计算机图形学 第2版 教学大纲

计算机图形学英文名称：ComputerGraphics课程代码：XG1013ZB学位课程/非学位课程：非学位课程学时/学分：48/3先修课程：计算机基础、数据结构、高级语言程序设计适用专业：计算机科学与技术课程简介计算机图形学是研究用计算机显示、生成和处理图形的原理、方法和技术的一门计算机专业的专业课程，它是信息处理的一个重要的研究方向的核心课程。该课程为进一步进行计算机可视化、虚拟与现实的学习提供了必备的基础知识。本课程的理论性和实践性都很强，其应用范围非常广泛，涉及到各行各业。计算机图形学是计算机科学技术及相关信息类专业中一门培养学生解决图形方面实际问题的能力和动手能力的课程。课程教学目标（一）课程目标通过本课程教学，学生在知识、能力、素质方面达到以下要求：1.知识目标（1）熟悉计算机图形学的基本研究内容、三维真实感图形生成的基本原理及编程绘制方法。（2）掌握线、面、体生成算法，掌握三维图形的数据结构表示方法，掌握图形的几何变换及投影变换，掌握线段与多边形的裁剪方法，掌握图形的消隐及光照计算方法，掌握三维图形的建模方法等。（3）具备人机图形交互界面设计的思维，具备计算机图形学方面的编程思想。2.能力目标（1）获取知识的能力：掌握科学的学习方法，不断地扩展计算机图形学的知识面，增强独立思考的能力，更新知识结构；（2）应用知识的能力：运用计算机图形学的基本理论和基本观点，通过观察、分析、综合、归纳等方法培养学生解决与计算机图形学相关的实际问题；（3）创新能力：学会应用计算机图形学的基本理论和方法能初步对计算机图形学的一些编程算法进行改进，提出计算机图形学方面一些问题的解决方法。3.素质目标（1）思想道德：培养学生追求真理、探索创造、甘于奉献的科学精神，培育求真务实、实践创新、精益求精的工匠精神，帮助学生成为科学知识与人文素养均衡发展、传统与现代融会贯通、能够担负起现代科技与工业领域有责任感的人才；（2）专业素质：培养学生严谨求实、追求真理的科学态度、刻苦钻研、甘于奉献的作风以及专业团队精神；（3）人文素养：培养学生有一定的文化素养、审美情趣、艺术修养。（4）身心健康：培养学生在身心方面有良好的状态，能够适应社会环境。（5）科学素质：引导学生树立科学的世界观，激发学生的求知热情、探索精神、创新欲望，逐步增强认识和掌握科学规律的自主能力；（6）工程素质：培养学生有一定的工程意识、安全意识、综合分析素养、价值效益意识、创新精神、精益求精。课程教学内容与要求（一）课程内容与学时分配教学内容学时分配学时理论实验知识单元1：绪论22知识单元2：基本图形生成算法1082知识单元3：区域填充422知识单元4：图形变换862知识单元5：图形裁剪422知识单元6：曲线与曲面的生成642知识单元7：消除隐藏线和隐藏面44知识单元8：真实感图形技术1082合计483612（二）知识单元的描述知识单元1：绪论知识点：计算机图形学的概念计算机图形学的发展历史计算机图形学的应用重点:计算机图形学的概念,计算机图形学的应用。学习目标：1.理解计算机图形学的概念2.了解计算机图形学的发展历史3．理解计算机图形学的应用。知识单元2：基本图形的生成知识点：直线段的生成方法圆弧的生成方法反走样处理字符的存储和显示重点：直线段与圆弧的生成方法，点阵字符与矢量字符的生成难点：直线段与圆的中点生成方法的推导过程，矢量字符的存储方法。学习目标：1.了解直线段和圆的光栅扫描转换概念、线段的线型和线宽处理、反走样处理。2.理解线段和圆弧的Bsenham生成的基本方法、点阵与矢量字符的存储的方法。3.掌握DDA直线的生成算法、中点法直线和圆的生成算法；掌握点阵与矢量字符的存储与显示方法。4.应用本知识单元能够仅通过写点函数编写绘制直线段和圆弧的程序。知识单元3：区域填充知识点：区域的定义交互式种子填充自动式多边形域填充图案与符号填充重点：简单种子填充、多边形域扫描线填充。难点：扫描线种子填充、有效边表扫描线填充、图案与符号填充。学习目标：1.了解扫描线种子填充的过程、符号或图案填充区域的思路。2.理解有效边表扫描线填充的数据结构存储方法；理解水平线、垂直线、斜线的填充思路；理解图案填充的不同对齐方法。3.掌握简单种子填充任意形状的边界定义区域算法；掌握自动填充多边形区域的扫描线填充算法。4.应用本知识单元能够编程绘制多种形状区域填充的图形。知识单元4：图形变换知识点：窗口视图变换图形几何变换形体投影变换重点：图形的几何变换和形体的投影变换难点：形体的平行投影和透视投影变换学习目标：1.了解窗口视图变换的原理2.理解二维图形和三维图形的几何变换、形体的平行投影和透视投影的原理。3.掌握二维图形和三维图形的变换矩阵各系数的含义、三维形体的框架数据存储一种方法；掌握三维形体框架平行投影的正轴测投影及斜平行投影图的生成方法，掌握三维形体框架透视投影的一点、二点和三点透视图的生成方法。4.应用本知识单元能够编程生成任意多面体的线框投影图。知识单元5：图形的裁剪知识点：二维直线段的裁剪二维多边形的裁剪三维直线段的裁剪重点：二维直线段的编码裁剪法和二维多边形的逐边裁剪法。难点：二维直线段的中点分割算法、二维多边形的逐边裁剪法。学习目标：1.了解二维直线的中点分割算法、三维直线段的编码裁剪。2.理解直线段的裁剪与多边形的裁剪的区别。3.掌握二维直线段的编码裁剪过程及二维多边形的逐边裁剪法的具体过程。4.应用本知识单元能够编程实现直线段和多边形的裁剪。知识单元6：曲线和曲面的生成知识点：规则参数曲线Bezier曲线B样条曲线平面的网格生成双线性曲面单线性曲面旋转曲面Bezier曲面B样条曲面重点：规则参数曲线、Bezier和B样条曲线。平面、双线性曲面、单线性曲面。旋转曲面、Bezier曲面和B样条曲面。难点：n次Bezier和B样条曲线、任意旋转曲面、Bezier曲面和B样条曲面。学习目标：1.了解Bezier曲线段和曲面片的拼接方法、B样条曲线和曲面的多种定义方式。2.理解一阶连续拼接的Bezier曲线段和二次均匀周期B样条曲线的特点，理解双线性曲面和单线性曲面的含义。3.掌握参数曲线的线段生成方法；掌握平面、双线性曲面、单线性曲面、旋转曲面的网格的生成方法；掌握n次Bezier曲线段和均匀周期2次B样条曲线的生成方法；掌握n次Bezier曲面片和2次均匀周期B样条曲面生成方法。4.应用本知识单元能够编程绘制任意网格曲面。知识单元7：图形消隐知识点：凸多面体的自隐藏线消隐深度缓存算法消隐画家算法消隐重点：凸多面体的Roberts自隐藏线消隐法、深度缓存算法消隐难点：深度缓存算法消隐。学习目标：1.了解画家算法消隐。2.理解凸多面体的Roberts自隐藏线消隐法的概念及其算法思想。3.掌握深度缓存算法消隐的方法及程序设计。4.应用本知识单元能够编程绘制消隐后的多面体。知识单元8：真实感图形生成知识点：简单光照模型纹理处理光透射模型阴影处理重点：简单光照模型难点：纹理处理、光透射模型和阴影处理。学习目标：1.了解光透射模型、阴影处理方法。2.理解颜色纹理与凹凸纹理的处理方法；理解多边形表示曲面的恒定光强、亮度插值、法向量插值的明暗处理方法。3.掌握简单光照模型的漫反射光、反射光和镜面反射光的计算方法。4.应用本知识单元能够编程生成三维真实感多面体及曲面图形。（四）实验教学1.实验教学必需的保障条件安装高级语言的计算机2.实验项目与学时安排序号实验项目学时1直线与圆的生成22区域的交互与自动填充23多面体的平行投影与透视投影24直线与多边形裁剪25曲线与曲面的绘制26消隐与光照真实感图形绘制23.实验内容与基本要求（1）实验一直线与圆的生成基本概念：直线段和圆的光栅扫描转换、直线段和圆的参数方程、直线段和圆的DDA生成法、直线段和圆的中点生成法。实验要求：①了解有一定宽度的直线和虚线绘制的方法。②熟悉实型直线段与圆的一种点生成方法。③学会菜单与对话框的图形界面设计方法。实验内容：①建立基本图形对话框操作界面。②设计不同的操作控件分别实现不同功能，如直线段和圆的绘制等。③通过输入数据定位直线段的起点和终点、定位圆心坐标和半径长度绘制圆。=4\*GB3④编程实现不同线型及线宽的直线与圆的绘制（选做）。=5\*GB3⑤利用直线与圆编程绘制一个简单的现实实物的示意图形（选做）。（2）实验二区域填充基本概念：边界定义区域、种子填充、扫描线填充、图案与字符填充。实验要求：①了解图案与字符填充多边形区域的方法。②熟悉简单种子填充边界定义区域与多边形域扫描线填充算法的步骤。实验内容：①建立区域填充图形界面。②设计不同的操作控件分别实现种子填充与扫描线填充。③对多边形区域使用平行线、垂直线、斜线进行填充（选做）。=4\*GB3④对多边形区域用点阵字符填充（选做）。（3）实验三多面体的投影基本概念：多面体的存储结构、正轴测投影、斜平行投影、透视投影。实验要求：①了解正轴测投影、斜平行投影、透视投影的区别。①熟悉多面体的存储方法和正轴测投影、斜平行投影、透视投影变换。②学会三维形体的投影图的绘制。实验内容：①建立多面体投影基本图形界面。②设计多面体的顶点及顶点与面的关系数据输入界面，设计不同的操作控件分别实现正轴测投影、斜平行投影、透视投影图的绘制。（4）实验四图形裁剪基本概念：裁剪框，区域编码、直线段端点的编码计算、线段编码裁剪法，多边形逐边裁剪法。实验要求：①了解字符的裁剪方法。②熟悉Cohen-Sutherland端点编码算法裁剪任意线段的步骤，熟悉Sutherland-Hodgman逐次多边形裁剪算法的步骤。实验内容：①建立直线和多边形裁剪的图形界面。②设计不同的操作控件分别实现裁剪框、直线段、多边形的绘制以及直线和多边形的裁剪。③输入裁剪框、直线或多边形。未被裁剪的线段及被裁剪的线段用不同颜色显示出来，未被裁剪的多边形及被裁剪的多边形用不同颜色显示出来。=4\*GB3④对矢量字符进行裁剪（选做）。（5）实验五曲线和曲面的绘制基本概念：参数曲线和曲面、Bezier曲线和曲面，B样条曲线和曲面，旋转曲面。实验要求：①了解曲线和曲面的参数表示方法。②熟悉参数曲线的线段绘制方法和曲面的的二维投影网格绘制方法。实验内容：①建立曲线和曲面绘制的图形界面。②设计规则曲线（如椭圆等）的系数输入控件，实现不同曲线的绘制。通过输入控制点，生成Bezier曲线或B样条曲线。=3\*GB3③设计三维控制点坐标数据输入控件，实现一个网格状n次Bezier曲面正轴测投影图。（6）实验六消隐与光照真实感图形生成基本概念：深度缓存消隐、简单光照模型实验要求：①了解消隐及简单光照模型的概念②熟悉消隐及真实感图形生成的步骤。②学会真实感图形的绘制。实验内容：①建立真实感图形生成的图形界面。②设计曲面和多面体绘制数据及光源位置输入控件。使用深度缓存消隐和简单光照模型绘制一个现实生活中的多面体或曲面的真实感图形。四、教学方法与学习策略1.教学方法本课程可采用讲授法、实例教学法、直观演示法、实验法、练习法等多种教学方式。（1）讲授法本课程大部分内容采用讲授法。采用通俗易懂的表达方式进行讲解，结合PPT的一些图形动画，直观展示图形算法过程。（2）实例法大部分的图形算法步骤都是通过实例讲解，使算法步骤更加清晰直观。（3）演示法利用已开发的计算机图形学算法演示教学软件，将图形算法的实际效果进行演示，，将枯燥抽象的理论具体形象化，让学生充分感受到计算机图形学的魅力，激发学生的学习兴趣，提高课堂教学的效率。（5）实验法对核心知识的算法都有程序设计实验教学，重点对图形生成的程序设计的思路进行讲解，能提高学生的程序设计能力。（6）练习法将课程重点核心的知识让学生进一步理解，练习题不能多，并且现场交作业，作业全部批改，教师可以随时了解学生的学习状况，有针对性进行复习。学生也可检查自己掌握知识的情况。2.学习策略学生要掌握好该门课程主要采用以下几种方式：（1）课前预习通过教材、网上下载课件等教学资源进行预习。（2）课堂听讲在课堂上必须认真听讲，跟上老师的思路，重点内容记笔记，积极回答老师提的问题。（3）课后复习课后除了通过教材、网上教学资源等进行复习外，最重要的是编写程序进行实践。刚开始可以按照教材或课件上的程序输入并调试，但