《3D游戏图形学》课程开发

数字媒体技术专业是新兴专业,具有自身的特色,“3D游戏图形学”是针对数字媒体技术专业新开设的专业课.本文首先结合传统课程“计算机图形学”存在的问题分析了开设“3D游戏图形学”对数字媒体技术专业的必要性,然后就课程教学内容和实验内容设计进行了详细的探讨和研究,希望能够促进该课程的建设和完善.

3D图形学游戏数字媒体技术一、前言

数字媒体技术专业是近年来新增的专业,数字媒体技术是通过现代计算和通信手段,综合处理文字、声音、图形、图像等信息,使抽象的信息变成可感知、可管理和可交互的一种技术,主要包含场景设计、角色形象设计、游戏程序设计、多媒体后期处理、人机交互技术.图形学是该专业的核心课程之一.

“3D游戏图形学”是一门在对传统课程“计算机图形学”课程内容进行调整的基础上,针对数字媒体技术专业新开设的专业课.该课程主要介绍三维计算机图形学的基本概念、算法与编程实现,以及3D图形开发技术的最新进展.

本文首先对传统“计算机图形学”课程存在的问题进行了分析,提出了开设“3D游戏图形学”的必要性；然后就“3D游戏图形学”课程的教学内容和实验教学进行了讨论；最后总结我们的经验与不足.

二、开设“3D游戏图形学”课程的必要性

近年来,随着计算机软硬件技术的进步,计算机图形学技术发展很快,在各方面的应用也越来越广,特别是以动画、游戏为代表的数字娱乐产业的迅猛发展,极大地推动了计算机图形学相关学科的发展,但是目前计算机图形学的教学内容无法紧跟最新技术的发展,存在以下一些问题：

1.多以二维图形和理论讲述为主.对直线、圆、曲线等基本图形算法讲述较多,但是目前的图形学应用主要是三维的,二维图形算法已经非常成熟和硬件化了.

2.对当前应用领域中所用到的最新图形技术设计较少.随着动画、游戏等技术的发展,计算机图形技术涌现了越来越多的新方法和新技术,但传统课程“计算机图形学”的教学内容陈旧.

3.实践案例教学内容欠缺.目前计算机图形学的教学没有理论结合实践,缺乏讲解具体算法的实现方法,要么主要将理论,要么讲程序语言OpenGL的简单使用方法,与实际应用需要严重脱节,使得学生学习一学期后也无法进行具体的图形编程.

为此,迫切需要开设一门教学内容与时俱进、理论与实践并重的课程,不仅要把经典计算机图形学的基本原理讲透,而且能适当融合当前三维计算机图形技术的最新发展,并结合具体实践开展案例教学.基于这一考虑,我们开设了“3D游戏图形学”这门课程.

三、课程教学内容设计

“3D游戏图形学”总学时数48学时,理论教学33学时,实验教学15学时.理论教学内容分为以下9讲：

第1讲为计算机图形学基础,主要介绍计算机图形学的定义、研究范畴,计算机图形学的发展历史和应用领域,图形系统构成、输入输出设备,以及计算机图形学的发展热点,课时为2学时.

第2讲为基本图形生成算法,讲述图形光栅化的基本原理,直线的生成算法包括数值微分法和中点Bresenham算法,圆的生成算法包括简单方程生成圆和圆的中点Bresenham算法以及多边形的光栅化算法,课时为4学时.

第3讲为图形变换,图形变换是计算机图形学领域内的重要内容之一,为将绘制的图形转化成适合在屏幕上显示的二维图形,必须将其经过一系列的变换,包括平移、旋转、缩放、投影等,本讲主要讲述计算机图形系统中最常用的二维图形变换和三维图形变换,课时为4学时.

第4讲为三维场景绘制流水线,主要讲述三维场景显示到屏幕上需要的一系列变换,包括观察空间变换、投影变换、窗口到视区的变换和光栅化显示,课时为3学时.

第5讲为真实感图形光照处理,主要讲述简单光照模型,透明、明暗、阴影及纹理处理,整体光照模型与光线跟踪算法,课时为9学时.

第6讲为三维场景造型技术,主要讲述三维场景的组织方式,几何剖分技术包括四叉树、八叉树、BSP树等,快速可见性判断与LOD加速绘制技术,课时为4学时.

第7讲为游戏特效绘制技术,主要讲述常用的特效实现基本原理和方法,如广告术、粒子系统技术、精灵动画技术、烟雾火特效技术和眩光特效技术等,课时为3学时.

第8讲为碰撞检测技术,主要讲述碰撞检测的基本原理、基本碰撞检测算法的原理与实现,包括基于图像空间的碰撞检测算法、基于一般表示模型的碰撞检测算法和面向可变形体的碰撞检测算法,课时为2学时.

第9讲为计算机动画技术,主要讲述几种最典型的动画运动生成方法,包括关键帧方法、过程动画、变形动画、基于物理模型的方法和人体动画,课时为2学时.

与传统的计算机图形学相比,本课程偏重最新的三维计算机图形学技术.用较少的课时介绍经典的二维图元绘制算法,然后重点介绍当前用得最广泛的三维图形技术,融合最新的三维游戏图形开发技术.另外,本课程注重理论和实际相结合,在每一章讲完理论后,紧接着介绍如何采用OpenGL进行具体编程,使学生可以利用所学知识做出自己的图形,提高学生的学习兴趣与编程能力.

四、课程实验教学设计

“3D游戏图形学”是一门实践性很强的课程,为了使学生能学以致用,真正掌握目前应用广泛的三维图形技术,做到与时俱进,除了理论教学外,必须辅以足够的实验教学,着重培养学生的编程实现能力,使得学生学习该课程后能够利用OpenGL或DirectX进行具体的三维图形编程.实验教学内容是在保留经典的二维图形编程的基础上增加了三维图形编程项目,实验类型包括基本型、设计型和综合型三种.

基本型实验,主要是通过实验对基本理论进行验证,加深学生对基本理论的理解,安排三次课内实验,实验一为VC++6.0+OpenGL绘图环境及简单图形的输出,主要是掌握在VC++6.0平台上配置OpenGL工具包,熟悉OpenGL工具包的主要功能,掌握OpenGL的绘图流程和原理,课时为2学时；实验二为基本图元生成算法的实现,主要是理解基本图形元素光栅化的原理,掌握直线和圆的多种生成算法,课时为4学时；实验三为几何图形变换实验,主要是实现二维、三维图形变换,包括基本几何变换和投影变换,课时为3学时.

设计型实验,要求学生对所学理论进行简单应用,安排一次课内实验,简单真实感图形生成实验,包括光照处理和纹理映射,主要是掌握简单光照明模型的基本理论和纹理映射技术,利用OpenGL生成物体的真实感图形,课时为3学时.

综合型实验,要求学生运用所学理论,完成一项具体的任务,安排一次实验,简单三维地形漫游的实现,主要是地形数据的获得、地形的渲染与地形的漫游,由于实验内容偏难,采用课内与课外相结合的方式,课内占3学时.