《視覺(jué)藝術(shù)編程基礎(chǔ)》課程教學(xué)大綱

《視覺(jué)藝術(shù)編程基礎(chǔ)》課程教學(xué)大綱一、課程基本信息課程代碼：課程名稱：視覺(jué)藝術(shù)編程基礎(chǔ)英文名稱：GraphicsProgrammingFoundationforVisualArt課程類別：學(xué)科基礎(chǔ)課（必修）學(xué)時(shí)：64學(xué)分：4適用對(duì)象：數(shù)字媒體（藝術(shù)）專業(yè)考核方式：考查先修課程：高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)課程：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、美學(xué)原理二、課程簡(jiǎn)介在數(shù)字媒體藝術(shù)中，視覺(jué)占了大部分的比重，圖形輸入或顯示設(shè)備及其圖形用戶界面成為數(shù)字藝術(shù)交互設(shè)計(jì)（如新媒體藝術(shù)，動(dòng)畫(huà)，VR/AR等設(shè)計(jì)創(chuàng)作）中重要的組成部分。怎么樣利用計(jì)算機(jī)來(lái)生成、處理、和顯示圖形圖像，達(dá)到數(shù)字藝術(shù)設(shè)計(jì)創(chuàng)作的效果呢？通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，歡迎同學(xué)們來(lái)到圖形世界，同學(xué)們可以以理解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的原理和圖形繪制的方法為主線，掌握一些高級(jí)程序語(yǔ)言支撐圖形編程的基本語(yǔ)法和圖形繪制幾何變換基本元素的運(yùn)用，學(xué)會(huì)初步的視覺(jué)藝術(shù)編程。三、課程性質(zhì)與教學(xué)目的（1）本課程是數(shù)字媒體藝術(shù)專業(yè)學(xué)生的一門學(xué)科基礎(chǔ)課。講授如何通過(guò)國(guó)際通用的開(kāi)放式三維圖形標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)的編程繪制，搭配本專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃的“計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)”主干學(xué)科中的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程學(xué)習(xí)。（2）通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)能夠了解計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)和可編程渲染流水線，在了解光柵圖形的生成基礎(chǔ)上掌握基本兒何元素繪制的編程方法，熟悉一些實(shí)現(xiàn)圖元及其圖元屬性的函數(shù)方法，理解坐標(biāo)變換、真實(shí)感圖形學(xué)中光照處理、照相機(jī)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和紋理貼圖（映射）的基本概念和編程方法。理解面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思想，掌握初步的視覺(jué)藝術(shù)編程，為學(xué)會(huì)利用圖形程序設(shè)計(jì)、圖形算法設(shè)計(jì)和圖形軟件嵌入腳本設(shè)計(jì)做數(shù)字藝術(shù)創(chuàng)作設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)，舉?反三應(yīng)對(duì)更新的設(shè)計(jì)軟件版本和層出不窮的高級(jí)編程語(yǔ)言。四、教學(xué)內(nèi)容及要求第一章認(rèn)識(shí)圖形系統(tǒng)和可編程渲染管線（一）目的與要求了解當(dāng)前經(jīng)典的CG技術(shù)在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)和計(jì)算機(jī)藝術(shù)中的應(yīng)用和研究了解計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)和可編程渲染管線?能夠搭建圖形編程實(shí)驗(yàn)環(huán)境（二）教學(xué)內(nèi)容.介紹CG編程技術(shù)的發(fā)展史，以及在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)和計(jì)算機(jī)藝術(shù)中的應(yīng)用和研究（慕課》.圖形系統(tǒng)簡(jiǎn)介：CRT基本原理和從CRT到3D顯示，CG編程中的顏色模型、圖像、像素基本知識(shí)：.可編程治染管線簡(jiǎn)介.討論有趣的視覺(jué)現(xiàn)象和CG黑科技；預(yù)留問(wèn)題：如何獲得更好的實(shí)時(shí)渲染真實(shí)感體驗(yàn)？.圖形編程思維的起點(diǎn)?樸素的軟光柵：計(jì)算機(jī)畫(huà)一根直線的問(wèn)題.可編程著色器和著色器效果.演示：環(huán)境搭建過(guò)程和旋轉(zhuǎn)著色立方體布置練習(xí)1：《實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建一一MinGW+CMAKE:測(cè)試Hell。Window和旋轉(zhuǎn)著色三角形》【思政】光線跟蹤算法和輻射度算法的提出，標(biāo)志著真實(shí)感圖形的顯示算法已逐漸成熟。【思政】研究多通道語(yǔ)義模型、多通道整合算法及其軟件結(jié)構(gòu)和界面范式是當(dāng)前用戶界面和接口方面研究的主流方向，而圖形學(xué)在其中將起主導(dǎo)作用。（三）教學(xué)方法與手段Pearson1-2,19,22；主教1,2.1;華科慕課1；輔教1課堂講授+多媒體教學(xué)+Blackboard網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)回顧+PBL教學(xué)：以下各章同第二章圖形編程語(yǔ)言程序結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)單基本語(yǔ)法、函數(shù)、頭文件、依賴庫(kù)——以C/C++/OpenGL為例（一）目的與要求會(huì)用程序結(jié)構(gòu)流程圖表達(dá)自己的編程思想認(rèn)識(shí)函數(shù)的輸入和輸出、調(diào)用能編譯和加載外來(lái)模型文件，必要時(shí)修改源文件會(huì)看幫助文檔，函數(shù)用法說(shuō)明（用戶手冊(cè)）（二）教學(xué)內(nèi)容1）OpenGL圖形標(biāo)準(zhǔn)繪制管線和程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介2）認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)流程圖認(rèn)識(shí)函數(shù)的輸入和輸出、調(diào)用基本語(yǔ)法：函數(shù)、結(jié)構(gòu)體和類條件語(yǔ)句、循環(huán)語(yǔ)句、開(kāi)關(guān)語(yǔ)句、數(shù)組、變量、向量、列表指針和引用、數(shù)據(jù)類型和類型轉(zhuǎn)換文件的讀寫(xiě)注釋D內(nèi)存問(wèn)題calloc和new5）頭文件和附加鏈接依賴庫(kù)6）（著色器語(yǔ)言）程序調(diào)試和測(cè)試7）演示：三角形的著色變換和shader程序調(diào)用講解練習(xí)1輔導(dǎo)：練習(xí)2：《線框和填充模式的正六邊形著色》【思政】OpenGL是目前圖形工業(yè)界最廣泛使用的三維圖形編程接口和國(guó)際通用的圖形標(biāo)準(zhǔn)，其前身是IrishGL,由于IrisGL缺乏統(tǒng)一的規(guī)范，很難進(jìn)一步廣泛應(yīng)用，而OpenGL改進(jìn)了該圖形接口，特別是其跨平臺(tái)性。［思政】盡管OpenGL規(guī)范本身和語(yǔ)言是分開(kāi)的，但其API從一開(kāi)始就和C語(yǔ)言有著內(nèi)在的聯(lián)系。OpenGL2.0之后引入類C語(yǔ)言GLSL,成為了可編程的、基于著色器的API。雖然在當(dāng)時(shí)匯編語(yǔ)言版本的擴(kuò)展接口具有開(kāi)創(chuàng)性意義且在當(dāng)時(shí)是很有用的，但它從未被提升為核心的OpenGL功能，而任何想要支持OpenGL2.0實(shí)現(xiàn)的硬件廠商，生產(chǎn)出的圖形硬件都必須具備可編程能力并能支持一個(gè)用高層語(yǔ)言編寫(xiě)的著色器。第三章基本幾何元素繪制（一）目的與要求了解OpenGL像素陣列圖元和顯示緩沖區(qū)掌握常用實(shí)現(xiàn)圖元及屬性的方法了解畫(huà)線算法和畫(huà)家算法（二）教學(xué)內(nèi)容1編程方法：1）繪圖準(zhǔn)備和結(jié)束2）設(shè)置點(diǎn)線面等圖元函數(shù)3）設(shè)置圖元屬性函數(shù)4）調(diào)用著色器程序5）設(shè)置圖元的顯示模式2原理概念簡(jiǎn)介（恭課）1）OpenGL像素陣列圖元和顯示緩沖區(qū)2）法向量、矢量運(yùn)算和矩陣運(yùn)算簡(jiǎn)介3）直線段和圓弧的掃描轉(zhuǎn)換編程算法一一畫(huà)線算法4）多邊形的掃描轉(zhuǎn)換與區(qū)域填充編程算法一一畫(huà)家算法5）裁剪、反走樣、消隱、混合6）演示：直線、圓、橢圓生成：OpenGL字符函數(shù)；相應(yīng)的processing范例程序PointArray7）練習(xí)2輔導(dǎo)8）練習(xí)3：《通過(guò)畫(huà)點(diǎn)函數(shù)畫(huà)點(diǎn)陣圓盤》、先畫(huà)結(jié)構(gòu)流程圖、做測(cè)試計(jì)劃【思政-討論】計(jì)算機(jī)中的字符可通過(guò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)字符集ASCII碼和國(guó)標(biāo)字符集GB2312-80表示。為了在輸出設(shè)備顯示器上顯示，系統(tǒng)必須裝備有相應(yīng)的字庫(kù)，分為點(diǎn)陣型和矢量型兩種。顯示時(shí)都要先從字庫(kù)里將它們的相關(guān)字符信息檢索出來(lái)；如果是點(diǎn)陣則需要將表示字符位圖中的每一位像素都寫(xiě)到幀緩存里，變換時(shí)需要對(duì)每一像素進(jìn)行變換；如果是矢量字符則存儲(chǔ)輪廓信息，變換時(shí)只要對(duì)其第畫(huà)端點(diǎn)進(jìn)行變換就可以了。【思政】光柵圖形的走樣現(xiàn)象包括鋸齒狀邊界、圖形細(xì)節(jié)失真（原本比像素小的圖形變寬、狹小的圖形遺失）等現(xiàn)象。這些失真現(xiàn)象是由用離散量表示連續(xù)量引起，不可避免，但可通過(guò)提高分辨率、區(qū)域采樣和加權(quán)區(qū)域采樣等反走樣方法減少或消除這種效果。第四章坐標(biāo)變換和幾何造型繪制（-）目的與要求掌握基本幾何元素繪制方法、熟悉一定圖元函數(shù)和屬性函數(shù)了解矩陣表示和齊次坐標(biāo)，理解窗口到視口的坐標(biāo)變換理解OpenGL2D\3D圖形圖像創(chuàng)建和幾何變換編程示例理解參數(shù)化、參數(shù)曲線的代數(shù)和幾何形式、參數(shù)曲面的概念

了解形體的邊界表示模型和網(wǎng)格處理概念?了解非規(guī)則造型的形態(tài)學(xué)方法：分形幾何方法、粒子系統(tǒng)和其他過(guò)程方法(二)教學(xué)內(nèi)容1)掌握基本幾何元素繪制方法、熟悉一定圖元函數(shù)和屬性函數(shù)r解矩陣表示和齊次坐標(biāo)，理解窗口到視口的坐標(biāo)變換OpenGL二維圖形幾何變換編程示例OpenGL三維圖形的幾何變換編程示例，講解旋轉(zhuǎn)立方體實(shí)驗(yàn)代碼理解參數(shù)化、參數(shù)曲線的代數(shù)和幾何形式、參數(shù)曲面的概念了解形體的邊界表示模型和網(wǎng)格處理概念了解非規(guī)則造型的形態(tài)學(xué)方法：分形幾何方法、粒子系統(tǒng)和其他過(guò)程方法練習(xí)3輔導(dǎo)練習(xí)4：《模型導(dǎo)入》10)練習(xí)5：《旋轉(zhuǎn)縮放球的繪制》【思政】現(xiàn)在的美術(shù)人員，尤其是商業(yè)藝術(shù)人員都熱衷于用計(jì)算機(jī)軟件從事藝術(shù)創(chuàng)作?？捎糜诿佬g(shù)創(chuàng)作的軟件很多，如二維平面的畫(huà)筆程序(如CorelDraw,Photoshop和PaintShop)'專門的圖表繪制軟件(如Visio)'三維建模和渲染軟件包(如3DMAX,Maya\AE)以及一些專門生成動(dòng)畫(huà)的軟件(如Alias\Softimage\Wavefront\Lightwave3D),圖像和視頻處理庫(kù)(OpenCV,Assimp,Cimag,std_imag,Pangolin),矩陣運(yùn)算處理庫(kù)(Eigen,GU(…)，需要注意區(qū)分基礎(chǔ)系統(tǒng)和嵌入系統(tǒng)的使用環(huán)境(如左手系還是右手系的坐標(biāo)系？由DX支持還是OpenGL支持？是行存儲(chǔ)還是列存儲(chǔ)？)【思政】在早期開(kāi)發(fā)的實(shí)體造型系統(tǒng)中，值得提及的是劍橋大學(xué)的BUIL-1系統(tǒng)，5年以后又出現(xiàn)了BUILD-2系統(tǒng)，但都沒(méi)有公開(kāi)使用，更遺憾的是系統(tǒng)的研究小組在1980年也解散了。研究小組的一部分人組建了ShapeData公司，并開(kāi)發(fā)出實(shí)體造型系統(tǒng)Romulus,孕育了著名的實(shí)體造型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境：Parasolid和ACIS.［思政］坐標(biāo)變換是OpenGL中最重要的操作之一。想象一個(gè)場(chǎng)景，擺放若干個(gè)模型和一個(gè)相機(jī)，每個(gè)模型及相機(jī)都可以通過(guò)坐標(biāo)變換改變自己的位置，朝向，最終通過(guò)坐標(biāo)變換，場(chǎng)景模型才會(huì)正確的顯示在屏幕之上。第五章光照處理和紋理貼圖(一)目的與要求形體的投影變換光照處理紋理與表面細(xì)節(jié)添加，OpenGL紋理函數(shù)示例光線跟蹤方法和OpenGL可見(jiàn)性檢荏函數(shù)了解實(shí)時(shí)陰影的生成(二)教學(xué)內(nèi)容)形體的投影變換：透視投影光照處理a)光源和表面光照效果、基本光照模型b)透明、混合、霧氣效果、陰影的生成c)OpenGL光照模型和面繪制函數(shù)示例紋理與表面細(xì)節(jié)添加，OpenGL紋理函數(shù)示例：4)5)6)天空盒、法線貼圖和陰影生成工程講解光線跟蹤方法和OpenGL可見(jiàn)性檢查函數(shù)練習(xí)4-5輔導(dǎo)練習(xí)4)5)6)7）練習(xí)7：《縮放旋轉(zhuǎn)六棱柱的紋理》8）練習(xí)8：《修改光照模型和照相機(jī)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)示例代碼》【思政】紋理貼圖早期的技術(shù)是在頂點(diǎn)上設(shè)定顏色，每個(gè)面片上像素的顏色使用各頂點(diǎn)顏色的插值；后來(lái)OpenGL處理紋理的方法是對(duì)于每一個(gè)像素點(diǎn)，插值得到它的紋理坐標(biāo)，然后通過(guò)紋理坐標(biāo)讀取圖像中的“像素值”，再根據(jù)這個(gè)值來(lái)決定像素的顏色。由于讀取出來(lái)的紋理圖像“像素值”不一定要被直接用來(lái)代表面片像素的顏色，而是有可能作為輸入數(shù)據(jù)通過(guò)各種計(jì)算來(lái)確定最終的顏色，所以通常稱為紋素或者紋理單元（texel）.第六章計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)編程和基于圖像的三維重建（一）目的與要求了解動(dòng)畫(huà)序列的設(shè)計(jì)了解計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)語(yǔ)言了解關(guān)鍵頓系統(tǒng)了解運(yùn)動(dòng)的描述、角色動(dòng)畫(huà)和周期性運(yùn)動(dòng)（二）教學(xué)內(nèi)容了解動(dòng)畫(huà)序列的設(shè)計(jì)了解計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)語(yǔ)言了解關(guān)健幀系統(tǒng)了解運(yùn)動(dòng)的描述、角色動(dòng)畫(huà)和周期性運(yùn)動(dòng)了解OpenGLES了解基于圖像的三維重建OpenGL動(dòng)畫(huà)子程序示例OpenGL粒子系統(tǒng)編程示例講解OpenGL實(shí)時(shí)陰影編程示例講解10）相應(yīng)Processing范例11）練習(xí)6-8輔導(dǎo)12）練習(xí)9：《易季花開(kāi)花謝一一實(shí)現(xiàn)透明漸變效果》【思政】世界著名的動(dòng)畫(huà)大師JohnHalas曾經(jīng)說(shuō)過(guò)“動(dòng)畫(huà)的本質(zhì)在于運(yùn)動(dòng)”，也有人稱動(dòng)畫(huà)為“動(dòng)的藝術(shù)”。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)與傳統(tǒng)動(dòng)畫(huà)（手繪多張靜態(tài)畫(huà)面）都以滿足人眼暫留效應(yīng)的幀率播放（典型：24幀/秒，最小:8幀/秒），但是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)在幀的制作上與傳統(tǒng)動(dòng)畫(huà)是有區(qū)別的，即關(guān)鍵幀通過(guò)數(shù)字化采集方式得到，或者用交互式圖形編輯器生成，對(duì)于復(fù)雜的形體還可以通過(guò)編程來(lái)生成?！舅颊靠梢酝ㄟ^(guò)在兩個(gè)關(guān)鍵幀之間的插值幀轉(zhuǎn)變多邊形的形狀來(lái)將一個(gè)對(duì)象形態(tài)變換到另一個(gè)形態(tài)。運(yùn)動(dòng)路徑可以通過(guò)樣條曲線給出，也可以基于作用力等其他基于物理建模的方式給出?！舅颊繉?shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)受到計(jì)算機(jī)的速度、存儲(chǔ)容量、字長(zhǎng)、指令系統(tǒng)及圖形處理能力等因素的限制，要滿足不閃爍的流暢實(shí)時(shí)感，“時(shí)間”是一個(gè)致命的限制。利用幀緩存預(yù)存逐幀動(dòng)畫(huà)是一種解決方案，但是該放映技術(shù)目前還不能實(shí)現(xiàn)帶有紋理、反射、透明和陰影等真實(shí)感效果的三維實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)。期中測(cè)驗(yàn)期末課程設(shè)計(jì)：綜合應(yīng)用（校園漫游場(chǎng)景幻變?nèi)f花筒特效）五、各教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)時(shí)分配

教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)時(shí)廣\課程內(nèi)容^j講課習(xí)題課討論課實(shí)驗(yàn)其他教學(xué)環(huán)節(jié)小計(jì)第一章2114第一早62412第三章62412第四章62210第五章64212第六章4228期中測(cè)驗(yàn)22期末課程設(shè)計(jì)44合計(jì)3012119264六、推薦教材和教學(xué)參考資源（1）推薦教材與參考書(shū)：ISBN作者書(shū)名出版社出版年份978-7-302-20711-5孫家廣胡事民計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)教程清華大學(xué)出版社2009-2020978-7-121-24614-3DHearn;MBaker;WR.Carithers（蔡世杰等譯）計(jì)算機(jī)圖形學(xué)withOpenGL（第四版）Pearson/電子工業(yè)出版社2002-2018978-90-90-33256-7JoeyDeVriesLearnOpenGL-GraphicsProgramming（OpenGL編程指南）/紅寶書(shū)20209787-115-36103-5蘇小紅等計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)用教程人民郵電出版社2014-2020978-7-115-35232-3JanErikSolenPython計(jì)算機(jī)視覺(jué)編程人民郵電出版社2014978-7-121-13463-0譚亮Processing互動(dòng)編程藝術(shù)電子工業(yè)出版社20117-302-10587-1MarkPriestley面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)UML實(shí)踐清華大學(xué)出版社20