《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》教學(xué)大綱

1、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（Computer Graphics）課程代碼：0900807學(xué)分：3學(xué)時(shí)：48（其中：課程教學(xué)學(xué)時(shí)：36，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：12）先修課程：程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)適用專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教材：計(jì)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(kāi)課學(xué)院：計(jì)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)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(jì)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(diǎn)是理論與實(shí)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(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解計(jì)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(jì)算機(jī)在圖形領(lǐng)域應(yīng)用中分析、建模、程序設(shè)計(jì)等方面知識(shí)，為實(shí)際問(wèn)題的解決提供適宜的模型和辦法，培養(yǎng)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的實(shí)際能力。（二）課程目標(biāo)課程目標(biāo)包括知識(shí)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本概念和基本理論，熟悉計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的經(jīng)典方法，培養(yǎng)學(xué)生解決計(jì)算機(jī)領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題所需專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，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(kāi)發(fā)打下良好的理論基礎(chǔ)。課程目標(biāo)2：能夠運(yùn)用計(jì)算思維分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，針對(duì)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題，分析并抽象出計(jì)算機(jī)圖形中的問(wèn)題。課程目標(biāo)3：能夠綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本理論和設(shè)計(jì)方法，針對(duì)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題研究和

3、設(shè)計(jì)可行的解決方案，并能對(duì)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(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系本課程支撐專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)1.2、2.2和3.2。畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)1.2：具備扎實(shí)的計(jì)算機(jī)工程基礎(chǔ)知識(shí)，了解通過(guò)計(jì)算機(jī)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的基本方法，并遵循復(fù)雜系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的工程化基本要求。畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)2.2：應(yīng)用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)，能夠根據(jù)給出的實(shí)際工程案例，運(yùn)用草稿、圖表、流程表等工程方法發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題及分析問(wèn)題。畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)3.2：能夠合理地組織數(shù)據(jù)，有效地存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)，正確地進(jìn)行算法設(shè)計(jì)、分析和評(píng)價(jià)。課程目標(biāo)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)簡(jiǎn)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(shí)感圖形學(xué)和用戶接口級(jí)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本概念，掌握?qǐng)D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(jì)算機(jī)圖形學(xué)在計(jì)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(shí)感圖形顯示技術(shù)。注重培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力，結(jié)合理論和實(shí)踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)和提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。通過(guò)對(duì)各種算法的深入學(xué)習(xí)和扎實(shí)掌握，從而能夠

5、針對(duì)計(jì)算機(jī)圖形圖像方面實(shí)際問(wèn)題解決提出適宜的方法和模型。第1章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)簡(jiǎn)介（一）教學(xué)內(nèi)容1. 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容。2. 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史回顧。3. 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用及發(fā)展動(dòng)向4. 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)硬件。5. 計(jì)算機(jī)圖形標(biāo)準(zhǔn)（二）教學(xué)要求1. 掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本概念、計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。2. 了解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷程和計(jì)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?jī)?nèi)容和發(fā)展動(dòng)態(tài)。3. 熟悉計(jì)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(diǎn)與難點(diǎn)1. 重點(diǎn)掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概念、計(jì)算機(jī)圖形的硬件結(jié)構(gòu)及顯示原理。掌握常用的計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的輸入

6、與輸出設(shè)備。2. 難點(diǎn)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(diǎn)畫(huà)線法，Bresenham畫(huà)線法。2. 圓和橢圓的掃描轉(zhuǎn)換算法：中點(diǎn)畫(huà)線法，Bresenham畫(huà)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(diǎn)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(diǎn)Bresenham算法，圓掃描轉(zhuǎn)換的中點(diǎn)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(diǎn)與難點(diǎn)1. 重點(diǎn)直線、圓的DDA算法、中點(diǎn)和Breshenham方法，種子填充算法，多邊形掃描算法。2. 難點(diǎn)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(shí)現(xiàn)原理與方法，常見(jiàn)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(diǎn)與難點(diǎn)1. 重點(diǎn)二維基本幾何變換原理、方法、實(shí)現(xiàn)算法及優(yōu)缺點(diǎn)。2. 難點(diǎn)二維基本幾何變換原理、方法、實(shí)現(xiàn)算法及優(yōu)

8、缺點(diǎn)。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(jì)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(shí)現(xiàn)，包括三視圖、正軸測(cè)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(shí)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(diǎn)與難點(diǎn)1.

9、 重點(diǎn)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(shí)現(xiàn)算法及優(yōu)缺點(diǎn)。2. 難點(diǎn)三維變換、投影、裁剪。直線段裁剪、多邊形裁剪的原理、方法、實(shí)現(xiàn)算法及優(yōu)缺點(diǎn)；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(xiàng)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(diǎn)與難

10、點(diǎn)1. 重點(diǎn)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(diǎn)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(jiàn)的凸平面體的三維消隱算法；3. 掌握Z(yǔ)-緩沖算法原理；4. 理解掃描線算法和區(qū)域分割算法。重點(diǎn)與難點(diǎn)1. 重點(diǎn)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(diǎn)深度排序算法、Z-緩沖算法。第7章真實(shí)

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(jué)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(diǎn)；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(diǎn)與難點(diǎn)1. 重點(diǎn)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(diǎn)、光線跟蹤算法。2. 難點(diǎn)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(diǎn)、光線跟蹤算法。第8章用戶接口級(jí)交互技術(shù)教學(xué)內(nèi)容1. 顏色模型用戶接口設(shè)計(jì)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(jì)的基本概念、特點(diǎn)、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(diǎn)與難點(diǎn)1. 重點(diǎn)用戶接口設(shè)計(jì)的基本方法。三、本課程開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目編號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱學(xué)時(shí)類型要求支撐的課程目標(biāo)1基本繪圖練習(xí)2驗(yàn)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(jì)性必做課程目標(biāo)13二維幾何變換2設(shè)計(jì)性必做課程目標(biāo)14三維投影變換2設(shè)計(jì)性必做課程目標(biāo)1，25Bezier曲

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

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

15、：編寫(xiě)繪制3次Bezier曲線C程序，實(shí)現(xiàn)曲線拼接。3. 重難點(diǎn)Bezier曲線的繪制與拼接。實(shí)驗(yàn)6：凸平面立體的消隱1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?）通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，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(shí)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(jì)方法。2. 實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容利用OpenGL或者Vc繪制模型。3. 重難點(diǎn)凸多面體的消隱算法的實(shí)現(xiàn)。四、學(xué)時(shí)分配及教學(xué)方法章教學(xué)形式及學(xué)時(shí)分配主要教學(xué)方法支撐的課程目標(biāo)課堂教學(xué)實(shí)驗(yàn)上機(jī)課程實(shí)踐小計(jì)第1章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)課

16、程目標(biāo)1，2第3章二維變換及二維觀察426講授、對(duì)比、自學(xué)、討論、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)1，2，3第7章真實(shí)感圖形學(xué)426講授、案例、演示、討論、自學(xué)、實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)1，2，3第8章用戶接口級(jí)交互技術(shù)22講授、案例、演示、實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)1，2合計(jì)361248注：1.課程實(shí)踐學(xué)時(shí)按相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)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(wèn)題、項(xiàng)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(shí)作業(yè)和實(shí)驗(yàn)情況考核。考核形式考核要求考核權(quán)重備注平時(shí)作業(yè)及階段測(cè)試課后完成812個(gè)習(xí)題，主要考核學(xué)生對(duì)每節(jié)課知識(shí)點(diǎn)的復(fù)習(xí)、理解和掌握度，計(jì)算全部作業(yè)的平均成績(jī)?cè)侔?5%計(jì)入總成績(jī)；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(shí)作業(yè)得分取平均值或結(jié)合平時(shí)測(cè)試情況實(shí)驗(yàn)完成6個(gè)實(shí)驗(yàn)，主要訓(xùn)練學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的能力，最后按15%計(jì)入課程總成績(jī)。15%評(píng)分細(xì)則見(jiàn)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(jī)的70%計(jì)入課程總成績(jī)。其中考核基礎(chǔ)知識(shí)及應(yīng)用能力的題占90%；考核能

18、針對(duì)個(gè)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(shū)目及學(xué)習(xí)資料計(jì)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(jì)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(jì)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(shuō)明1. 主要采用多媒體教學(xué)手段，主要知識(shí)點(diǎn)板書(shū)與多媒體相結(jié)合，多種教學(xué)手段綜合運(yùn)用。2. 課后共需完成近15道習(xí)題作業(yè)，以評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解和應(yīng)用情況。附錄1：實(shí)驗(yàn)考核方式及評(píng)分細(xì)則本實(shí)驗(yàn)以考查為主，考核的內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)過(guò)程的表現(xiàn)（其中包含分析與解決問(wèn)題的能力）、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量等。分析與解決問(wèn)題的能力采用提問(wèn)和現(xiàn)場(chǎng)操作的方式進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)成績(jī)中出勤、預(yù)習(xí)占10%，實(shí)驗(yàn)過(guò)程表現(xiàn)占60、實(shí)驗(yàn)報(bào)告及思考題占30。成績(jī)組成考核/評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)分值考