《计算机图形学》课程教学大纲

计算机图形学课程教学大纲一、课程基本信息课程代码：110053课程名称：计算机图形学英文名称：Computer Graphics课程类别：专业课 学 时：72学分：3.5适用对象：信息与计算科学专业本科生考核方式：考试（平时成绩占总成绩的30%）先修课程：高级语言程序设计、数据结构、高等代数二、课程简介中文简介：计算机图形学是研究计算机生成、处理和显示图形的学科。它的重要性体现在人们越来越强烈地需要和谐的人机交互环境：图形用户界面已经成为一个软件的重要组成部分，以图形的方式来表示抽象的概念或数据已经成为信息领域的一个重要发展趋势。通过本课程的学习，使学生掌握计算机图形学的基本原理和基本方法，理解图形绘制的基本算法，学会初步图形程序设计。英文简介：Computer Graphics is the subject which concerned with how computer builds， processes and shows graphics. Its importance has been shown in peoples more and more intensively need for harmony human-machine interface. Graphics user interface has become an important part of software. It is a significant trend to show abstract conception or data in graphics way. Through the learning of this course, students could master Computer Graphicsbasic theories and methods，understand graphics basic algorithms and learn how to design basic graphics program.三、课程性质与教学目的计算机图形学是信息与计算科学专业的一门主要专业课。通过本课程的学习，使学生掌握基本的二、三维的图形的计算机绘制方法，理解光栅图形生成基本算法、几何造型技术、真实感图形生成、图形标准与图形变换等概念和知识。学会图形程序设计的基本方法，为图形算法的设计、图形软件的开发打下基础。四、教学内容及要求 第一章 绪论 (一) 目的与要求1. 掌握计算机图形学的基本概念；2. 了解计算机图形学的发展、应用；3. 掌握图形系统的组成。(二) 教学内容第一节 计算机图形学的概念1主要内容计算机图形学的概念及其与其它学科之间的关系。2基本概念和知识点 计算机图形学的概念。3. 问题与应用（能力要求）理解计算机图形学的概念。第二节 计算机图形学的发展1主要内容计算机图形学的发展过程。2基本概念和知识点 计算机图形学的发展过程。3. 问题与应用（能力要求）了解计算机图形学的发展过程。第三节 计算机图形学的应用1主要内容计算机图形学的应用。2基本概念和知识点 计算机图形学的应用。3. 问题与应用（能力要求）了解计算机图形学的应用。第四节 常用的图形输入/输出设备1主要内容常用的图形输入/输出设备。2基本概念和知识点 常用的图形输入/输出设备。3. 问题与应用（能力要求）了解常用的图形输入/输出设备。第五节 计算机图形系统1主要内容计算机图形系统。2基本概念和知识点 计算机图形系统。3. 问题与应用（能力要求）了解计算机图形系统。(三) 实践环节与课后练习无。(四) 教学方法与手段课堂板书结合PowerPoint电子教案讲授。第二章 光栅图形学（一） 目的与要求1 理解三个常用直线生成算法；2 理解圆的特征、掌握中点画圆法；3 理解和掌握多边形的扫描转换、区域填充算法；4 了解点阵字符、矢量字符、字符属性；5 理解直线段裁剪、多边形裁剪、字符裁剪；6 了解提高分辨率、区域采样、加权区域采样技术；7 了解消隐的分类、消除隐藏线、消除隐藏面算法。 （二） 教学内容第一节 直线段的扫描转换算法（3学时）1主要内容三个常用直线生成算法。2. 基本概念和知识点 三个常用算法：数值微分法（DDA(Digital differential analyzer)）、中点画线法、Bresenham 算法。3.问题与应用（能力要求）理解三个常用直线生成算法。第二节 圆弧的扫描转换算法1主要内容圆的特征、中点画圆法。2基本概念和知识点 圆的特征、中点画圆法。3.问题与应用（能力要求）理解圆的特征、掌握中点画圆法。第三节 多边形的扫描转换算法与区域填充1主要内容多边形的扫描转换、区域填充算法。2基本概念和知识点 多边形的扫描转换、区域填充算法。3.问题与应用（能力要求）理解和掌握多边形的扫描转换、区域填充算法。第四节 字符1主要内容点阵字符、矢量字符、字符属性。2基本概念和知识点 点阵字符、矢量字符、字符属性。3问题与应用（能力要求）了解点阵字符、矢量字符、字符属性。第五节 裁剪1主要内容直线段裁剪、多边形裁剪、字符裁剪。2基本概念和知识点 直线段裁剪、多边形裁剪、字符裁剪。3问题与应用（能力要求）理解直线段裁剪、多边形裁剪、字符裁剪。第六节 反走样1主要内容提高分辨率、区域采样、加权区域采样。2基本概念和知识点 提高分辨率、区域采样、加权区域采样。3问题与应用（能力要求）了解提高分辨率、区域采样、加权区域采样技术。第七节 消隐1主要内容消隐的分类、消除隐藏线、消除隐藏面。2基本概念和知识点消隐的分类、消除隐藏线、消除隐藏面。3问题与应用（能力要求）了解消隐的分类、消除隐藏线、消除隐藏面算法。（三） 课后练习此部分应布置一至两次至少四道题的课后习题，内容可覆盖直线和圆弧DDA算法、直线段裁剪、多边形裁剪。（四） 教学方法与手段课堂板书结合PowerPoint电子教案讲授。第三章 几何造型技术（一） 目的与要求1. 理解Bzier曲线的定义和性质、掌握二、三次Bzier曲线、n次Bzier曲线应用及变型；2. 理解和掌握数据拟合与最小二乘法、多项式插值及参数化；3. 了解参数连续和几何连续概念、二次参数样条曲线、三次参数样条曲线；4. 理解B样条曲线定义与性质、了解二次和三次B样条曲线及其应用、非均匀B样条曲线、参数曲线段的一般递推式；5. 了解矩阵域上的 Bzier 曲面、三角域上的 Bzier 曲面、Bzier 曲面拼接应用；6. 了解双三次Coons曲面、布尔和形式的Coons曲面；7. 了解B样条曲面一般形式、三种双三次参数曲面片等价表示。（二） 教学内容 第一节 Bzier 曲线1主要内容Bzier曲线的定义和性质、二、三次Bzier曲线、n次Bzier曲线应用及变型。2基本概念和知识点 Bzier曲线的定义和性质、二、三次Bzier曲线、n次Bzier曲线应用及变型。3问题与应用（能力要求）理解Bzier曲线的定义和性质、掌握二、三次Bzier曲线、n次Bzier曲线应用及变型。第二节 拟合、插值与样条概念1主要内容数据拟合与最小二乘法、多项式插值及参数化。2基本概念和知识点 数据拟合与最小二乘法、多项式插值及参数化。3问题与应用（能力要求）理解和掌握数据拟合与最小二乘法、多项式插值及参数化。第三节 二、三次参数样条曲线1主要内容参数连续和几何连续概念、二次参数样条曲线、三次参数样条曲线。2基本概念和知识点 参数连续和几何连续概念、二次参数样条曲线、三次参数样条曲线。3问题与应用（能力要求）了解参数连续和几何连续概念、二次参数样条曲线、三次参数样条曲线。第四节 B样条曲线1主要内容B样条曲线定义与性质、二次和三次B样条曲线及其应用、非均匀B样条曲线、参数曲线段的一般递推式。2基本概念和知识点 定义与性质、二次和三次B样条曲线及其应用、非均匀B样条曲线、参数曲线段的一般递推式。3问题与应用（能力要求）理解B样条曲线定义与性质、了解二次和三次B样条曲线及其应用、非均匀B样条曲线、参数曲线段的一般递推式。*第五节 Bzier 曲面及其拼接（自学）1主要内容矩阵域上的 Bzier 曲面、三角域上的 Bzier 曲面、Bzier 曲面拼接应用。2基本概念和知识点 矩阵域上的 Bzier 曲面、三角域上的 Bzier 曲面、Bzier 曲面拼接应用。3问题与应用（能力要求）了解矩阵域上的 Bzier 曲面、三角域上的 Bzier 曲面、Bzier 曲面拼接应用。*第六节 Coons 曲面（自学）1主要内容双三次Coons曲面、布尔和形式的Coons曲面。2基本概念和知识点 双三次Coons曲面、布尔和形式的Coons曲面。3问题与应用（能力要求）了解双三次Coons曲面、布尔和形式的Coons曲面。*第七节 B样条曲面（自学）1主要内容B样条曲面一般形式、三种双三次参数曲面片等价表示，NURBS曲线与曲面。2基本概念和知识点 B样条曲面一般形式、三种双三次参数曲面片等价表示。3问题与应用（能力要求）了解B样条曲面一般形式、三种双三次参数曲面片等价表示。（三） 实践环节与课后练习此部分应布置一至两次至少四道题的课后习题，内容可覆盖Bzier曲线、B样条曲线、Bzier 曲面、B样条曲面等。（四） 教学方法与手段课堂板书结合PowerPoint电子教案讲授。第四章 真实感图形学（一） 目的与要求1. 理解颜色的基本概念、三色学说、CIE色度图、掌握常用的颜色模型；2. 掌握光照相关知识、Phong光照明模型、增量式光照明模型、阴影的生成；3. 了解局部光照明的理论基础、局部光照明模型；4. 了解纹理相关概念、二维纹理域的映射、三维纹理域的映射、几何纹理；5. 了解透明效果的简单模拟、Whitted 光透射模型、Hall 光透射模型、简单光反射透射模型；6. 了解光线跟踪算法，辐射度方法、实时真实感图形学技术。（二） 教学内容第一节 颜色视觉1主要内容颜色的基本概念、三色学说、CIE色度图、常用的颜色模型。2基本概念和知识点 基本概念、三色学说、CIE色度图、常用的颜色模型。3问题与应用（能力要求）理解颜色的基本概念、三色学说、CIE色度图、掌握常用的颜色模型。第二节 简单光照明模型1主要内容光照相关知识、Phong光照明模型、增量式光照明模型、阴影的生成。2基本概念和知识点 光照相关知识、Phong光照明模型、增量式光照明模型、阴影的生成。3问题与应用（能力要求）掌握光照相关知识、Phong光照明模型、增量式光照明模型、阴影的生成。第三节 局部光照明模型1主要内容局部光照明的理论基础、局部光照明模型。2基本概念和知识点 局部光照明的理论基础、局部光照明模型。3问题与应用（能力要求）了解局部光照明的理论基础、局部光照明模型。第四节 纹理及纹理映射1主要内容纹理相关概念、二维纹理域的映射、三维纹理域的映射、几何纹理。2基本概念和知识点 纹理概述、二维纹理域的映射、三维纹理域的映射、几何纹理。3问题与应用（能力要求）了解纹理相关概念、二维纹理域的映射、三维纹理域的映射、几何纹理。*第五节 光透射模型（自学）1主要内容透明效果的简单模拟、Whitted 光透射模型、Hall 光透射模型、简单光反射透射模型。2基本概念和知识点 透明效果的简单模拟、Whitted 光透射模型、Hall 光透射模型、简单光反射透射模型。3问题与应用（能力要求）了解透明效果的简单模拟、Whitted 光透射模型、Hall 光透射模型、简单光反射透射模型。*第六节 整体光照明模型（自学）1主要内容光线跟踪算法，辐射度方法、实时真实感图形学技术。2基本概念和知识点 光线跟踪算法，辐射度方法、实时真实感图形学技术。3问题与应用（能力要求）了解光线跟踪算法，辐射度方法、实时真实感图形学技术。（三） 实践环节与课后练习此部分应布置至少二道题的课后习题，内容至少覆盖纹理映射以及光线跟踪。（四） 教学方法与手段课堂板书结合PowerPoint电子教案讲授。第五章 图形标准（一） 目的与要求熟悉OpenGL程序结构、基本几何元素、坐标变换和光照处理；了解VRML。 （二） 教学内容第一节 OpenGL1主要内容OpenGL概述、OpenGL程序结构、基本几何元素、坐标变换和光照处理、VRML。2基本概念和知识点OpenGL概述、OpenGL程序结构、基本几何元素、坐标变换和光照处理、VRML。3问题与应用（能力要求）熟悉OpenGL程序结构、基本几何元素、坐标变换和光照处理；了解VRML。（三） 实践环节 VC下OpenGL运行框架的搭建，光源和材质的设定。（四） 教学方法与手段课堂板书结合PowerPoint电子教案讲授。第六章 图形变换（一） 目的与要求1. 掌握图形变换中的数学方法；2. 理解平移变换、比例变换、旋转变换、对称变换、错切变换、基本图形元素变换；3. 理解三维图形的几何变换。平行投影、透视投影、透视投影技巧。（二） 教学内容第一节 图形变换中的数学方法1主要内容 图形变换中的数学方法。2基本概念和知识点 图形变换中的数学方法。3问题与应用（能力要求）掌握图形变换中的数学方法。第二节 二维图形的几何变换1主要内容平移变换、比例变换、旋转变换、对称变换、错切变换、基本图形元素变换。2基本概念和知识点 平移变换、比例变换、旋转变换、对称变换、错切变换、基本图形元素变换。3问题与应用（能力要求）理解平移变换、比例变换、旋转变换、对称变换、错切变换、基本图形元素变换。第三节 三维图形的几何变换1主要内容 三维图形的几何变换。2基本概念和知识点 三维图形的几何变换。3问题与应用（能力要求） 理解三维图形的几何变换。第四节 投影变换1主要内容 平行投影、透视投影、透视投影技巧。2基本概念和知识点 平行投影、透视投影、透视投影技巧。3问题与应用（能力要求）平行投影、透视投影、透视投影技巧。（三） 实践环节与课后练习用矩阵实现基本图形的对称、平移、旋转等变换。（四） 教学方法与手段课堂板书结合PowerPoint电子教案讲授。第七章 图形计算与图形的数据结构（一） 目的与要求1. 掌握求二直线段的交点、直线段与曲线段的交点、曲线与曲线的交点、直线与平面的交点、直线与曲面的交点算法；2. 掌握平面与曲面的交线、曲面与曲面的交线计算方法；3. 理解包含与重叠相关概念；4. 理解凸包的计算；5. 理解轮廓线概念；6. 了解等值线与网格的边相交的条件，等值线的起点、终点于分枝；7. 了解图形数学表示的若干方法、其它表示方法；8. 理解图形的数据结构；9. 了解图形数据库。（二） 教学内容第一节 交点的计算方法1主要内容 二直线段的交点、直线段与曲线段的交点、曲线与曲线的交点、直线与平面的交点、直线与曲面的交点。2基本概念和知识点 二直线段的交点、直线段与曲线段的交点、曲线与曲线的交点、直线与平面的交点、直线与曲面的交点。3问题与应用（能力要求）掌握求二直线段的交点、直线段与曲线段的交点、曲线与曲线的交点、直线与平面的交点、直线与曲面的交点算法。第二节 交线的计算方法1主要内容 平面与曲面的交线、曲面与曲面的交线。2基本概念和知识点 平面与曲面的交线、曲面与曲面的交线。3问题与应用（能力要求）掌握平面与曲面的交线、曲面与曲面的交线计算方法。第三节 包含与重叠1主要内容 包含与重叠相关概念。2基本概念和知识点包含与重叠。3问题与应用（能力要求）理解包含与重叠相关概念。第四节 凸包的计算1主要内容 凸包的计算。2基本概念和知识点 凸包的计算。3问题与应用（能力要求）理解凸包的计算。第五节 轮廓线1主要内容 轮廓线概念。2基本概念和知识点 轮廓线。3问题与应用（能力要求）理解轮廓线概念。*第六节 等值线（自学）1主要内容 等值线与网格的边相交的条件，等值线的起点、终点于分枝。2基本概念和知识点 等值线与网格的边相交的条件，等值线的起点、终点于分枝。3问题与应用（能力要求） 了解等值线与网格的边相交的条件，等值线的起点、终点于分枝。第七节 图形的表示法1主要内容 图形数学表示的若干方法、其它表示方法。2基本概念和知识点数学表示的若干方法、其它表示方法。3问题与应用（能力要求）了解图形数学表示的若干方法、其它表示方法。第八节 图形的数据结构1主要内容 图形的数据结构。2基本概念和知识点 图形的数据结构。3问题与应用（能力要求）理解图形的数据结构。*第九节 图形数据库（自学）1主要内容 图形数据库。2基本概念和知识点 图形数据库。3问题与应用（能力要求）了解图形数据库。（三） 实践环节与课后练习编程实现凸包的计算算法。（四） 教学方法与手段课堂板书结合PowerPoint电子教案讲授。*第八章 图形系统的总体设计（选学）（一） 目的与要求1. 掌握图形系统设计原则；2. 理解图形系统设计的基本问题；3. 了解图形系统软、硬件配置；4. 掌握图形要素及图形运算；5. 理解用户接口形式、用户接口的设计、基本交互任务组合、用户接口软件。 （二） 教学内容第一节 图形系统设计原则1主要内容图形系统设计原则。2基本概念和知识点图形系统设计原则。3问题与应用（能力要求） 掌握图形系统设计原则。第二节 图形系统设计的基本问题1主要内容图形系统设计的基本问题。2基本概念和知识点图形系统设计的基本问题。3问题与应用（能力要求） 理解图形系统设