面向游戏开发方向的“计算机图形学”课程建设探讨
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文章编号：1672-5913(2009)06-0034-03
摘要：随着游戏产业的快速发展，国内外越来越多的高校开始开设游戏开发专业或游戏开发方向，在该专业的课程设置中，“计算机图形学”是一门重要的专业基础课，如何在讲授“计算机图形学”课程的同时，考虑游戏专业人才的培养目标，结合游戏设计的实例来进行实践，使得学生能将图形学理论和游戏设计实践很好地结合起来，是一个值得深入探讨的问题。本文从“计算机图形学”课程的特点分析开始，结合当前教学过程中存在的问题，给出了面向游戏开发专业方向的“计算机图形学”课程建设思路。
关键词：计算机图形学；游戏开发；课程建设
中图分类号：G642
文献标识码：B
1引言
“计算机图形学”是计算机领域一门重要的学科，也是计算机学科方向的核心课程之一，作为一门不断发展的学科，“计算机图形学”的教学应该跟上学科的快速发展以及社会对本学科的人才需求。当前，伴随着计算机科学与媒体技术的相互融合，形成了数字媒体技术这一新的学科，越来越多的国内外高校开始开设数字媒体技术专业，而相当多的高校将“游戏开发”作为数字媒体技术专业的一个主要方向进行发展。游戏设计以高质量的3D技术来展现游戏画面，从角色建模、灯光、渲染、纹理等，无不是基于计算机图形学的算法和理论，因此，“计算机图形学”也成为数字媒体技术专业重要的一门专业基础课。
如何在讲授“计算机图形学”课程的同时，考虑游戏专业人才的培养目标，结合游戏设计的实例来进行实践，使得学生不至于因为算法和理论的枯燥而产生厌学情绪，同时又能将图形学理论和游戏设计实践很好地结合起来，是一个值得深入探讨的问题。
本文分析了“计算机图形学”课程的特点及其在游戏开发专业培养课程体系中的地位以及图形学授课过程中存在的问题，给出了面向游戏设计专业的“计算机图形学”课程教学改革的思路。
2 “计算机图形学”课程的特点及其在游戏开发专业培养课程体系中的地位
游戏开发专业的教育目标是帮助学生了解游戏从策划、设计、开发、测试、运营过程的整个环节，使学生获得扎实的理论基础，同时使学生具备较强的实践能力，掌握最先进的主流游戏开发技术。
“计算机图形学”是游戏设计专业的一门重要专业基础课，当前的主流图形API是对图形学的基本原理和算法的实现，因此，对图形学算法和原理的掌握，能够帮助学生更快更好地理解和掌握主流的图形API，而这些主流的图形API也是当前游戏开发过程中必不可少的工具。
由此也可看出，“计算机图形学”课程应该理论与实践并重，既要讲解清楚图形学的基本理论和算法，又能给学生充分的实践机会和时间，为学生后续学习游戏开发技术打下坚实的基础。
处理好图形学授课过程中的理论讲授和实践的关系，对于这门课程的学习效果至关重要。
当前的图形学的教学现状与游戏专业的教学目标相比，存在如下一些问题。
3 “计算机图形学”授课过程中存在的问题
(1) 传统的计算机图形学的内容可以分为二维、三维两部分，其中二维部分即光栅图形学部分，包括：基本图形(直线、圆弧、椭圆等)的生成算法、二维裁剪算法、填充算法、曲线曲面、图形反走样等内容。三维图形学算法则围绕三维物体的建模、运动、三维场景的建立组织，包括：物体建模(物体在计算机内的表示模型、几何造型)、三维图形的显示(三维图形的几何变换、三维图形的投影变换、三维裁剪)、真实感图形学(消隐算法、光照模型、光线跟踪技术、阴影、纹理、辐射度算法等)，有些图形学教材还增加了计算机动画技术、交互技术、图形处理高级技术等内容。
分析上述内容，其中与游戏设计关系最为密切的部分是：基本的图形学数学算法，包括向量部分的内容、图形变换、视图变换、图形渲染、材质、纹理贴图、模型动画等三维图形学的内容；而二维图形学的内容在游戏开发中使用的相对较少。
而在传统的图形学教材中，二维图形学的内容占据相当大的比例，学生在学习这一部分内容的时候，普遍感到算法较为枯燥，而无法和实际应用联系起来，易产生厌学的情绪。
(2) 对于当前主流图形库的学习安排
为了更好的开发出具有丰富3D效果的游戏，必须学会使用3D技术，而当前主流的3D图形API为OpenGL和DirectX，早期的很多游戏的底层引擎是基于OpenGL开发的，如“3D游戏之父”Carmack的经典游戏“DOOM”、“Quake”，在当前的游戏行业中，微软开发的DirectX多媒体引擎大有后来居上之势，当前基于Windows操作系统的游戏绝大多数都是基于DirectX开发。虽然如此，在其他操作系统的游戏开发和工作站上的图形应用程序开发，OpenGL仍然是不二的选择。
因此掌握好这两种图形库，是游戏专业的学生必须掌握的技能；在两种图形库的偏重上，DirectX所占的分量应该更重一些，而当前的图形学理论和实践教材基本上都是基于OpenGL，缺少合适的基于DirectX的计算机图形学实验指导教材。
(3) 对于图形学课程理论和实践的安排
一般图形学课程的安排是先讲授图形学理论，之后进行图形学课程设计，目的是在课程设计环节让学生应用所学的理论知识，锻炼实践能力。但也存在一些弊病：理论讲授和实践环节割裂，学生在学习图形学算法和理论时对枯燥的内容感到较难，缺少实践，而在实践环节，由于时间有限，很难真正掌握开发工具并作出具有一定深度的作品。
基于上述问题，结合游戏开发专业的特点，我们认为必须从以下几方面入手做工作，确保“计算机图形学”课程的教学效果，加快课程建设。
4面向游戏开发专业方向的计算机图形学课程建设思路
(1) 针对游戏专业的特色，在内容选择上，应有所取舍，有所补充，不拘泥于某本计算机图形学教材的具体内容作为授课内容，而是根据培养目标和专业特色，灵活安排。
首先，重点讲授三维图形学的内容；另外，将一些游戏开发过程中较为关键的图形学相关算法和内容补充到图形学的授课内容中，例如以下两种算法：
场景管理及相关算法：场景管理是3D游戏引擎最核心的部分，对于一个3D场景来说，有很多的物体，最简单的组织方法就是把它们用一个List连接起来，然后在绘制每一帧的时候一次送入渲染器进行处理，这样的方法即使处理一个简单的场景都会显得非常慢。因此，如何合理有效地管理3D场景中物体之间的相关、从属、互相影响的关系，如何组织这些关系，并将它们与3D引擎的其他部分的功能联系起来，就是场景管理需要完成的工作。牵涉到空间排序，有多种算法来实现，基本的方法为：N叉树算法，包括：二叉树算法、四叉树算法和八叉树算法。
现有的各种图形学教材，有些根本没有提到上述算法，有些在图形消隐的章节讲授其中的某种算法。而上述算法是游戏引擎的核心算法，对游戏专业学生这一部分的内容应补充进授课内容。
三维模型动画及动力学的基础知识：在游戏开发过程中，有了模型之后，需要为三维模型添加相应的动作，实现游戏效果。对于当前的三维图形库，比如Direct3D，也支持丰富的三维模型动画，包括：关节动画、单一网格模型动画、骨骼动画和Morp。这一部分内容对于游戏开发人员来说也是必须掌握的一部分，但在现有的《计算机图形学》教材中，绝大多数没有涉及这部分内容，但也有一些《计算机图形学》课本增加了三维模型动画及动力学的内容，如美国加州州立大学斯坦尼斯洛斯分校Steve Cunningham所著的《计算机图形学》一书中，就将动力学和动画作为专门的一章内容进行介绍。
(2) 理清图形学各部分内容和具体的游戏应用之间的关系，采用多种方式，有针对性地讲述。
游戏专业方向的“计算机图形学”课程在讲授的时候，不能完全沿用传统的“计算机图形学”的授课方式，而应该找出相关内容和具体的游戏开发实践之间的关系，教师在讲述相关理论和算法的时候，应将游戏开发过程中如何应用该算法或理论以及如何实现该算法和理论进行讲解，将相对枯燥的理论和实际联系起来，让学生能学以致用。
下表对图形学的内容和游戏开发实践中的应用作了粗略的总结。
教师在具体讲授时可以在此基础上进行丰富，使得授课内容生动起来。并在课程结束的时候，按照构造游戏的流程，从角色建模讲起，用游戏设计这一根主线找出各部分内容之间的联系，使得学生对课程的内容和游戏开发之间的关系有一个全貌性的认识。
(3) 在理论环节和实践环节的安排上，采用理论课+实验课+课程设计的方式，在平时图形学理论讲授的过程中，穿插实验课，在最后安排课程设计，加大实践环节所占比重。
(4) 建设与开发面向游戏方向的图形学案例库
欲使课堂讲授的内容生动起来，必须有实际的案例支撑，因此建设面向游戏方向的图形学案例库，使得学生能够快速理解和掌握相关理论和技术，对于提高图形学课程的授课质量至关重要。
(5) 教材建设方面
编制面向游戏开发专业的计算机图形学教材以及编制面向游戏开发专业的图形学课程设计指导书是非常紧迫和必须的任务。
5总结
本文结合图形学教学的实际以及游戏开发专业方向的培养目标，对于面向游戏设计专业的“计算机图形学”课程教学改革进行了一些探讨，希望能对游戏开发专业的教学和课程建设有所促进。
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