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          清華研究生精品課程:與時狼人寶島俱進的“計算機圖形學”

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            “網絡細分的概念來源於雕塑。藝術傢們做雕像時需要不斷雕琢和打磨,使原本規則的幾何體石膏變得光滑。我們在計算機上也可以先畫出規則的立方體形狀,再做網絡細分,就能得到想要的形狀。”計算機系教授胡事民一邊用視頻展示網絡細分過程,一邊講述網絡細分的原理,引起瞭學生們的思考。

            這門課是“計算機圖形學”,作為計算機系研究生的專業基礎課,它承接清華大學計算機系本科生專業基礎課“計算機圖形學基礎”,在介錦繡未央紹真實感圖形學等基礎經典理論的同時,用近一半的課時結合當前圖形學研究的國際前沿進展,向學生介紹最新的研究思路和方法。

            “計算機圖形學是計算機應用技術中非常底層和核心的內容之一。”胡事民說。計算機圖形學是利用計算機研究圖形的表示、生成、處理、顯示的學科。圖形學可以將基礎科學和工程應用的成果通過可視化的方式展示,在娛樂領域,如遊戲、電影特效,以及創意或藝術創作、產品設計等行業,圖形學都發揮著非常重要的作用。

            再基礎一些,再前沿一些

            “計算機圖形學”在清華有悠久的傳統。計算機系第二任系主任、我國計算機圖形學的開創者和奠基人之一唐澤聖教授,最早在清華開設瞭計算機圖形學課程;孫傢廣院士曾長期主講圖形學的系列課程,是國內外圖形學和CAD領域公認的權威;胡事民則曾跟隨孫傢廣從事博士後研究工作。2002年起,胡事民從導師手裡接過圖形學教學任務,開始主講本科生的“計算機圖形學基礎”和研究生的“計算機圖形學”,迄今已經17年。“最初我們需要把課件制作成塑料膠片給學生投影,現在教學方式越來越多元化瞭”,胡事民回憶道。

            這門課在課程內容戈貝爾失去味覺新聞設計上涵蓋瞭圖形學所需的幾乎所有基本知識,包括建模、光照模型、渲染及加速、基於圖象的圖形技術等等。胡事民在課堂上不僅會結合實例詳細講解各個算法的原理和部分算法的後續改進方法,還會通過生活中常見的現象對圖形學理論進行深入淺出的解釋。

            同時,胡事民會把前沿的研究成果編輯到課程裡和學生分享。課題組平均每年在圖形圖像等國際著名刊物和會議上發表5-8篇高水平論文,課堂上講解的特征敏感度量、圖像片網模型等理論技術都是課題組的研究成果。因此課程每年都會動態調整教學內容,並結合國內外專傢的觀點多角度地介紹課題組和學科最新研究成果,增進學生對該學科的認識、激發學生的創造性。

            計算機系媒體所的博士一年級學生楊國燁說:“最重要的是胡老師還會通過自己或其他研究者的小故事,告訴我們為什麼某項研究要這麼做,以及這項研究對學術界及工業界的影響。這些實例給我帶來瞭很多啟發,讓我瞭解到研究工作的影響力和意義從何而精品國產自在自線官方來,以及如何做出這樣研究。”

            “教學是無止境的,我每一年準備課程時都要反復思考那些課件,怎麼精雕細刻、濃縮精華,再把最新的內容充實進去。”胡事民說。

            好的課堂不需要掌聲,而要關註每一位同學

            “計算機圖形學”平均每年有30餘人正式選課。除瞭計算機系的研究生外,還有來自工物系、美術學院、物理系等院系的研究生,同時也有其他院校及科研單位的師生來旁聽這門課。選課學生有不同的基礎和專業背景,學生層次不同,在學習過程中遇到的問題也各有不同。

            “教學不是你講得興高采烈,大傢都鼓掌就好瞭,而是需要關註到那些有困難的同學,不讓他們掉隊。”胡事民說,他對學生要求比較嚴格,不僅有固定的討論班、小范圍的討論,還經常跟學生單獨談話,“哪個學生問題多瞭就單獨請他吃飯,邊吃邊聊,這樣容易發現他的問題並給予幫助。”

            計算機圖形學需要較強的編程能力,而有些學生編程基礎較弱,胡事民就安排瞭兩名助教開設習題課,專門輔導學生編程。部分學生沒有學過本科生的“計算機圖形學基礎”,所以這門課的前四講專門安排瞭有關圖形學的理論基礎性課程,之後的課程分別講解高級渲染、基於圖形的圖像處理技術、相關幾何知識等。胡事民還自己買教材送給每一位上課的學生。

            計算機系學生杜正軍說:“課堂上內容豐富多彩,對於每一個具體的專題,老師不僅會分析傳統的經典方法,還會結合研究現狀講解最新最前沿的研究思路;不僅會講解論文本身提出的解決方案,同時也會分析論文的立意、創新性和寫作特點,並在課堂上鼓勵大傢做前沿的研究、有用的研究。”

            學以致用,以用致學

            “計算機圖形學”一共有兩次作業,由老師指定題目,讓學生們通過編程來實現,老師則根據證明作業的效果和編程的質量對學生進行考核。“但是我們也鼓勵學生不做指定的作業,他們可以自選項目。每年都有一部分學生有創新的東西,甚至有非常瞭不起的作品。”在胡事民講授這門課程的十多中國大媽年裡,有很多學生不僅掌握瞭課程知識,並且進行大膽創北大女生包麗去世新,成果斐然。

            正在上課的楊國煒同學研發出“Write-A-Video:Computational Video Montage for Themed Text”技術,實現瞭基於主題文字的視頻蒙太奇生成方法。通過該技術,用戶在計算機中輸入文字,系統即可從視頻庫中搜索與文本內容語義相匹配的候選鏡頭並自動組裝剪輯視頻。如此,專業剪輯師可以省下大三級在線免費看量時間、提高效率,沒有受過專業技術培訓的用戶也可以制作出賞心悅目的視頻。

            2019年11月,楊國煒在胡事民的帶領下前往澳大利亞參加瞭SIGGRAPH會議,其成果Write-A-Video也發表在瞭SIGGRAPH Asia 2019上,得到國際同行的廣泛認可。SIGGRAPH及SIGGRAPH Asia是世界上影響最廣、規模最大同時也是最權威的集科學、藝術、商業於一身的CG及互動技術展覽及會議。

            而在2013年,“計算機圖形學”課上的學生們就實現瞭基於主題文字的單張圖片和連環畫生成技術,正是這一技術引起瞭楊國煒的興趣,取得瞭現在的成果。“清華的計算機圖形學研究處於國際巴勒斯坦新聞領先水平,現在課堂上的很多內容都是我們課題組、甚至是我們學生的研究成果。”胡事民介紹說。

            研究生精品課程“計算機圖形學”采用研究型教育教學模式,堅持基礎性與前沿性相結合的教學內容,以及課堂學習與研究實踐相結合的教學方式,著眼於全體學生的進步,使得學生既學到瞭圖形學的基礎知識,又學習隻有精品瞭進行科學研究的方法,綜合素質和科研能力得到瞭鍛煉與提高。“我們很多時候低估瞭學生的求知熱情和潛力,應該把更多的時間放在對學生的啟發與激勵上。”胡事民深有感觸地說。