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1、北京航空航天大學研究生開題報告與文獻綜述學生姓名：戴松專業(yè)：計算機科學與技術學號：SY1224141指導教師：周忠副教授開題日期：2014-1-14北京航空航天大學研究生開題報告論文題目：算法動畫可視化創(chuàng)建平臺及其增強現(xiàn)實體驗的設計與實現(xiàn)學生姓名：戴松專業(yè)：計算機科學與技術學號：SY1224141指導教師：周忠副教授開題日期：2014-03-10一、論文選題依據(jù)（論文選題的意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析等）1.1論文選題的背景與意義算法（Algorithm）是指解題方案的準確而完整的描述，是一系列解決問題的清晰指令，算法代表著用系統(tǒng)的方法描述解決問題的策略機制。對于
2、算法的理解是計算機科學中至關重要的一部分。由于算法的概念、思想、實現(xiàn)步驟等理論過于抽象，初學者僅僅通過學習靜態(tài)的理論知識很難想象出動態(tài)的算法執(zhí)行過程，也不容易理解數(shù)據(jù)的動態(tài)變化，因此感到學習困難且無法深入理解算法思想。而在老師的講解或教材中又經(jīng)常省略算法具體的實現(xiàn)過程，學生必須靠自己的理解去摸索算法的執(zhí)行過程，這[1]些都在無形中阻礙了學生的學習主動性和實踐能力的提高。針對算法教學中存在的問題，一些老師開始研究在算法教學中引入圖形輔助教學來實現(xiàn)算法的動態(tài)可視化，算法動畫（AlgorithmAnimation）以直觀的圖形，并以動畫[2]的播放形式把算法實現(xiàn)過程
3、中的數(shù)據(jù)結構變化動態(tài)表現(xiàn)出來，通過描述算法實現(xiàn)中的數(shù)據(jù)動態(tài)變化，可視化算法對輸入數(shù)據(jù)的動態(tài)處理過程，以分步演示的形式播放。算法動畫可以讓學生直接“看到”算法的執(zhí)行過程和數(shù)據(jù)結構變化，在具體的圖形動畫中了解算法的內(nèi)部實現(xiàn)原理，幫助學生理解和掌握算法的基本概念、思想，提高算法學習的效率和趣味性，同時減輕教師的教學負擔。鑒于算法動畫的作用，近年來國內(nèi)外出現(xiàn)了很多算法動畫可視化軟件應用于教學實踐。例如，80年代比較著名的是BrownM.H.和SedgewickR.開發(fā)了3個算法動畫系[3][4]統(tǒng)：BALSA，BALSA-II和Zeus，并在布朗大學實際使用這些系統(tǒng)輔
4、助計算機課程的教學。這些算法可視化軟件以個人化的圖形界面呈現(xiàn)了高度的表現(xiàn)力，并且和高帶寬、資源可共享的本地局域網(wǎng)連接，提供了豐富的交流環(huán)境和良好的教學平臺。而這幾年隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了很多運行于Web的算法動畫應用軟件，這些應用程序更加注重學生的親身參與實踐，使算法動畫得到了更多老師和同學的關注和使用。而隨著三維動畫技術的興起，尤其是基于Web的Html5技術與WebGL技術越來越盛行，在傳統(tǒng)二維算法動畫引入三維動畫元素來增加動畫效果、加強學生學習樂趣變得勢在必行。而隨著增強現(xiàn)實技術的不斷發(fā)展，在三維動畫中使用增強現(xiàn)實技術能夠很好地將計算機生成的虛擬物
5、體同真實世界場景疊加融合在一起，給人一種超越現(xiàn)實的感官體驗，擴展了視覺、聽覺、味覺、觸覺等人類傳統(tǒng)的感知方式，它將計算機生成第1頁的虛擬物體、場景或系統(tǒng)提示信息實時準確疊加并顯示在真實的場景中，做到虛實結合，增強使用者對真實世界的觀察和認識。這些，都增加了三維動畫制作平臺的趣味性與實用性。在國外目前對于增強現(xiàn)實已經(jīng)從研究其算法技術本身轉(zhuǎn)到關注其具體領域的應用，而對于增強現(xiàn)實在教育領域的應用，國外學者也做出了不少嘗試。Billinghurs利用增強現(xiàn)實技術設計了一套兒童閱讀書MagicBook，它將書本內(nèi)容制作成動畫并且以AR的形式迭加在書本上的不同單元里。在圖
6、1(a)中，因為隱藏了圖像捕獲等設備，因此魔法書與普通書本看起來并無差異；(b)中是使用AR顯示設備觀看魔法書的內(nèi)容，通過此設備，能夠看到疊加在魔法書上的3D動畫，用戶只需要通過移動書籍或轉(zhuǎn)換視角等操作就能夠從不同角度觀看，操作很簡單；(c)中展示的是疊加到真實場景中的虛擬場景。MagicBook將計算機設備隱藏起來，用戶只需要翻閱書本來改變故事內(nèi)容與場景，利用HMD來觀看書本內(nèi)容，不需要額外去操作指令按鍵，這樣讓互動更接近自然的閱讀行為。由此可見，將算法動畫運用于增強現(xiàn)實場景下是可行的。圖1使用MagicBook展示從現(xiàn)實環(huán)境逐步遷移到虛擬環(huán)境中1.2國內(nèi)外
7、研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)1.2.1國內(nèi)外算法動畫可視化研究現(xiàn)狀第一次將算法動畫可視化應用于教學的是30分鐘的彩色有聲教學影片Sortingout[5]Sorting,此影片在全世界很多大學廣為流傳。此影片利用算法動畫加入背景音講解描述了九中不同的排序方法。影片描述生動，容易理解，許多學生看過之后可以達到自行編程練習的程度，而且影片比較了不同算法的效率。圖2為SortingoutSorting快速排序演示和堆排序的演示畫面。第2頁圖2SOS快速排序和堆排序演示畫面從此之后，算法動畫平臺越來越多的出現(xiàn)并且大部分用于本科教育并且可以免費試用，但是由于對不同算法動畫的描述不
8、同，算法動畫平臺的使用和用戶的交互模式
