基于OpenGL和MFC的三維建模教學(xué)實(shí)踐與改革*

張志華 ，程耀東 ，張新秀

（1.蘭州交通大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

可視化編程技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)中[1-4]，對于地理信息系統(tǒng)專業(yè)學(xué)生也必須緊跟時(shí)代潮流，將可視化程序設(shè)計(jì)掌握并運(yùn)用到實(shí)踐學(xué)習(xí)中去。本校將OpenGL三維可視化程序設(shè)計(jì)作為一門必修課程列入教學(xué)計(jì)劃中。如何培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)本專業(yè)圖形的生成算法及顯示流程，如何利用VC與OpenGL結(jié)合進(jìn)行學(xué)生程序開發(fā)能力的培養(yǎng)，并在有限的學(xué)時(shí)條件下，達(dá)到理想的教學(xué)目標(biāo)，不是一件易事。

1 OpenGL教學(xué)中存在的問題

1.1 VC++平臺環(huán)境不熟悉

傳統(tǒng)的教學(xué)平臺選擇VC++控制臺應(yīng)用程序作為演示平臺，該平臺程序設(shè)計(jì)簡單，易于理解，適合有C語言功底的學(xué)生學(xué)習(xí)。但該平臺可視化演示效果差，針對復(fù)雜的地理場景顯示顯得不夠?qū)挿?，缺乏可操作性，人機(jī)交互能力有限，教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)不夠科學(xué)，不夠系統(tǒng)[5]。

1.2 OpenGL庫函數(shù)眾多，難于掌握

OpenGL核心庫中包含 115個(gè)函數(shù)（前綴為 gl），實(shí)用庫中包含 43個(gè)函數(shù)（前綴 glu），輔助庫中包含 31個(gè)函數(shù)（前綴 aux），工具庫中包含 30多個(gè)函數(shù)（前綴 glut）[2]。每個(gè)庫中的函數(shù)都有很多的重載形式，這往往將需要掌握的庫函數(shù)加倍，在有限的課堂教學(xué)時(shí)間內(nèi)，想要掌握OpenGL庫中的眾多函數(shù)，會顯得力不從心。從而打擊學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不利于教學(xué)。

1.3 部分關(guān)鍵函數(shù)參數(shù)個(gè)數(shù)多，不易理解

OpenGL的很多庫函數(shù)所攜帶的參數(shù)往往有很多，且不易掌握。例如，投影函數(shù) glFrustum（GLdouble left，GLdouble Right，GLdouble bottom，GLdouble top，GLdouble near，GLdouble far）帶有 6個(gè)參數(shù)，如果不配合圖解，很難讓學(xué)生理解并掌握它的使用。再比如二維紋理定義的函數(shù) void glTexImage2D（GLenum target，GLint level，GLint components，GLsizei width，glsizei height，GLint border，GLenum format，GLenum type，const GLvoid*pixels）， 相 對于投影函數(shù)來說，二維紋理定義函數(shù)就顯得更加復(fù)雜，直接講解，難以理解其參數(shù)含義，不易掌握，從而產(chǎn)生畏難負(fù)面效應(yīng)，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)。

1.4 教學(xué)缺乏應(yīng)用背景，學(xué)習(xí)積極性不高

從學(xué)生的角度出發(fā)，學(xué)生們只會根據(jù)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行編程，缺乏對相關(guān)函數(shù)與算法的直觀展示，不能有效地吸引學(xué)生主動去學(xué)習(xí)。再者，大多數(shù)同學(xué)不重視三維圖形可視化方面的學(xué)習(xí)，他們認(rèn)為將來工作不會涉及關(guān)于三維圖形設(shè)計(jì)方面的內(nèi)容，從而學(xué)習(xí)積極性不高，缺乏學(xué)習(xí)的主動性[4]。

2 教學(xué)方法改革與改進(jìn)

2.1 選用MFC作為開發(fā)與講解框架

通常情況下，OpenGL以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)方面的教學(xué)都采用C/C++語言編寫，程序設(shè)計(jì)簡單，但可視化以及人機(jī)交互效果較差，學(xué)生掌握起來較困難。MFC（微軟基礎(chǔ)類庫）是VC++平臺下程序開發(fā)框架，該框架可以構(gòu)建基于對話框的應(yīng)用程序、基于單文檔的應(yīng)用程序以及基于多文檔的應(yīng)用程序，通過使用MFC框架下的諸多可視化控件進(jìn)行編程，可以迅速建立界面美觀、通俗易懂、便于交互操作的程序框架，其典型的消息事件驅(qū)動模式[6-7]，如菜單消息映射、基本控件消息映射（按鈕等），增加了人機(jī)交互操作，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，大大提高學(xué)生的動手能力，通過不斷的探索人機(jī)交互操作，增進(jìn)學(xué)習(xí)效率。

2.2 加強(qiáng)上機(jī)實(shí)踐輔導(dǎo)

OpenGL與MFC進(jìn)行三維圖形可視化程序設(shè)計(jì)，除去課堂教學(xué)外，應(yīng)將大量的教學(xué)學(xué)時(shí)應(yīng)用在上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)上，通過布置相關(guān)的圖形演示程序及圖形顯示算法，一方面培養(yǎng)學(xué)生熟悉VC++編程環(huán)境，熟悉MFC與OpenGL如何聯(lián)合進(jìn)行程序開發(fā)；另一方面，通過推敲相關(guān)代碼，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力。

2.3 引用實(shí)例進(jìn)行課堂教學(xué)

課前搜索一些與本節(jié)課程有關(guān)的應(yīng)用實(shí)例，如三維立體動畫、相關(guān)三維建?？梢暬浖萚8]，在具體講解過程中，引入實(shí)例，既能提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，又幫助他們提高對本節(jié)課的內(nèi)容理解。如打開Google SketchUp三維建模軟件，在其中演示物體的繪制、物體的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作，幫助他們學(xué)習(xí)glVertex（）、glTranslate（）、glRotate（）等函數(shù)，并理解函數(shù)所帶參數(shù)的意義，啟發(fā)學(xué)生們?nèi)ニ伎肌?/p>

2.4 制作教學(xué)課件及相應(yīng)的演示程序

由于計(jì)算機(jī)軟硬件的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的板書式教學(xué)已經(jīng)向多媒體教學(xué)方向發(fā)展，而OpenGL教學(xué)又與計(jì)算機(jī)程序相關(guān)聯(lián)，更加體現(xiàn)出多媒體教學(xué)的優(yōu)越性，圖形顯示直觀、易懂，符合學(xué)生們的好奇心理。將OpenGL講解內(nèi)容按前后章節(jié)，利用powerpoint制作出精美的教學(xué)課件，并配以程序演示，從很大程度上吸引學(xué)生的注意力，并且，課件后附具體的作業(yè)，將其拷貝給每一位學(xué)生，在課后業(yè)余時(shí)間依然可以隨時(shí)打開課件內(nèi)容學(xué)習(xí)，為學(xué)好OpenGL提供便利。

2.5 采用教學(xué)互動，提高學(xué)生的空間想象能力與語言表達(dá)

在一段學(xué)時(shí)的課堂教學(xué)完成后，布置一次大作業(yè)，要求學(xué)生們基于MFC框架，自由發(fā)揮，對現(xiàn)實(shí)世界的感興趣物體進(jìn)行三維建模，要求寫出具體的程序代碼、建模思路及主要用到的OpenGL函數(shù)，并制作PPT在課堂上進(jìn)行教學(xué)互動，這無形中提高了教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到了良好的教學(xué)目的。同時(shí)，在編寫代碼時(shí)，提高學(xué)生的空間想象力與邏輯思維能力，在教學(xué)互動中，又能培養(yǎng)其語言表達(dá)能力。

3 基于MFC的教學(xué)演示程序

為幫助C++功底較淺的學(xué)生學(xué)習(xí)，將基礎(chǔ)的MFC與OpenGL程序框架搭建好，供日后學(xué)生自己向其中添加OpenGL建模代碼，并基于此編寫所有圖形顯示程序。以投影變換為例，圖1為教學(xué)演示投影函數(shù)詳解，圖中可以直觀展示glFrustum函數(shù)透視投影場景的效果及各參數(shù)的含義，右邊是該函數(shù)所攜帶的6個(gè)參數(shù)。根據(jù)圖解，學(xué)生們很容易就可以掌握這個(gè)函數(shù)的使用，圖2亦同理。

圖1 glFrustum函數(shù)控件示例

圖2 gluPerspective函數(shù)控件示例

再以圖3為例，在顏色教學(xué)過程中，用到了MFC中滑塊、滾動條、旋鈕、編輯框等控件，通過三色分量RGB的任意取值，在右邊的顯示框中，動態(tài)顯示當(dāng)前取值顏色，一方面使學(xué)生們熟悉MFC常用控件的使用，另一方面，掌握OpenGL中有關(guān)顏色操作函數(shù)，將MFC與OpenGL的聯(lián)合更加深入易懂。

圖3 顏色對話框?qū)嵗?/p>

學(xué)生們根據(jù)自己的興趣愛好就現(xiàn)實(shí)世界中的物體進(jìn)行三維建模，如雨傘、鐘表、礦泉水瓶、樓梯、隧道等，圖4為學(xué)生基于MFC構(gòu)建的一個(gè)三維礦泉水瓶模型，圖中有一個(gè)黃色的球狀光源，該光源可以圍繞礦泉水瓶進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，圖 4（a）至圖 4（c）分別是以頂點(diǎn)模式、線框模式和實(shí)體模式顯示的礦泉水瓶，該例表明學(xué)生已掌握場景投影、模型構(gòu)建、光照及人機(jī)交互等相關(guān)函數(shù)及程序代碼。

圖4 學(xué)生隨機(jī)三維建模范例——礦泉水瓶

通過這樣一些教學(xué)改革，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)造性思維，在教學(xué)互動過程中，同學(xué)們都紛紛拿出自己所建的模型進(jìn)行討論，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。從改革教學(xué)方法、教學(xué)課件入手，利用實(shí)例吸引學(xué)生注意力，不斷提高本課程的教學(xué)質(zhì)量。

[1]劉煜崗，蔡洪斌.《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與探討[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2012，10（6）：262-264.

[2]RICHARD S.WRIGHT，J R.Benjamin Lipchak Nicholas haemel， 張琪，付飛（譯）.OpenGL超級寶典[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[3]BO CHEN，HARRY H.Cheng.Interpretive OpenGL for Computer Graphics[J].COMPUTERS&GRAPHICS， 2005，29：331-339.

[4]楊斌.OpenGL在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].滁州學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，14（5）：105-107.

[5]張燦.基于OpenGL實(shí)驗(yàn)平臺的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)改革研究[J].電腦知識與技術(shù)，2012，8（32）：7826-7827.

[6]賀少華，吳新躍.基于 VC++和 OpenGL的大型機(jī)械裝置虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21（4）：1059-1062.

[7]黃燕挺.三維控件在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2011，39（8）：192-195.

[8]楊長強(qiáng)，鄭永果.“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”教改實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2010（24）：53-56.