《計算機(jī)圖形學(xué)》教學(xué)大綱

1、計算機(jī)圖形學(xué)（Computer Graphics）課程代碼：0900807學(xué)分：3學(xué)時：48（其中：課程教學(xué)學(xué)時：36，實驗學(xué)時：12）先修課程：程序設(shè)計基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)適用專業(yè)：計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教材：計算機(jī)圖形學(xué)（第二版），清華大學(xué)出版社，孫家廣編著，2009.11開課學(xué)院：計算機(jī)與軟件學(xué)院一、課程性質(zhì)與課程目標(biāo)（一）課程性質(zhì)計算機(jī)圖形學(xué)是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門重要的專業(yè)限制性選修課，講授與計算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)的方法、原理、算法及系統(tǒng)。主要特點是理論與實踐結(jié)合性強(qiáng)，學(xué)習(xí)內(nèi)容在許多方面都有重要應(yīng)用。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解計算機(jī)在圖形應(yīng)用方面的基礎(chǔ)原理，了解圖形應(yīng)用中的特殊性處理方法，進(jìn)而學(xué)

2、習(xí)和掌握計算機(jī)在圖形領(lǐng)域應(yīng)用中分析、建模、程序設(shè)計等方面知識，為實際問題的解決提供適宜的模型和辦法，培養(yǎng)學(xué)生使用計算機(jī)分析問題和解決問題的實際能力。（二）課程目標(biāo)課程目標(biāo)包括知識目標(biāo)和能力目標(biāo)，具體如下：課程目標(biāo)1：使學(xué)生掌握計算機(jī)圖形學(xué)的基本概念和基本理論，熟悉計算機(jī)圖形學(xué)的經(jīng)典方法，培養(yǎng)學(xué)生解決計算機(jī)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題所需專業(yè)基礎(chǔ)知識，為本專業(yè)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及進(jìn)一步的軟件開發(fā)打下良好的理論基礎(chǔ)。課程目標(biāo)2：能夠運用計算思維分析問題和解決問題，針對計算機(jī)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題，分析并抽象出計算機(jī)圖形中的問題。課程目標(biāo)3：能夠綜合運用計算機(jī)圖形學(xué)的基本理論和設(shè)計方法，針對計算機(jī)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題研究和

3、設(shè)計可行的解決方案，并能對解決方案進(jìn)行分析和論證。（三）課程目標(biāo)與專業(yè)畢業(yè)要求指標(biāo)點的對應(yīng)關(guān)系本課程支撐專業(yè)培養(yǎng)計劃中的畢業(yè)要求指標(biāo)點1.2、2.2和3.2。畢業(yè)要求指標(biāo)點1.2：具備扎實的計算機(jī)工程基礎(chǔ)知識，了解通過計算機(jī)解決復(fù)雜工程問題的基本方法，并遵循復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)的工程化基本要求。畢業(yè)要求指標(biāo)點2.2：應(yīng)用計算機(jī)領(lǐng)域?qū)I(yè)知識，能夠根據(jù)給出的實際工程案例，運用草稿、圖表、流程表等工程方法發(fā)現(xiàn)問題、提出問題及分析問題。畢業(yè)要求指標(biāo)點3.2：能夠合理地組織數(shù)據(jù)，有效地存儲和處理數(shù)據(jù)，正確地進(jìn)行算法設(shè)計、分析和評價。課程目標(biāo)畢業(yè)要求指標(biāo)點課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)3畢業(yè)要求1.2畢業(yè)要求2.2

4、畢業(yè)要求3.2二、課程內(nèi)容及教學(xué)要求本課程教學(xué)內(nèi)容包括：計算機(jī)圖形學(xué)簡介、基本圖形生成算法、二維變換及二維觀察、三維變換及三維觀察、曲線和曲面、消除隱藏線和隱藏面算法、真實感圖形學(xué)和用戶接口級交互技術(shù)。討論圖形顯示及圖形表示的方法和原理。本課程基本要求是：全面掌握計算機(jī)圖形學(xué)的基本概念，掌握圖形處理的基本原理以及各種相關(guān)的算法，全面、系統(tǒng)地了解計算機(jī)圖形學(xué)在計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)中的特殊處理方法。理解和掌握二維圖形顯示流程和三維圖形顯示流程，進(jìn)一步掌握真實感圖形顯示技術(shù)。注重培養(yǎng)學(xué)生獨立思考的能力，結(jié)合理論和實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)和提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。通過對各種算法的深入學(xué)習(xí)和扎實掌握，從而能夠

5、針對計算機(jī)圖形圖像方面實際問題解決提出適宜的方法和模型。第1章計算機(jī)圖形學(xué)簡介（一）教學(xué)內(nèi)容1. 計算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容。2. 計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史回顧。3. 計算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用及發(fā)展動向4. 計算機(jī)圖形系統(tǒng)硬件。5. 計算機(jī)圖形標(biāo)準(zhǔn)（二）教學(xué)要求1. 掌握計算機(jī)圖形學(xué)的基本概念、計算機(jī)圖形系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。2. 了解計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷程和計算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域，了解圖形學(xué)課程的研究內(nèi)容和發(fā)展動態(tài)。3. 熟悉計算機(jī)圖形系統(tǒng)的輸入與輸出設(shè)備。4. 掌握常用圖形顯示設(shè)備的基本原理與性能。（三）重點與難點1. 重點掌握計算機(jī)圖形學(xué)概念、計算機(jī)圖形的硬件結(jié)構(gòu)及顯示原理。掌握常用的計算機(jī)圖形系統(tǒng)的輸入

6、與輸出設(shè)備。2. 難點理解光柵掃描顯示器和隨機(jī)掃描顯示器的區(qū)別以及彩色顯示機(jī)理。第2章基本圖形生成算法教學(xué)內(nèi)容1. 直線掃描轉(zhuǎn)換算法：微分法，中點畫線法，Bresenham畫線法。2. 圓和橢圓的掃描轉(zhuǎn)換算法：中點畫線法，Bresenham畫線法。3. 種子填充算法。4. 多邊形的掃描轉(zhuǎn)換。5. 線寬與線型與字符技術(shù)：矢量字符，點陣字符，字符屬性。6. 反走樣技術(shù)。教學(xué)要求1. 掌握直線掃描轉(zhuǎn)換的數(shù)值微分法、中點Bresenham算法，圓掃描轉(zhuǎn)換的中點Bresenham算法，多邊形掃描轉(zhuǎn)換的X-掃描線法。2. 熟悉多邊形掃描轉(zhuǎn)換的邊緣填充算法、邊界填充算法等。3. 了解字符處理的基本概念和方法

7、，反走樣處理技術(shù)。重點與難點1. 重點直線、圓的DDA算法、中點和Breshenham方法，種子填充算法，多邊形掃描算法。2. 難點各種基本圖形生成算法的原理。第3章二維變換及二維觀察（一）教學(xué)內(nèi)容1. 變換的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)2. 幾何變換的基本概念3. 二維圖形基本幾何變換4. 二維觀察（二）教學(xué)要求1. 掌握齊次坐標(biāo)的概念、意義，二維基本幾何變換的種類及實現(xiàn)原理與方法，常見復(fù)合變換的意義和方法，二維觀察中窗口到視區(qū)的變換；2. 理解坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換，光柵變換方法，二維觀察基本概念。（三）重點與難點1. 重點二維基本幾何變換原理、方法、實現(xiàn)算法及優(yōu)缺點。2. 難點二維基本幾何變換原理、方法、實現(xiàn)算法及優(yōu)

8、缺點。第4章三維變換及三維觀察教學(xué)內(nèi)容1. 三維變換的基本概念2. 基本幾何變換的種類與計算公式3. 三維幾何變換與組合變換4. 三維投影變換5. 透視變換6. 三維觀察7. 裁剪（二）教學(xué)要求1. 掌握三維變換的基本概念、三維基本幾何變換類型原理和方法、常用三維復(fù)合變換，平行投影的原理與實現(xiàn)，包括三視圖、正軸測圖的投影變換；2. 理解斜投影的基本原理、透視投影的基本原理和實現(xiàn)方法；3. 了解三維觀察的概念與方法；4. 裁剪的概念與方法，包括直線段裁剪的Cohen-Sutherland算法、Liang-Barsky算法，多邊形裁剪的Sutherlan-Hodgeman算法。（三）重點與難點1.

9、 重點三維變換、正投影變換、斜投影變換、透視投影變換、投影、裁剪。直線段裁剪、多邊形裁剪的原理、方法、實現(xiàn)算法及優(yōu)缺點。2. 難點三維變換、投影、裁剪。直線段裁剪、多邊形裁剪的原理、方法、實現(xiàn)算法及優(yōu)缺點；透視投影變換。第5章曲線和曲面（一）教學(xué)內(nèi)容1. 曲線曲面的基本概念2. Bezier曲線/曲面3. B樣條曲線/曲面4. Hermite多項式和Coons曲面（二）教學(xué)要求1. 了解曲線曲面數(shù)學(xué)描述的發(fā)展歷程，樣條描述，Bezier曲面；2. 理解曲線曲面的表示要求和表示形式，理解插值和逼近的概念；3. 掌握曲線連接的連續(xù)性條件，掌握Bezier曲線的定義、性質(zhì)、生成和拼接。（三）重點與難

10、點1. 重點曲線和曲面的表示方法、Hermite曲線和曲面、Bezier曲線與曲面、B樣條曲線與曲面。2. 難點Bezier曲線/曲面，B樣條曲線/曲面。第6章消除隱藏線和隱藏面算法教學(xué)內(nèi)容1. 線面比較法消除隱藏線2. 深度排序算法3. Z-緩沖算法4. 掃描線算法5. 區(qū)域分割算法教學(xué)要求1. 理解采用消隱技術(shù)的緣由，了解和掌握消隱的基本概念；2. 掌握常見的凸平面體的三維消隱算法；3. 掌握Z-緩沖算法原理；4. 理解掃描線算法和區(qū)域分割算法。重點與難點1. 重點線面比較法消除隱藏線、深度排序算法、 Z-緩沖算法、掃描線算法、區(qū)域分割算法。2. 難點深度排序算法、Z-緩沖算法。第7章真實

11、感圖形學(xué)（一）教學(xué)內(nèi)容1. 顏色模型：顏色模型的視覺基礎(chǔ)；RGB顏色模型；HSV顏色模型；其它顏色模型2. Phong光照模型：環(huán)境光；漫反射；鏡面反射與Phong模型；光的衰減3. 多邊形網(wǎng)的明暗處理4. 光線跟蹤算法5. 紋理6. 陰影（二）教學(xué)要求1. 理解顏色模型的概念及種類；2. 掌握Phong光照模型的基本原理；3. 掌握多邊形網(wǎng)的明暗處理方法及其優(yōu)缺點；4. 掌握并理解光線跟蹤算法原理及其應(yīng)用；5. 了解紋理和陰影的概念。（三）重點與難點1. 重點顏色模型的種類、Phong光照模型的基本原理、多邊形網(wǎng)的明暗處理方法及其優(yōu)缺點、光線跟蹤算法。2. 難點Phong光照模型的基本原理、

12、多邊形網(wǎng)的明暗處理方法及其優(yōu)缺點、光線跟蹤算法。第8章用戶接口級交互技術(shù)教學(xué)內(nèi)容1. 顏色模型用戶接口設(shè)計2. 邏輯輸入設(shè)備與輸入處理3. 交互式繪圖技術(shù)教學(xué)要求1. 掌握用戶接口設(shè)計的基本概念、特點、意義和方法；2. 熟悉邏輯輸入設(shè)備與輸入處理的模式與方法；3. 了解常用交互技術(shù)的類型和方法以及三維交互技術(shù)。（三）重點與難點1. 重點用戶接口設(shè)計的基本方法。三、本課程開設(shè)的實驗項目編號實驗項目名稱學(xué)時類型要求支撐的課程目標(biāo)1基本繪圖練習(xí)2驗證性必做課程目標(biāo)12直線與圓弧的掃描轉(zhuǎn)換2設(shè)計性必做課程目標(biāo)13二維幾何變換2設(shè)計性必做課程目標(biāo)14三維投影變換2設(shè)計性必做課程目標(biāo)1，25Bezier曲

13、線2驗證性必做課程目標(biāo)1，2，36凸平面立體的消隱2設(shè)計性必做課程目標(biāo)1，2實驗1：基本繪圖練習(xí)1. 實驗?zāi)康募耙?）掌握基本繪圖練習(xí)。2. 實驗主要內(nèi)容1）利用VC6.0編寫一繪制簡單多邊形的程序；2）利用畫圓和畫弧函數(shù)編寫一個繪制圖案。3. 重難點利用畫圓和畫弧函數(shù)編寫一個繪制圖案。實驗2：直線與圓弧的掃描轉(zhuǎn)換1. 實驗?zāi)康募耙笳莆罩本€與圓弧的掃描轉(zhuǎn)換算法。2. 實驗主要內(nèi)容直線與圓弧的掃描轉(zhuǎn)換：利用VC6.0編寫一簡單系統(tǒng)，用以實現(xiàn)任意給定直線和圓的掃描轉(zhuǎn)換。3. 重難點利用VC6.0實現(xiàn)任意給定直線和圓的掃描轉(zhuǎn)換。實驗3：二維幾何變換1. 實驗?zāi)康募耙罅私舛S幾何變換原理及其變換

14、種類，會利用簡單二維變換實現(xiàn)復(fù)雜的二維變換；2. 實驗主要內(nèi)容1）實現(xiàn)二維平移變換；2）實現(xiàn)二維尺度變換；3）實現(xiàn)二維旋轉(zhuǎn)變換；4）實現(xiàn)復(fù)雜的二維平移變換。3. 重難點復(fù)雜的二維平移變換的實現(xiàn)。實驗4：三維投影變換1. 實驗?zāi)康募耙?）了解三維幾何變換原理及其變換種類，會利用簡單三維變換實現(xiàn)復(fù)雜的三維變換；2）透視投影的實現(xiàn)。2. 實驗主要內(nèi)容1）實現(xiàn)三維平移變換；2）實現(xiàn)三維尺度變換；3）實現(xiàn)三維旋轉(zhuǎn)變換；4）實現(xiàn)復(fù)雜的三維平移變換；5）實現(xiàn)透視投影。3. 重難點透視投影的實現(xiàn)。實驗5：Bezier曲線1. 實驗?zāi)康募耙笳莆誃ezier曲線的繪制和拼接。2. 實驗主要內(nèi)容Bezier曲線

15、：編寫繪制3次Bezier曲線C程序，實現(xiàn)曲線拼接。3. 重難點Bezier曲線的繪制與拼接。實驗6：凸平面立體的消隱1. 實驗?zāi)康募耙?）通過本次實驗，掌握三維圖形的旋轉(zhuǎn)等變換和消隱的基本概念和相關(guān)算法；2）掌握凸多面體的消隱算法和實現(xiàn)；3）進(jìn)一步熟練和掌握編程環(huán)境中三維圖形的繪制和消隱的程序設(shè)計方法。2. 實驗主要內(nèi)容利用OpenGL或者Vc繪制模型。3. 重難點凸多面體的消隱算法的實現(xiàn)。四、學(xué)時分配及教學(xué)方法章教學(xué)形式及學(xué)時分配主要教學(xué)方法支撐的課程目標(biāo)課堂教學(xué)實驗上機(jī)課程實踐小計第1章計算機(jī)圖形學(xué)簡介24講授、案例、演示課程目標(biāo)1第2章基本圖形生成算法8210講授、案例、自學(xué)、實驗課

16、程目標(biāo)1，2第3章二維變換及二維觀察426講授、對比、自學(xué)、討論、實驗課程目標(biāo)1，2第4章三維變換及三維觀察426講授、演示、自學(xué)、實驗課程目標(biāo)1，2第5章曲線和曲面8210講授、自學(xué)課程目標(biāo)1，2，3第6章消除隱藏線和隱藏面算法426講授、案例、演示、討論、自學(xué)、實驗課程目標(biāo)1，2，3第7章真實感圖形學(xué)426講授、案例、演示、討論、自學(xué)、實驗課程目標(biāo)1，2，3第8章用戶接口級交互技術(shù)22講授、案例、演示、實驗課程目標(biāo)1，2合計361248注：1.課程實踐學(xué)時按相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)計劃列入表格； 2.主要教學(xué)方法包括講授法、討論法、演示法、研究型教學(xué)方法（基于問題、項目、案例等教學(xué)方法）等。五、課程考

17、核 1. 課程考核方式包括期末考試、平時作業(yè)和實驗情況考核?？己诵问娇己艘罂己藱?quán)重備注平時作業(yè)及階段測試課后完成812個習(xí)題，主要考核學(xué)生對每節(jié)課知識點的復(fù)習(xí)、理解和掌握度，計算全部作業(yè)的平均成績再按15%計入總成績；可讓學(xué)生查閱資料，了解本課程相關(guān)技術(shù)發(fā)展情況，自主學(xué)習(xí)并完成。15%根據(jù)平時作業(yè)得分取平均值或結(jié)合平時測試情況實驗完成6個實驗，主要訓(xùn)練學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識構(gòu)建實驗系統(tǒng)，并進(jìn)行實驗的能力，最后按15%計入課程總成績。15%評分細(xì)則見附錄1期末考試試卷題型包括選擇題、填空題、判斷題、應(yīng)用題、算法題5大類，以卷面成績的70%計入課程總成績。其中考核基礎(chǔ)知識及應(yīng)用能力的題占90%；考核能

18、針對個人或職業(yè)發(fā)展的需求，采用合適的方法，自主學(xué)習(xí)，適應(yīng)發(fā)展占比10%。70%期末考試采用閉卷筆試。六、參考書目及學(xué)習(xí)資料計算機(jī)圖形學(xué)原理、方法及應(yīng)用，高等教育出版社，潘云鶴等編著，2011年，第3版；計算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)教程，清華大學(xué)出版社，孫家廣等編著，2009年，第2版；計算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)教程(Visual C+版)，清華大學(xué)出版社，孔令德編著，2013年，第2版。七、大綱說明1. 主要采用多媒體教學(xué)手段，主要知識點板書與多媒體相結(jié)合，多種教學(xué)手段綜合運用。2. 課后共需完成近15道習(xí)題作業(yè)，以評價學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的理解和應(yīng)用情況。附錄1：實驗考核方式及評分細(xì)則本實驗以考查為主，考核的內(nèi)容包括實驗過程的表現(xiàn)（其中包含分析與解決問題的能力）、實驗報告的質(zhì)量等。分析與解決問題的能力采用提問和現(xiàn)場操作的方式進(jìn)行。實驗成績中出勤、預(yù)習(xí)占10%，實驗過程表現(xiàn)占60、實驗報告及思考題占30。成績組成考核/評價環(huán)節(jié)分值考