《计算机图形学》教学大纲

《计算机图形学》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：22150281课程性质：专业选修课学分：2学分学时：32学时（理论22学时，实验10学时）先修课程：线性代数、C程序设计B、数据结构B等后续课程：机器视觉及图像处理等适用专业：机器人工程专业开课单位：智能工程学院一、课程说明《计算机图形学》是机器人工程专业的一门专业选修课。本课程旨在介绍计算机图形学的基本概念、理论、方法和系统，重视基本方法和经典理论的学习，确保学生能对计算机图形学有一个全面的了解。培养学生严谨的治学态度，启迪学生的创新思路和意识，为以后从事机器人工程或相关领域的工作、深造、研究打下基础。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：了解计算机图形学的研究内容、图形标准与图形显示原理以及计算机图形学的应用领域；掌握计算机图形学中的基本概念和基本理论。课程目标2：通过本课程学习，掌握计算机图形编程的技能，能进行基本的编程和算法验证。包括常见的画线算法、裁剪算法、图形几何变换的基本原理、常用的参数曲线生成算法等内容。课程目标3：能使学生具备运用计算机图形系统和应用软件解决实际问题的能力，具备运用图形学的研究思想，解决机器人工程领域相关问题的能力课程目标4：通过授课使学生具备基本的查阅国内外文献和数据库的能力；具备实验数据的采集、分析和处理的能力，培养学生的实践动手能力。课程目标5：通过授课向学生充分展示中国的现代科技成果，使学生了解我国在图形学领域的突出贡献，进一步增强学生的爱国主义精神。三、课程目标与毕业要求《计算机图形学》课程教学目标对机器人工程专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度2.问题分析：能够应用数学、自然科学和工程基础的基本原理，针对机器人工程领域的复杂工程问题，通过查阅文献资料进行识别、表达和研究分析，掌握对象特性，以获得有效结论。2.1应用数学、物理、计算机、机电控制等基本原理，正确识别表述机器人工程领域的复杂工程问题。课程目标1：了解计算机图形学的研究内容、图形标准与图形显示原理以及计算机图形学的应用领域；掌握计算机图形学中的基本概念和基本理论。课程目标2：通过本课程学习，掌握计算机图形编程的技能，能进行基本的编程和算法验证。包括常见的画线算法、裁剪算法、图形几何变换的基本原理、常用的参数曲线生成算法等内容。M3.设计/开发解决方案：能够针对机器人工程领域复杂工程问题设计解决方案，设计满足特定需求的硬件部件、智能算法、系统集成应用，并能够在设计环节中体现创新意识，并考虑社会、环境、健康、安全、法律、文化等因素。3.1能够针对机器人工程领域的复杂工程问题提出网络化、智能解决方案。课程目标3：能使学生具备运用计算机图形系统和应用软件解决实际问题的能力，具备运用图形学的研究思想，解决机器人工程领域相关问题的能力课程目标5：通过授课向学生充分展示中国的现代科技成果，使学生了解我国在图形学领域的突出贡献，进一步增强学生的爱国主义精神。M4.研究：能够基于机器人机械、电子电路、计算机、控制等科学原理，并采用数学建模、系统仿真等科学方法，对机器人工程领域的复杂工程问题进行研究，包括设计实验、建模、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。4.3能够采用计算机仿真、实物或半实物仿真等方法，设计实验方案，搭建实验系统，进行实验。课程目标3：能使学生具备运用计算机图形系统和应用软件解决实际问题的能力，具备运用图形学的研究思想，解决机器人工程领域相关问题的能力课程目标4：通过授课使学生具备基本的查阅国内外文献和数据库的能力；具备实验数据的采集、分析和处理的能力。H注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配1.理论部分理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时实验（实践）(上机)学时对应的课程目标1.计算机图形学概述1.1计算机图形学的研究内容与历史回顾1.2计算机图形学的应用及研究前沿思政1：引入中国计算机图形学的发展情况，引发学生共鸣，激发学生爱国情怀教学要求：了解计算机图形学的历史发展与研究前沿；掌握计算机图形学的研究内容与应用。重点:计算机图形学概念、研究内容难点:计算机图形学的应用及研究前沿21、52.计算机图形系统2.1计算机图形系统的组成、功能及分类2.2计算机图形设备2.3计算机图形软件教学要求：了解计算机图形系统的组成、功能及分类；理解计算机图形设备的分类与工作原理；熟悉计算机图形软件及应用。重点:计算机图形设备工作原理难点:计算机图形软件的应用21、3、4、53．基本图形的生成3.1直线的生成算法3.2圆与椭圆的生成算法3.3区域填充3.4字符3.5裁剪思政1：将直线、椭圆等对比分析，思辨思想引入，树立学生正确的价值观和世界观教学要求：掌握图形基本绘图元素，掌握直线段、圆的生成算法；了解椭圆、规则曲线的生成算法；理解区域、区域填充的概念，掌握多边形区域填充、边填充、种子填充的算法；掌握线宽处理与字符生成的一些基本概念；了解走样、反走样、区域采样算法的基本思想；理解窗口区、视图区的概念，掌握直线段、多边形裁剪算法，了解字符裁剪技术。重点:计算机基本图形的生成算法难点:区域填充661、2、3、4、54.图形变换4.1齐次坐标4.2图形的几何变换4.3形体的投影变换4.4窗口视区变换教学要求：了解齐次坐标；了解窗口视区变换。理解图形的几何变换。理解形体的投影变换。重点：图形的几何变换难点：形体的投影变换421、2、3、55.曲线与曲面的生成与算法5.1曲线与曲面的基础知识5.2常用的参数曲线5.3常用的参数曲面教学要求：了解参数曲线表示的基本知识，掌握典型参数曲线的定义、性质；了解参数曲面表示的基本知识，掌握典型参数曲线的定义、性质。重点：典型参数曲线的生成与算法难点：典型参数曲面的生成与算法621、2、3、4、56.真实感图形6.1颜色模型与光照模型6.2线消隐、面消隐6.3纹理与投影教学要求：理解线消隐、面消隐概念及算法；熟悉颜色模型与光照模型的知识；了解纹理与投影的概念与操作重点：线消隐、面消隐难点：纹理与投影21、2、3、4、5合计22102.实验（实践）(上机)部分实验(实践)(上机)部分的教学内容、基本要求与学时分配见表3。表3实验项目、实验内容与学时实验（实践）(上机)项目实验（实践）(上机)内容和要求实验（实践）(上机)学时对应的课程目标1.直线的生成实验内容：学习直线生成的算法实验要求：熟悉图形编程软件的使用21、2、32.圆的生成实验内容：学习圆的生成算法实验要求：熟练掌握曲线和圆的生成算法21、2、33.图形裁剪算法的具体实现实验内容：练习图形裁剪算法实验要求：掌握图形裁剪的原理及程序实现方法21、2、3、4、54.三维图形几何变换与投影变换实验内容：三维图形生成和变换实验要求：掌握平移、比例、旋转三种基本三维几何变换矩阵生成。掌握正交投影图的生成和绘制方法21、2、3、4、55.绘制Bezier和B样条曲面实验内容：绘制计算机图形中的典型曲面实验要求：熟悉数字图形中典型曲面程序实现方法21、2、3、4、5合计10五、教学方法及手段课程教学以课堂讲授为主，结合实验、作业、慕课、雨课堂等资源，配合多媒体课件等共同课完成堂授课内容。采用QQ、微信等交流工具，加强和学生之间的交流和沟通。实验教学采用上机的方式来完成理论的验证；采用教师讲授和学生动手操作的方法进行，每完成一项实验，要认真完成一份实验报告。六、课程资源1.推荐教材：（1）孔令德，康凤娥等.计算机图形学(微课版)[M].北京：清华大学出版社，2021.2.参考书：（1）约翰·F.休斯（JohnF.Hughes）等.计算机图形学原理及实践（原书第3版进阶篇）[M].北京：机械工业出版社，2021.（2）张彩明.计算机图形学简明教程[M].北京：高等教育出版社，2008。（3）孙家广，胡事民.计算机图形学基础教程[M].北京：清华大学出版社，2005.（4）张宁蓉.计算机图形学[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011.3.期刊：（1）《计算机辅助设计与图形学学报》（2）《中国图像图形学报》（3）《计算机学报》4.网络资源：（1）/course/（2）/learn/CAU-45006?tid=1001746004#/learn/announce（3）/Homepages/qji/CV/visionCourses.html七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表4。表4课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标12345过程性考核课堂表现10（1）根据课堂出勤情况和课堂回答问题情况进行考核，满分100分。（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√√√22222实验15（1）根据每个实验的实验完成情况和实验报告质量单独评分，满分100分；（2）每次实验单独评分，取各次实验成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以实验成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√√3444作业15（1）主要考核学生对各章节知识点的复习、理解和掌握程度，满分100分；（2）每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√√3561期末考核60（1）卷面成绩100分，以卷面成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。（2）主要考核数字图形处理的基本概念、原理和实现方法、基本图形的生成、曲线与曲面的生成等内容。（3）考试题型为：填空题、选择题、判断题、名词解释题、简答题和综合分析题等。√√√√1020255合计：100分183137122八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以课堂表现、实验、作业、期末考试等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由期末试卷成绩和过程性考核成绩组成。其中：期末试卷成绩为100分（权重60%），试题类型为填空题、选择题、判断题、名词解释题、简答题和综合分析题等类型，试卷中基本知识、基本理论、基本技能的试题分值不超过50%，综合应用题、分析题不低于50%；课堂表现、实验、作业等过程性考核成绩为100分（权重40%）；过程性考核和考试试题分值分配应与教学大纲各章节的学时基本成比例。2.过程性考核成绩的标准过程性考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表5。表5过程性考核方式评价标准考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60课堂表现25笔记完整，积极参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于90%。笔记完整，认真参与教学活动，回答问题准确率大于80%。笔记不完整，偶尔参与教学活动，回答问题准确率大于70%。上课不认真，上课不记笔记，偶尔参与教学活动。上课不认真，上课不记笔记，不参与教学活动。作业37.5作业完整，思路清晰，准确率大于90%，字迹工整。作业完整，准确率大于80%，字迹工整。不交作业2次以内，