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計算機可視化技術范文1
1.科學計算可視化技術研究背景
科學計算可視化作為一個研究領域開始于1987年，它首先是為了高效地處理科學數據和解釋科學數據而提出并形成的。它將大量枯燥的數據以圖形圖像這種直觀的方式顯示出來，使觀察者可以準確地發現隱藏在大量數據背后的規律，從而幫助人們更好地理解和分析這些數據。
VISC的研究包括兩方面：一是VISC工具的研究.即如何把科學數據、數值圖像轉化成可視圖形與可理解信息的算法和工具；二是VISC應用研究，即把可視化工具應用于科學和工程的各個學科的方式和方法。它涉及計算機圖形學、圖像處理、計算機視覺、計算機輔助設計及圖形用戶界面等多個研究領域。科學計算可視化技術的意義重大，它大大加快了數據的處理速度，使每日每時都在產生的龐大數據得到有效的利用；實現人與人、人與機器之間的圖像通訊，增強了人們觀察事物規律的能力；使科學家在得到計算結果的同時，知道在計算過程中發生了什么現象，并可以改變參數，觀察其影響，對計算過程實現引導和控制。
2.科學計算可視化技術在現代教育方法中的應用
信息時代，學習是一種社會活動，個人不能脫離社會環境孤立地學習，抽象、多維信息的處理能力顯得日益重要，如果把科學計算可視化與教育有機地結合，教育與社會需求之間的差距將得以縮小，因為科學計算可視化本身是對客觀對象的模擬，所構建的學習環境與實際生活情境相關?？茖W計算可視化的沉浸性和交互性為學習者提供了可以直接交互的三維立體空間，并將學習者置于主動學習的中心地位，有利于學習者知識的建構。
2.1虛擬現實技術制造“真實”感受
虛擬現實可以徹底打破時間的限制，對學生學習過程中所提出的各種假設模型進行虛擬，通過虛擬系統便可直觀地觀察到這一假設所產生的結果或效果。例如，利用虛擬實驗系統，學生可以進行溫室效應、電路設計、建筑設計等方面的探索學習，從而研究出二氧化碳對全球氣候的影響規律，或設計出新的電路、新的建筑物。虛擬現實的沉浸性和交互性，使得設備與環境塑造更接近于真實，有利于學生的技能訓練，如軍事作戰技能、外科手術技能、汽車駕駛技能、果樹栽培技能、電器維修技能等。
美國巴爾的摩Johns Hopkins大學的化學工程系教授卡爾威在計算機網絡上建立了一個虛擬實驗室，模擬各種實驗，讓工程系的學生通過計算機網絡來做實驗，嘗試解決工程上遇到的各種問題。例如，通過一個虛擬的鉆油實驗，學生可以知道某個位置的油井的深度，從而估計油層的形狀及所需費用。
2.2計算機動畫展現“實物”效果
計算機動畫在教育方面有著廣闊的應用前景。有些基本概念、原理和方法需要給學生以感性上的認識，在實際教學中有可能無法用實物來演示。這時借助計算機動畫把各種表面現象和實際內容進行直觀演示和形象教學，大到宇宙形成，小到基因結構，無論是化學反應還是物理定律，使用計算機動畫都可以淋漓盡致地表示出來。
另外計算機動畫在網絡游戲、文化娛樂等方面也有著廣闊的應用前景?；赑C的三維游戲正在不斷增加，其制作也離不開三維動畫技術。開展三維數據場可視化技術研究，探索提高體繪制質量、速度的理論和關鍵技術，對于完善可視化理論、拓展體繪制的應用領域等都具有重要的理論和實踐意義。
3.科學計算可視化技術對于現代教育方法的價值及意義
從教育的發展過程看，任何一種新技術、新媒體的出現，都會引起教育上的革命。例如，紙和印刷術的出現，廣播和電視技術的發展，計算機和網絡技術的發展，都曾引起了教育在質的飛躍。毫無疑問，科學計算可視化與教育相結合，也一定會在教育領域中產生質和量的飛躍。因此，探討科學計算可視化與教育相結合的理論依據，無論是對教育的發展，還是對科學計算可視化技術自身的發展都是必要的，也是現實可行的。利用計算機動畫技術，可將科學計算過程以及計算結果轉換為幾何圖形或圖像信息并在屏幕上顯示出來，以便于觀察分析和交互處理。計算機動畫已成為發現和理解科學計算過程中各種現象的有力工具，即“科學計算可視化”。
實現科學計算的可視化具有多方面的重要意義。它可以大大加快數據的處理速度，使龐大數據得到有效利用；可以在人與數據、人與人之間實現圖像通信，從而使人們能夠觀察到在傳統的科學計算中發生的現象，成為發現和理解科學計算過程中各種現象的有力工具；同時，還可以實現對計算過程的引導和控制，通過交互手段改變計算所依據的條件，并觀察其影響?？傊?，科學計算的可視化將極大地提高科學計算的速度和質量，實現科學計算工具和環境的進一步現代化，從而使科學研究工作的面貌發生根本性的變化。
計算機可視化技術范文2
關鍵詞：計算機動畫技術；研究性教學；數字媒體
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）22-0180-02
隨著我國動漫產業不斷發展，計算機數字媒體專業作為一個新興的培養方向，為相關領域的企業及研究行業輸送越來越多的專業人才。計算機動畫技術成為高等院校中必修的專業課。近年來，我校從設立數字媒體專業開始，經過不斷的教學改革與實踐，在計算機動畫技術課程專業建設上取得明顯的效果，對提高學生整體素質發揮了極大的作用，它的教育模式也從原有的科普型講述形式轉變為以掌握核心動畫技術為目標的技術應用示范方式，形成了鮮明的專業特色，成為我校計算機專業課程系統中的重要課程。
一、計算機動畫技術課程的教學現狀
計算機動畫技術是計算機圖形圖像技術的綜合運用，是當前數字媒體領域中的重要技術之一，正不斷向規?；?、網絡化、多樣化方向發展。然而在目前實際應用過程中，對具體技術較為熟悉，對各種核心技術的原理、算法及處理機制較為陌生，不利于高效地解決動畫制作中的各種難點、問題。因此，在教學過程中需要對教學方法進行研究和完善。以本人所在高校的計算機學院的數字媒體系的學生為例，從以下幾個方面分析當前計算機動畫技術課程的教學狀況和學生的學習情況。
1.采用“灌輸”式教學模式講授。將大量的動畫技術理論直接“灌輸”給學生，略顯枯燥單調。對于本科階段的學生或基礎較為薄弱的學生來說，“灌輸”的理論知識很難消化理解，更難以應用于實踐，造成學習效率和效果都不理想的狀況。在期中考試成績中，發現“死記硬背”的應付考試的現象，理解應用類的題目普遍存在得分率較低的現象。因此，需要改變目前的授課模式，充分激起學生的學習興趣，提高學習效率。
2.全面依賴教材的教學內容。在目前的教學活動中主要以教材內容為課堂講授內容，而教材內容很難涵蓋某些前沿重要的技術應用、技術改良實例，使得要求學生掌握的知識與現實的實踐活動存在一定的時間跨度；同時，教材中的教學素材與案例具有簡單、應用背景單一的特點，與當前主流的動畫技術的結合度較低。以上兩點將大大降低學生獲得動畫技術的興趣，以及解決實際問題的能力。因此，教學內容中需要引入前沿的技術應用實例，如新版本的3ds Max、Maya商業軟件中關于動畫制作一些功能與動畫技術的結合。
3.實驗課時安排不足。目前的教學計劃中對于動畫技術課程的課時分配主要集中在理論課，學生學習過程中對具體算法或技術的操作體驗、實踐時間不充分，因為動畫技術是計算機應用領域中的熱門技術之一，在實踐中才能領悟其中的核心思想。過多的理論學習使得知識難以被真正理解掌握，難以在問題解決過程中發揮作用，也使理論知識的學習無的放矢，缺乏目的性。因此，理論課時與實驗課時最好應平均分配，一周內安排一次實驗課，把理論課上的內容通過若干實驗得到充分的消化吸收，落實提高學生技能水平的要求。
4.課程學習的目的性模糊。通過對現有的授課學生進行調查，大多數學生對課程的學習目的存在誤解，認為動畫技術僅僅是一門普及性的理論課程，只是常識性地補充現有的知識體系，并不認為這門課程是理論與實踐相結合的技術型課程。所以在學習的過程中沒有投入全部的精力與積極性，為了應付考試而采用“臨時抱佛腳”的策略。這些現象與是否在專業學習的開始階段進行學科建設規劃、目標與要求的說明與強調有很大關系。學院領導與專業教師應反復強調每一門專業學習的重點與目標，讓學生明確動畫技術課程是數字媒體系學生在今后職業生涯規劃中不可或缺的專業基礎課程之一。同樣，這種誤解也可能會影響學生的擇業方向及專業的發展方向。數字媒體專業不是向社會培養如動漫畫家、動畫技師一類的美術藝術人才，而是在數字化媒體行業空前發展的大背景下，培養一批利用先進的計算機技術專門解決與媒體應用相關的領域中的問題，從而大力擴展計算機的應用領域的人才，他們的核心競爭力仍是高水平的計算機技術，而目標變成針對某個特殊性領域的學習與深造。因此，教師有必要時常與學生溝通，引導他們向正確的學習目標努力。
二、研究型教學方式的設計模型
通過對現有的教學情況及學生的學習效果進行全面的分析，可以清楚地看到，現有的教學模式需要調整與改良。因此，我在計算機動畫技術課程的教學過程中，做了一些試探性的創新與改良，形成一種針對本科生教育的研究型教學方式，在理論與實踐中，讓學生真正掌握技術的應用效果，提高掌握技能及解決問題的能力。為了改變動畫技術課程的單一的技能性培訓的教學目標，增加理解技術原理的教學目的，提高學生解決問題的能力，既能“知其然”，也能“知其所以然”，我選擇難度水平稍高的教材《計算機動畫算法與技術》[1]作為課程的內容依據，并選擇其中具有代表性的、難度較低的章節進行講解和實踐。另外為學生推薦輔助的參考書《計算機動畫的算法基礎》[2]，其內容相對簡單、易懂。課程主要內容如下：
1.對動畫制作進行概述。首先，講述動畫在人類視覺方面的原理；其次，通過不同時期的動畫技術列舉動畫制作的過程，了解動畫的發展進程。圖1展示了動畫制作的一般工序：
2.技術背景知識介紹。計算機動畫技術需應用《計算機圖形學》中的一些理論知識，因此在講授主要動畫技術之前，先介紹這些背景知識在動畫技術中的應用。包括兩部分：第一部分闡述了與計算機圖形顯示管線相關的基礎知識以及處理圖形數據時的潛在問題源。第二部分主要探討定向表示方法，對于動畫技術中的方向插值計算很重要。圖2顯示具體包含的知識點。
3.插值技術介紹。動畫是在一段時間內改變數據值進而影響視覺效果的過程，因而插值技術在動畫技術中占有重要的地位。對于理解動畫技術的應用有很大幫助。這部分討論與各類插值技術以及逼近曲線相關的基礎知識，并闡述曲線上的頂點移動控制方案。隨后，對方向插值技術加以介紹。另外，還將簡單介紹路徑的工作方式。同時，安排4次實驗課對插值方案進行編程實現，并對比插值計算結果。
4.插值動畫方案介紹。討論數值插值方案在計算機動畫制作過程中的應用方案。首先討論基于關鍵幀的動畫系統，該過程可視為與傳統手繪動畫對應的三維計算機動畫版本。然后，對動畫語言加以分析。動畫語言可用于控制高層算法，且從歷史角度來看，該語言多與數值插值應用方案相關。實際上，大多數語言均針對特定的動畫場景構建，并在各關鍵幀及其插值過程中設置相應的轉換操作。最后，將分別探討對象的變形技術、三維對象形狀間的插值技術以及二維變形技術。同時，安排5次實驗課對插值動畫方案的技術細節通過程序實現的方式深入理解、掌握。具體知識點如圖3：
在改進后的教學模型中，學生對計算機動畫技術的學習興趣較舊的教學方式下，有了明顯提升，主要反映在課堂教學的互動活動、平時作業的完成情況、實驗課的實踐任務的進展情況等方面。學生開始主動思考、探索問題，而不再是單純被動接受教學內容。在期末測試中主觀題目的答題率和正確率均有提高，由于理解性地記憶相關知識點的概念，客觀題目的答題時間也相對縮短。由此不難看出，在研究型的教學模式下，學生更容易獲得應用技術的方法，掌握發現問題、分析問題及解決問題的要領。此外，隨著學習的深入，學生也能逐漸明白數字媒體專業的學習方向及要求，端正態度，有助于其他專業課程的學習。數字媒體專業是計算機應用技術下一個新興的專業方向，與之相關的計算機技術不斷地發展，因此，我們需要適時地調整已有的教學模式，使專業教育與時俱進，才能不斷為科技發展及社會進步提供高水平的專業人才。
參考文獻：
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1 創設情境，誘發學生的求知欲，激發學生學習
興趣
數學教學中激發學生學習興趣主旨在于調動學生的學習積極性，促進學生積極主動地探求知識。在數學教學中，如果把數學知識放在一個主動、活潑的情境中去學習，更容易激發學生的學習興趣，而利用多媒體教學可展示優美的圖像、動聽的音樂、有趣的動畫，創設良好的教學情境，點燃學生的好奇之火，最大限度地激發學生的學習興趣。
1.1 創設學習的情境
在上課幾分鐘，創設一個良好的學習氛圍，使學生一進課堂就想學。如在講授“垂直”這一概念時，筆者讓學生觀看一段大型比賽的跳水錄像，隨后出示問題：當選手入水時，水花的大小說明什么？話音剛落，所有學生幾乎同時說出來：“不垂直”，水花就大；“垂直”，水花就小。筆者問：“什么叫垂直呢？”這樣一問，學生學習的興趣調動起來。接著筆者講解有關垂直的概念。這節課沒有費什么力氣，就完整地進行下來，幾乎所有的學生都明白了什么叫“垂直”，可見這樣的情境給學生留下多么深刻的印象。
1.2 創設應用情境
學是為了用。“問渠那得清如水，為有源頭活水來?！鄙钫菙祵W賴以生存和發展的源泉。讓學生接觸到生活中的數學，才能使他們體會到數學的價值，從而飽含熱情地去從事數學學習活動。因此，在設計課程內容時，筆者的原則就是根據學生的數學學習心理規律，盡可能選用他們喜聞樂見、耳濡目染的生活內容為題材，以喚起學生的學習興趣。
例如，當教學優選方案中的函數應用題時，筆者利用計算機為學生創設一個“虛擬商店”讓學生去實踐購物題：“老師要去購物，甲商店提出的優惠銷售方法是所有商品按九五折銷售，而乙商店提出的優惠方法是凡一次購滿500元可領取九折貴賓卡。請同學們幫老師出出主意，‘我’究竟到哪家商店購物得到的優惠更多？”問題拋出后，課堂氣氛非?；钴S，學生各抒己見，連平時數學成績較差的學生也躍躍欲試。學生學習的主動性很好地被調動起來。這一教學環節的設計，使學生既鞏固了兩個變量間關系，又受到優化思想的熏陶，體驗了數學在現實生活中的應用及對生活的價值，增強了學生學習數學的興趣，也為更好的用打下學的基礎。
2 展現過程，深化認知，培養學生的思維能力
利用計算機的動畫、漸變、疊加等效果和計算機的聲像功能，將知識難點和某些過程直觀化，以多種媒體刺激學生的感官，深化認識程度，并通過揭示內在的規律和現象的過程，培養學生的思維能力。
2.1 變靜為動，加強對概念的理解
對于一些比較抽象的概念，運用計算機多媒體進行教學設計，就能讓學生充分感知，為學生由形象思維轉向抽象思維架起橋梁。如在教學軸對稱圖形時，可設計展翅飛翔的蝴蝶動畫，讓靜止的圖形“動”起來，形象生動，學生較容易理解軸對稱圖形這一個概念。計算機多媒體的動態變化可以將形與數有機結合起來，把運動和變化展現在學生面前，提供豐富而動感的形象，展現出一個精彩紛呈的數學世界。
2.2 變靜為動，突破教學重難點
計算機發展進入到課堂教學中，給教學帶來新的生命力，使數學教學有了質的轉變，本來枯燥無味的課堂因計算機的作用而使得本身抽象的知識變得生動活潑且易懂明了。特別是在幾何圖形課、應用題課的表現更加突出。在數學教學中，大量的形式多樣、內容豐富的插圖是教材的重要組成部分，但插圖是靜止的，插圖借助多媒體創設動態情境，以鮮明的色彩、活動的畫面把活動過程全面展現出來，那么既可突出重點、突破難點，化抽象為具體，又可促進思維導向由模糊變清晰。
如在學習三角形的三條角平分線（三條中線、三條高或高的延長線、三邊的垂直平分線）相交于一點時，傳統教學方式都是讓學生作圖、觀察、得出結論，但每個學生在作圖中總會出現種種誤差，導致三條線沒有相交于一點；即使交于一點了，也會心存疑惑：是否是個別現象？使得學生很難領會數學內容的本質。利用信息技術就不同了，在數學軟件里，只要畫出一個三角形，用菜單命令畫出相應的三條線，就能觀察到三線交于一點的事實，然后任意拖動三角形的頂點，改變三角形的形狀和大小，發現三線交于一點的事實總是不會改變的。親手經歷，不僅大大增強學生學數學的興趣，激發他們的求知欲望，也有效地實現精講，化解教學難點、突破教學重點，提高課堂效率，增強教學效果。
2.3 變靜為動，培養學生求異思維
計算機技術可以以“動”的形式模擬思維過程，促進學生發散思維、求異思維。在學習平面直角坐標系時，有一道練習題：求出在一個平面直角坐標系中不規則四邊形的面積（單位：厘米）。學生剛看到這道題，無從下手：如何把一個不規則的四邊形轉化成規則圖形呢？筆者用計算機演示一遍不同的轉換過程，學生看得清楚、明白，培養了求異思維，同時滲透了轉化思想。
3 巧設練習，鞏固新知
知識的掌握、技能的形成、智力的開發、能力的培養，以及良好的學風的養成，必須通過一定量的練習才能實現。所以，練習是學生學習過程中的重要環節。在教師的主導作用下，發揮計算機容量大，信息的檢索、提供、顯示及信息類型的轉換方便迅速，信息傳播速度快的功能優勢，巧妙設計練習，激發學生“樂學樂做”的情感非常重要。因此，在教學中應廣泛借助多媒體為學生提供更多的練習素材，更多的練習和表現自己能力與成就的機會。同時，也為教師提供及時獲得學生準確、真實的學習成效和學習態度及反饋信息的方法和途徑。
如在教學角時，學生最容易犯“角的大小與構成角的兩邊長短有關”的概念性錯誤。為了克服學生這一錯誤的認識，運用多媒體自制一個CAI課件。在講完角的認識新課后，反饋練習時依次出示一組練習：1）根據屏幕上提供的各種圖形（圖中有的是角，有的是兩條沒有相交的射線，擺放的形式多種多樣）判斷哪些是角哪些不是角，結果98%的學生能準確判斷；2）接著出示一組兩個大小相等而邊的長短不相等的角和兩個邊的長短相等而大小不等的角的畫面，要求學生判斷每對角的大小，結果有些學生得到邊長的角大這一錯誤的判斷，說明學生沒有真正抓住事物的本質；3）為了直觀驗證他們判斷的錯誤，屏幕上出現一個以黑色為背景的高亮度的角。此時教師提醒學生注意兩條邊長短變化時這個角的大小有什么變化。學生通過觀察屏幕演示自己得出角的大小與邊的長短沒有關系的結論。
這種非常直觀的演示，為學生積極思維提供了豐富的素材，是其他手段所無法比擬的。學生根據觀察，抓住解決問題的關鍵，提高了解決問題的能力，達到鞏固新知的目的。由此可見，運用多媒體教學，不但能充分刺激學生的感官，調動他們的積極性，并能激發學生創造性的學習，發展他們的思維，培養運用知識的綜合能力。
計算機可視化技術范文4
【關鍵詞】大數據;計算機文化基礎;教學改革
在當今社會面臨全球化和新技術革命，特別是信息技術革命的挑戰時，基于技術的教育變革的重要性和緊迫性也日益明顯。技術推動《計算機文化基礎》教學變革已經成為現實，作為一線的教育工作者，我們思考的是應該怎樣突破？
一、學好《計算機文化基礎》的要素研究
經過元分析和數以千萬計有效教學及課堂指導成果的綜合分析研究，普遍認為以下三個要素是影響學生學好《計算機文化基礎》課的最重要要素。
1.學生的學習動機和對自己的挑戰性期望。學生能否進入到《計算機文化基礎》學習的過程之中的前提是：他有沒有學習的興趣，有沒有學習的愛好;學生能否提高質量的學習的關鍵是：在有了興趣和愛好之后是否對自己有一定的挑戰性期望?！队嬎銠C文化基礎》課程教學實踐告訴我們，一個人如果沒有自覺，沒有自信，不會自己學習，他就始終不會擺脫灌輸式的被動學習，而且學得非常艱苦。任何一種教學改革，如果能夠激發學生的學習興趣和愛好，能夠讓學生產生對自身的挑戰性期待，它所帶來的學習效果一定是最好的。其實學生學習的不成功，最關鍵的是自己始終認為是一個失敗者。
2.在合適的學習時間內給予學生廣泛的有效的《計算機文化基礎》學習機會。我們的學生不缺學習時間，和國外的學生相比，我們的學習時間夠長的了。誰都明白這個道理，學習的成效并不決定于時間的長度，而是單位時間內的效度。所謂有效的學習機會，包括為學生的《計算機文化基礎》學習提供多元化的課程和創設良好的學習情境等多個方面。
教師要根據《計算機文化基礎》學習內容、學習對象的特征來設置學習情境，情境可以是具體的，也可以是抽象的;可以是邏輯性的，也可以是形象化的。但我們的校本課程是點綴性。我們的許多學校，真正的適性課程是比較少。
3.教師教學的針對性。有效學是具有個性化和針對性。所以教師征對《計算機文化基礎》教學要關注兩個詞，一個是個性化，一個是針對性。我們的課堂教學，如果能從學生不同的學習需求來設計，而且能針對每個人的突出問題和特殊需求來開展教學，效果一定會非常好。
二、關于《計算機文化基礎》教學針對性的思考
在影響學生學業的三個重要的因素中，有一個特別重要的因素，就是教師教學的針對性。所謂教學的針對性，至少應該包含以下三層含義：
1.通過準確的評估，在《計算機文化基礎》教學時精確地知道每一個學生的優缺點。
2.在《計算機文化基礎》教學中知道什么是合適的指導，特別是在什么時候，使用什么，怎么使用該課教學策略和相應的資源。
3.在日常工作中，使用《計算機文化基礎》課堂結構、程序和工具來進行有區別的指導和針對性教學。
《計算機文化基礎》的針對性教學意味著保證學生在他們最近發展區域內進行課堂學習活動，使他們的能力和要接受的挑戰適應。理想的《計算機文化基礎》教學狀態是：教師能精確地知道每一個學生當前的起點和學生需要什么樣的幫助才能進入下一個能力層面進行學習。現實的課堂，我們的教師根本做不到這一點。
個中原因，大致有一下幾個方面：
1.《計算機文化基礎》教學的目標指向有偏差。從狹義的角度去理解教該課學目標，應該是培養獨立的思考者和終身學習者。而我們目前的教學從不考慮學生的個性差異和發展差異，教學就是為了讓每一個學生都能得到好的分數。
2.傳統的課程學習診斷方式的局限。一如KHAN所言：“標準化測驗本身并不槽糕，但糟糕的是它沒法對學生的每一個方面作出評估。”他希望將來的招生官關心的不再僅僅是學生的考試分數，而是他們為達到學習目標所付出的堅持不懈地努力過程。他說，如果他是招生官，他會關心有哪些學生在學習過程中展現了不俗的毅力。
3.我們的大班化教學，在一定程度上制約了教師對學生個性差異和發展差異的了解。
在某種意義上，盡管信息技術有了突飛猛進的發展，但對學生全息分析的數據工具尚未開發成功。教師憑借教學經驗獲得的數據不僅不全面，而且不客觀，總是帶有老師的主觀色彩。
三、大數據給教學改革帶來機遇
1.理解大數據
“大數據”這個術語最早期的引用可追溯到apache org的開源項目Nutch。當時，大數據用來描述為更新網絡搜索索引需要同時進行批量處理或分析的大量數據集。隨著谷歌MapReduce和GoogleFile System（GFS）的，大數據不再僅用來描述大量的數據，還涵蓋了處理數據的速度。
從某種程度上說，大數據是數據分析的前沿技術。簡言之，從各種各樣類型的數據中，快速獲得有價值信息的能力，就是大數據技術。明白這一點至關重要，也正是這一點促使該技術具備走向眾多企業的潛力。
物聯網、云計算、移動互聯網、車聯網、手機、平板電腦、PC以及遍布地球各個角落的各種各樣的傳感器，無一不是數據來源或者承載的方式。
2.大數據為教學改革帶來的機遇
教學最基本的要點是：只有當教學足夠精確并直接建立在學生已有基礎之上時，且將學生更高一層能力時才是最有力的。如果教學沒有針對性，學生或者花費太多的時間從事過于簡單、不涉及學習新東西的活動上，或者太難、涉及學習或再學習太多新東西的學習活動上花費太少的時間。
大數據應用于《計算機文化基礎》課堂教學，最大的影響是它有能力去關注每一個學生的微觀表現。傳統教學方式下我們獲得的數據有兩個顯著的特點：一是宏觀整體性的，即通過檢測分析、問卷調查等方式獲得學生整體的學業水平，身體發育與體質狀況，社會性情緒及適應性發展等。第二是經驗感知性的，即教師根據多年的教學經驗和日常的觀察給出對學生的大概評價。運用大數據技術，不僅可以獲得一個學生在一節40分鐘的課堂中所產生的全息數據約5-6GB，而且可以對這個學生在課堂學習過程中的各種行為表現，情緒態度等進行全方位分析，得出學生學業的優缺點和對待學業的態度等。如果大數據技術能廣泛地運用于課堂教學，那么我們在課堂中進行針對性教學就有了可能。
這種可能的實現，需要同時具備以下四項：
第一，一套有力的評估工具，這套工具與《計算機文化基礎》每堂課的學習目的相匹配，它使教師每日獲得有關每一個學生進步的準確的、綜合的信息，這套工具的管理使用不會過度干擾正常的課堂秩序。
第二，一個不用太多時間而又能捕捉到過程評估數據的方法。自動分析數據，并把數據轉換成可有效推動《計算機文化基礎》教學的信息，使教師很快即可做出《計算機文化基礎》教學方案，而無須等到將來。
第三，一種使用每個學生的評估信息來設計并實施《計算機文化基礎》個性化教學的措施，為《計算機文化基礎》教學而評估成為提高教學針對性的教學策略。
計算機可視化技術范文5
關鍵詞： DSP （ Digital Signal Processor）數字圖像處理器；袖珍讀條儀；灰度值；鹽酸克倫特羅
中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）06-1291-03
The Design of Clenbuterol Test Strip Digital Detector
WANG Yan-hua1， HE Bao-feng2
（1. Henan Information Engineering College，Zhengzhou 450000； 2. Department of Computer Science， Sias University，Zhengzhou 451150， China）
Abstract： [Object] A mini digital detector has been designed to enhance the useful performance of a test strip. [method] A mini digital detector using a digital image sensor and a central processor，gives a relationship between the measured gray value， which is directly proportional to the number of gold particles of the marker and the drug content of samples. [result] The results not only can be divided into positive （ > 3ng / ml ） and negative （ 0 or < 3ng / ml ）， can read content specific numerical. [Conclusion ] the pocket reading meter reading can be used in the scene， will test strip detection performance by improving for qualitative quantitative.
Key word： Digital Signal Processor；mini digital detector；gray value；Clenbuterol
試紙條以價格低廉和簡便快捷的特點，廣泛地應用于食品安全的檢測中。河南省農科院以張改平為首的科研團隊針對小分子半抗原免疫原性的關鍵問題，分析了小分子藥物的分子結構，設計了一系列小分子藥物半抗原的合成路線，通過偶聯位點、連接臂、載體效應、偶聯率的篩選試驗，建立藥物完全抗原的偶聯方法，制備了完全抗原。利用膠體金標記抗原和標記抗體兩種免疫膜層析技術模式，研制成功了快速檢測免疫試紙，成功地發明了檢驗鹽酸克倫特羅（俗稱瘦肉精）的試紙條，使用時只需要在試紙條的樣品端侵入被測豬的尿液，尿液隨著MAX箭頭所指的方向沿薄膜流動，幾分鐘后就會在設定位置出現一條或者兩條紅線，出現兩條線表示樣品為陰性，即不含鹽酸克倫特羅；出現一條線為陽性，說明被測豬在飼養過程中添加了違禁的鹽酸克倫特羅（圖1）。
圖1 鹽酸克倫特羅試紙條及其檢測結果
當樣本中含有鹽酸克倫特羅時，鹽酸克倫特羅就會和檢測線上的牛血清白蛋白偶連的鹽酸克倫特羅競爭性的結合鹽酸克倫特羅的金標單抗，鹽酸克倫特羅越多，檢測線顯色越弱。金顆粒沉積的多寡反映了條紋的濃淡，在典型的情況下就是條紋的有和無，容易作出陽性和陰性的判別，在非典型的情況下是條紋的深和淺，用肉眼判別就容易產生歧義。如果我們在試紙條的檢測中用儀器讀無疑比目測能得到精確得多的結果。例如利用TSR3000讀條儀就可以精確分析條紋的光密度，計算各種結果。只是由于價格昂貴，體積龐大（必需與電腦相連）和操作復雜（需專業人員分析）等原因，機讀無法應用于現場，在現今的實際應中試紙條檢測完全是靠肉眼判讀的。
圖2 鹽酸克倫特羅試紙條數字化檢測儀原理圖
根據圖像分析適當處理，應用微電子技術可以制作一個小巧便于攜帶專門的鹽酸克倫特羅試紙數字化檢測儀。它的硬件結構是由圖像傳感器、液晶屏和ARM主板組成，體積。它從高精度CCD傳感器采集到條紋的圖像信號，經過A/D模數據轉換后送到DSP數字信號處理器進行圖像處理，再經CPU微處理器將圖像信號進行分析和計算，將結果以文字或圖形的形式用LCD液晶顯示屏表達出來。它的軟件系統是預置于ROM寄存器中的專門程序，開機時自動運行，數據處理中還要用到JPEG圖像的壓縮處理辦法和隨時調取寄數據庫中的數據。
用該儀器檢測沿試樣流動方向跨越檢測線和質控線檢測到的相對灰度圖如圖三所示，兩條曲線分別對應陰性和陽性兩種結果。 陰性曲線在檢測線位置和質控線位置分別出現了兩個比較大的（這里大于5）尖峰，對應這里出現兩個看得見的條紋。陽性曲線在質控線位置出現一個很高的峰值，但是在檢測線位置的灰度值卻很?。ㄟ@里小于等于1），說明這時質控線仍然明顯可見，但檢測線則小到幾乎不可辨，于是用肉眼判斷試紙條上只出現一條條紋。
圖3 對應陽性和陰性情況下兩條檢測曲線的灰度值
在有效檢測的條件下，質控線峰總是出現的。于是檢測線峰的強弱就成了判別是陽性還是陰性的關鍵。在我們的實驗條件下，在鹽酸克倫特羅含量從零到1000ng/ml的變化過程中檢測線灰度值的相對變化如圖四所示?？梢钥吹?，當樣品的鹽酸克倫特羅含量小時檢測線的灰度值較大，試紙的反應等同于樣本陰性，肉眼可看到兩個明顯的條紋；在鹽酸克倫特羅含量大（例如當鹽酸克倫特羅含量為10ng/ml）時，檢測線條紋的灰度值僅為1（從白到黑分為為256份），這時肉眼根本看不出，但用儀器檢測則可讀出具體的灰度值。我們將陰性定義為鹽酸克倫特羅含量為零（0或3ng/ml稱為陽性，根據對應曲線還可以由灰度值推斷鹽酸克倫特羅含量的含量。于是，用該儀器數字化判讀就實現了檢測的數值化，是對當前試紙條使用的一種拓展和補充。
圖4 試紙條檢測線峰灰度值的變化曲線
該儀器設置還設計有智能化的人機對話界面（圖5），點擊觸摸屏上的圖標，存儲在芯片中的程序就會自動運行實現轉換，對操作中出現的各種情況會給以提示。由于生產中不同批次的蛋白質的活性有微小差異，金顆粒的大小也會對檢測線的灰度值造成影響，故每當使用一個新批次的試紙條時都要先對儀器進行校準。校準的方法是將試紙條滴入生理鹽水后放到儀器中觀測（這時試紙條應顯示陰性結果，即兩條條紋）再按調零按鈕，儀器會利用預存數據庫中的數據自動找到匹配的程序和判別標準。儀器面板還設有切換按鈕，除用數據顯示結果外，還可以進一步顯示條紋的圖像和灰度值。該儀器還設置有通訊端口，可供將來對內存的數據庫和運行程序進行更新和升級。具有自動運行、表達簡捷、結論準確和便于攜帶等特點，適合現場使用。
圖5 試紙條數值化檢測儀的人機對話界面
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計算機可視化技術范文6
關鍵詞：無線認知網絡；多目標優化；自適應克??；自適應交叉；自適應變異
中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)10-2207-05
Resource Parameters Optimization of Wireless Cognitive Network Based on Adaptive Neighbor Selection Cloning Genetic Algorithm
TAO Ying1, CHEN Zhi-kui1, CHENG Chen2,CHEN Long-jiu2
(1. Laboratory of Network Communication & Database Technology ,Dalian University of Technology, Software College, Dalian 116621, China; 2. Dalian University of Technology ,Software College,Dalian 116621,China)
Abstract: The resource parameters optimization of Wireless Cognitive Network (WCN) is not allowed to ignore, which is one of research hot pot in the reasonable use of free spectrum resource. The optimization problem would be a multi-objective optimization problem for the diversity of the resource parameters. In this paper, it’s based on the basic parameter, i.e. the least signal interference noise ratio(SINR), to meet the basic QoS needs of WCN using there related parameters of bandwidth, power consumption and transmission rate. It put forward a kind of adaptive neighbor selection cloning genetic algorithms (ANSCGA) to solve parameter resource allocation problems based on the cognitive node capacity degree, in order to satisfy the target of bandwidth minimization, power consumption minimization and transfer rate maximization in the network. After compared with the classic algorithm NSGA-II, ANSCGA has certain advantages.
Key words: Wireless cognitive networks; Multi-objective optimization; Adaptive clone; Adaptive crossover; Adaptive mutation
1概述
認知無線網絡的核心思想是使無線通信設備具有發現空閑頻譜并合理利用的能力，從根本上解決目前因頻譜的固定分配政策而導致對頻譜的不合理應用。該文針對認知無線網絡中認知用戶網絡多目標資源參數優化問題，研究最小信號干擾噪聲比值（SINR）關鍵參數之間的平衡關系，通過克隆及交叉變異算子的設計提出自適應鄰域選擇克隆遺傳算法（Adaptive Neighbor Selection Cloning Genetic Algorithm, ANSCGA），解決多目標優化問題的收斂速度以及種群多樣性問題。該文主要優化網絡已使用帶寬、已使用功率和數據傳輸速率三項參數，借助優化算法尋找收發節點對的帶寬分配和功率控制參數，達到最小化已使用帶寬、最小化已使用功率和最大化傳輸速率的優化目標。
2認知無線網絡模型
該文基于IEEE802.22WRAN標準簡化的模型，在該協議模型下，當且僅當接收節點在相應傳輸節點的傳輸范圍且不在其它傳輸節點的干擾范圍之內，信號傳輸才能成功。該文在針對認知網絡用戶在接入主網絡資源時資源優化問題引用最小信號干擾噪聲比值（SINR）來均衡關鍵目標參數時，同時考慮干擾溫度限制因素。
2.1系統QoS需求
考慮一個網絡覆蓋區域，其中分布著N個認知用戶。為描述方便統一將認知用戶稱為節點。假定從源節點i到接收節點j的信道功率增益為
必須大于某一門限值滿足
，故而接收節點j通過CDMA復用方式共享主網絡資源時，接收端處的信號干擾噪聲比（SINR），故而主要優化參數為使用帶寬、消耗功率以及傳輸速率。為了保證信號干擾噪聲比最小，優化問題轉化為求解最小化已使用帶寬、最小化消耗功率及最大化傳輸速率。2.2優化目標參數
考慮認知網絡中認知用戶節點不能干擾主網絡用戶節點工作，所以定義，具體指網絡中各個節點已使用的帶寬之和。這里用來評價網絡中頻譜資源的有效利用率。在傳輸速率保持不變的情況下，網絡中被占用的頻譜資源越少，說明該網絡中頻譜資源有效利用率越高。具體表達式如下：，具體指網絡中所有節點功率消耗的總和。對每個節點而言，在確保通信質量的前提下，應將其傳輸功率控制到最低，以確保網絡壽命，當網絡中任何節點能量消耗完時，網絡壽命終止。具體傳輸功率表達式如下：表示從節點i到節點j的傳輸帶寬。
2.3系統優化模型
無線認知網絡資源參數優化模型可表述為：對于存在N個節點的網絡區域，對于節點的帶寬和消耗功率進行優化調整，確保整個網絡區域在保證傳輸速率最大化的基礎上所有節點使用帶寬和消耗功率最小化。
3自適應鄰域選擇克隆遺傳算法
該文基于一種自適應鄰域選擇克隆遺傳算法[3]，針對認知無線網絡中認知節點需要感應可使用頻段的特性，引入認知容量概念作為克隆適應度成比例計算，確保種群在認知容量高的節點附近進行集中搜索，提高算法速度。同時在進化期間節點根據種群鄰域進化情況，隨時自適應調整進化策略，確保種群多樣性，算法收斂性取決于作為其核心操作的高頻變異算子。
3.1抗體適應度
在IEEE802.22WRAN標準下，每個認知傳輸時幀由感知部分和數據傳輸部分組成，感知時間越短，用來傳輸數據的時間就越多，認知容量就會越大，但感知時間太短會造成檢測的誤差過大，導致對主節點的干擾過大，要做到最大限度不對主節點產生干擾，認知節點必須周期性的快速準確檢測主節點的工作情況，這里假定感知存在檢測概率為待優化參數[4]。
3.2鄰域選擇克隆算子
在克隆遺傳算法中，克隆的實質是在抗體進化過程中，在每代候選解的附近，根據適應度的大小進行克隆，產生一個變異解的群體，從而擴大搜索范圍（即增加抗體的多樣性），有助于防止進化早熟和搜索陷于局部極值，同時通過克隆選擇來加快收斂速度。
自適應克隆選擇算子操作的對象是活躍抗體，每個活躍抗體要進行克隆的抗體的克隆數為抗體種群最差抗體的適應度值。
鄰域選擇操作作用于活躍抗體節點，本算法根據活躍抗體的認知容量度大小決定在活躍抗體周圍搜索抗體的數目，從而形成鄰域種群。擁有較大認知容量的活躍抗體有更多機會搜索其自己的鄰域抗體。每個活躍抗體的鄰域種群抗體的數目為給定的最小變異率[6]。
對于適應度高于平均適應度的抗體，對應于較低的交叉概率和變異概率，使該抗體得以保護進入下一代；而低于平均適應度的抗體，相對應于較高的交叉概率和變異概率，使該抗體被淘汰?？贵w會在每次迭代過程中根據認知容量度值自適應地調節變異步長，同時確保在認知容量度高的抗體周圍集中搜索提高收斂速度，同時也保持了種群的多樣性。
3.4算法偽代碼如下
Procedure[P]=ANSCA_OPT(aB,bB,aP,bP,NP,NG,,eps)
Initialize P(NP)//隨機生成N對實數編碼收發節點(帶寬、消耗功率、空閑概率以及工作概率) for k=1:NG//迭代未滿足最大次數
for 1：NP//對傳輸距離內所有收發節點對f
4仿真實驗
4.1通信節點路由優化仿真環境
用該文所提算法對無線認知網絡節點進行參數優化?？贵w對應于問題在給定范圍內的可行解，根據抗體的認知容量度來度量抗體的適應度，高適應度的抗體是選擇、克隆、搜索、變異和組成最優解的對象。
基于MATLAB仿真環境，在圖1網絡仿真節點路由分布4.2仿真結果與分析
相應數據是仿真運行78次后的結果，每次算法的進化代數為20，活躍抗體數為20，縮放系數為0.1。
在未進行優化網絡中，具體22對收發節點的使用帶寬參數與功率控制參數如圖2(a)和(b)所示，其中，圖2(a)展示的是帶寬參數，圖2(b)展示的是功率參數，整個網絡使用帶寬
同時選取經典多目標優化遺傳算法NSGA-II對該網絡進行優化，其22對收發節點的帶寬參數和消耗功率與ANSCGA對比如圖2(c)和(d)所示，其中圖2(c)展示的是優化后的節點已使用帶寬參數，圖2(d)為優化后的功率參數，NSGA-II算法優化結果為：已使用帶寬
相比之下，該文提出的ANSCGA算法優化結果相對較優，優化后的速率分別比為優化的高出0.026%，比NSGA-II算法優化速率高出0.011%，同時使用帶寬和消耗功率也分別是優化后最小的。另一方面，在未優化時，帶寬大于40MHz的節點對有8對，功率大于80W的節點對有6對，經ANSCGA優化后，帶寬大于40MHz的節點對只有4對，功率大于80W的節點對只有3對，而經過NSGA-II算法優化的節點對帶寬大于40MHz的節點對有6對，功率大于80W的節點對有4對?？梢姳舅惴ㄔ跓o線認知網絡資源參數優化方面存在一定的優越性。
5結論
該文提出了一種ANSCGA用于求解無線認知網絡中資源參數分配優化問題，將節點的認知容量度作為算法適應度的一部分，使該算法在搜索部分主要集中在認知容量度高的節點附近進行，提高算法速度，同時通過自適應克隆算子、自適應交叉和變異算子 有效提高了算法性能，保證了節點的多樣性，并有效解決了無線認知網絡的資源參數優化問題。
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