросовестно принимают этот факт, это не общее правило. Таким образом, становится ясно, что отсутствие механизмов помощи для решения проблемы также затрагивает тех учителей, которые хотят улучшить свои методы, основанные на опыте другого.

Когда вы пытаетесь найти адекватный ответ на конкретную проблему, нужно, очевидно, рассмотреть каждую методологию, которая раньше оказалась успешной в подобных ситуациях. Однако наличие небольшой разницы между ними, даже не очень существенной, по-видимому, может иногда приводить к совершенно другому и неожиданному результату. Также случается, что процессы образования и обучения могут быть значительно улучшены, если учитывать некоторые детали. Например, после наблюдения Янсена и Ньювенхейзена в [9], первая работа, посвященная учащимся, участвующим в лабораторных занятиях в компьютерной графике, я поставил перед собой запрограммированную задачу вместо простого заявления о проблеме, которую нужно решить. И приятным результатом стало необычайное увеличение мотивации студентов.

Компьютерная графика далеко не ограничивается 3D-графикой, независимо от их возрастающего значения. Способ, которым базовый курс бакалавриата внедряется в UNL, как описано в документе, не наказывает учащегося, у которого больше трудностей с картированием трехмерных объектов, и реализовать, например, их форму и поведение, связанные с движениями, пересечениями, производными, томов и т. д.

В документе рассматриваются другие важные вопросы. Один из них связан с непосредственным воздействием образования компьютерной графики на другие темы курсов по информатике, особенно в вопросах, связанных с языками программирования, алгоритмами и структурами данных. Но это еще не все, как мы можем видеть дальше. В UNL еще нет курса вычислительной геометрии. Соответствующие наиболее важные проблемы относятся только к курсам компьютерной графики. Тем не менее, мы пытаемся переместить часть из них в недавно созданный курс по дополнительной математике, названной дискретной математикой, на второй год обучения по окончании курса. Мы надеемся, что в ближайшем будущем будет возможно расширить этот вид сотрудничества и интеграции с другими темами.

Из-за быстрого прогресса в области компьютерной графики методы и содержание каждого курса меняют каждую редакцию в UNL. Это справедливо даже для самого элементарного. Фактический домен компьютерной графики настолько широк, что невозможно полностью охватить его в любом курсе, особенно когда предоставляется небольшой набор классов. Например, сравнивая курсы UNL с проектом HyperGraph [10], мы можем заметить, что основной набор непокрытых элементов относится к описанию оборудования, а не к проблемам программного обеспечения. Таким образом, каждое учебное заведение должно выбрать наиболее актуальные темы и способ обучения, чтобы способствовать конкретным целям курсов по окончании и послеуниверситетскому курсу. Недостаточно для адекватных методов оценки это, как правило, очень субъективная и трудная задача для учителей.

В 1999 году в UNL вступительный курс для студентов закончил с четвертого по третий год обучения в области информатики, что отражает тот факт, что компьютерная графика больше не является дополнительным предметом. По сути, этот курс дает такую ​​полную подготовку студентам, что это может быть очень полезно для нескольких предметов, преподаваемых за последние два года периода окончания. Следует отметить, что такое изменение возможно только тогда, когда требуемый обширный объем фона в математике и программировании гарантируется в конце второго года исследований в области компьютерных наук.

Использованные источники

[1]       J.D. Foley, A. van Dam, S.K. Feiner, J.F. Hughes. Computer Graphics — Principles and Practice. Second Edition in C. Addison- Wesley (1996).

[2]       ACM/IEEE-CS Joint Curriculum Task Force,  Computing Curricula 1991. (February 1991).

[3]       C. Petzold. Programming Windows. 5th edition, Microsoft Press (1998).

[4]       R. Fosner, OpenGL Programming for Windows 95 and Windows NT. Addison- Wesley (1996).

[5]       J. Neider, T. Davis, M. Woo (OpenGL ARB). OpenGL Programming Guide. Second  Edition,  Version  1.1.  Addison-Wesley (1997).

[6]       R. Wolfe. OpenGL: Agent of Change or Sign of the Times?. Computer Graphics. 29- 31 (November 1998).

[7]       A.L. Ames, D.R. Nadeau, J.L. Moreland, The VRML 2.0 Sourcebook. 2nd edition. John Willey & Sons Inc (1997).

[8]       B. Roehl, J. Couch, C. Reed-Ballreich, T. Rohaly, G. Brown. Late Night VRML 2.0 with Java. Ziff-Davis Press (1997).

[9]       F.W. Jansen, P.R. Nieuwenhuizen. Computer  Graphics  Education  at  Delft University of Technology. Proceedings of the Eurographics Workshop on Graphics and Visualization Education, Oslo (1994).

[10]     G.Scott Owen (project director). HyperGraph   —   Teaching  Computer Graphics:   A  project    of the ACM SIGGRAPH  Education  Committee, the Hypermedia and Visualization Laboratory, Georgia State University, and the National Science Foundation. education.siggraph.org

На страницах сайта «Публикации государственного университета» вы найдете статьи о недавних научных открытиях и об истории науки, о новых технологиях и фундаментальных основах наук, о людях, посвятивших жизнь науке, и об исторических личностях, о вещах, которые нас окружают, и об удивительных местах на нашей планете.

Мы стремимся показать нашим читателям, которые интересуются наукой и хотят сделать ее своей профессией, возможные направления для исследований не как отвлеченные дисциплины, а как работу реальных людей.