《计算机图形学应用基础》教学大纲（周2学时）

XX大学XX学院《计算机图形学应用基础》理论课程教学大纲课程名称计算机图形学应用基础英文名称FundamentalsofComputerGraphicsApplications课程代码开课单位课程类别■专业培养□重点提升□双创教育□素质拓展□辅修学士□微专业学分2学时36适用专业虚拟现实、计算机图形学、数字媒体技术、数据可视化、计算机动画先修课程数据结构、高级程序语言课程网站课程描述《计算机图形学应用基础》课程是虚拟现实、数字媒体技术的专业必修课，是计算机学院和软件学院其他专业的方向选修课，讲解计算机图形学技术的基本概念、基础理论和典型方法，培养学生理解、应用和开发计算机图形学方法的能力，为在数字媒体技术、奠定基础。本课程主要介绍计算机图形学的基本概念和方法，如物体表示、变换与裁剪、光栅转换与消隐等，以及高级图形学涉及的真实感图形、计算机动画、数据可视化、虚拟现实与增强现实等内容，重点讲授图形学的经典算法，要求学生掌握C++等基本编程技巧。教学目标课程的核心目标是在理解计算机图形学的基础理论知识的基础上，学习如何通过计算机将数字化的模型展现为可视化的图形以及图形序列。教学目标主要分为以下4个方面：教学目标1：能够综合运用物体几何表示、图形成像与呈现的逻辑结构、工作原理所涉及的基本概念和专业知识。教学目标2：能够运用基本的程序语言或者开发工具，理解或掌握物体几何表示、变换与裁剪、光栅转换与消隐等基础图形学算法的基本原理和算法设计方法。教学目标3：能够运用图形学的开发工具和真实感图形、计算机动画等高级图形学的原理与方法，掌握数据可视化、虚拟现实与增强现实等任务开发方法。教学目标4：了解计算机图形学的现代实现方法、信息资源和开发工具，通过在专业软件基础上的练习，具备开发计算机图形学应用的能力。对计算机图形学复杂工程问题进行预测与模拟，并能够理解工具的局限性。课程教学内容及学时分配第一章绪论（2学时，其中授课2学时，研讨0学时）【教学目标和要求】了解计算机图形学的概述和背景知识;了解计算机图形学的基本思想；了解计算机图形学的有关应用和图形学对这些应用领域的推动作用；了解OpenGL的基本知识；学习怎么配置OpenGL环境；学习用OpenGL实现一个简单茶壶绘制的程序；了解光栅图形显示技术的基本原理；了解普通光栅显示系统的结构；了解二维图元的生成方法；了解RGB颜色系统的原理；了解OpenGL调用RGB颜色模型的基本原理。【具体教学内容】本章介绍计算机图形学的概述。其中包括计算机图形学的背景的具体应用领域，Windows环境下生成图形的一个简单例子，光栅图形显示的基本原理，以及RGB颜色系统。第二章物体的几何表示（6学时，其中授课5.5学时，研讨0.5学时）【教学目标和要求】了解几何建模的常用坐标系;掌握物体的多边网格模型表示方法，掌握半边结构存储方式，了解顶点法向和纹理坐标计算方法；了解参数曲面及张量积曲面定义，理解Bezier曲线和曲面表示，掌握Bezier曲线表示的定义、主要性质、优缺点，掌握Bézier曲线绘制方法;理解B样条曲线与曲面表示，掌握Bezier曲线表示的定义、主要性质、优缺点，掌握三次均匀B样条曲线的定义和绘制方法，了解NURBS曲线和优点;了解Bezier和B样条曲面的定义方法;了解细分曲面、隐式曲面表示方法，了解物体的构造实体几何建模，理解自然景物表示方法，包括分形模型、描述植物生长的L－模型和描述动态景象的粒子系统。【具体教学内容】本章介绍目前几何建模的常用坐标系和物体表示方法，其中包括物体的网格模型、参数曲线曲面、细分曲面及隐式曲面表示，以及构造实体几何建模和自然景物表示。第三章变换与裁剪（2学时，其中授课2学时，研讨0学时）【教学目标和要求】掌握点的齐次坐标表示方法，掌握二维和三维基本变换原理和矩阵表示，掌握三维观察流程，理解取景变换坐标系建立，观察坐标系中的投影坐标计算方法，以及视窗变换原理。了解裁剪的定义和作用，掌握Cohn-Sutherland和梁-Barsky两种直线段裁剪算法及编程实现，掌握Sutherland-Hodgman多边形裁剪算法，了解三维裁剪基本概念。了解字符形状表示方法和字符裁剪方法。【具体教学内容】本章介绍：（1）二维和三维基本变换：平移、旋转和缩放;（2）三维观察流程：造型变换、取景变换、投影变换、设备变换和视窗变换，视点坐标系和取景变换，投影坐标系和投影变换，规格化设备坐标系和设备变换，屏幕坐标系和视窗变换;(3)裁剪的定义和分类，二维直线段裁剪算法包括Cohn-Sutherland算法和梁-Barsky算法，多边形裁剪和Sutherland-Hodgman算法,三维裁剪;(4)字符、字符表示和字符裁剪。第四章光栅转换与消隐（2学时，其中授课2学时，研讨0学时）【教学目标和要求】了解区域的两种表示方法及优缺点，掌握种子点填充算法，重点掌握顶点表示下多边形扫描转换算法，并能利用它来编程实现多边形填充。了解消隐的作用、定义和分类，理解两大类消隐算法的优缺点，掌握Z缓冲器消隐算法和画家算法的基本原理，理解BSP树消隐算法的基本原理。【具体教学内容】本章介绍：（1）区域的表示，四连能和八连通区域、基于边界定义的种子填充算法、基于顶点表示的多边形扫描转换算法;（2）消隐的定义、作用和分类，以及隐藏面消除经典算法：Z缓冲器消隐算法、画家算法、BSP树算法。第五章真实感图形（10学时，其中授课9.0学时，研讨1.0学时）【教学目标和要求】1.理解真实感图形的光照明模型，包括局部光照明模型与全局光照明模型；2.理解局部光照明模型、全局光照明模型和非真实感绘制的基本原理和绘制效果；3.理解算法实现的基本框架。【具体教学内容】1.图形绘制的光照明模型；2.光线追踪算法的基本原理及阴影生成、反走样技术；3.颜色纹理映射和几何纹理映射的基本原理及反走样技术；4.辐射度方法的基本原理；5.实时绘制技术介绍；6.非真实感图形绘制方法。第六章计算机动画（4学时，其中授课3.5学时，研讨0.5学时）【教学目标和要求】掌握计算机动画的基本原理和背景知识；掌握关键帧技术的各种插值方法；掌握样条驱动动画技术的原理；掌握欧拉角在应用中存在的问题；掌握四元数的定义和表示方法；掌握二维多边形形状渐变中的插值方法；掌握二维图像渐变技术中的变换方法；掌握三维图像渐变技术中的变形方法（自由变形，轴变形，圆球造型等）；掌握粒子系统、群体动画、布料动画、脸部表情动画这四种过程动画技术的定义；掌握关节动画的分类的基本实现原理。【具体教学内容】(1)计算机动画简介;(2)低层动画驱动技术：关键帧技术、样条驱动动画技术、物体旋转的欧拉角表示和插值;(3)渐变和空间变形动画技术：二维多边形形状渐变、二维图像渐变、三维渐变、整体和局部变形方法、自由变形方法FFD、轴变形方法、元球的造型和动画技术;(4)过程动画技术：粒子系统、群体动画、布料动画、脸部表情动画；（5）关节动画：正运动学方法、逆运动学方法、动力学方法、运动捕获和运动重现、运动模糊、动画后期合成、虚拟演播室、计算机游戏、Flash动画。第七章数据可视化（4学时，其中授课3.5学时，研讨0.5学时）【教学目标和要求】1.全面系统地了解可视化的基本概念、流程与方法。2.以数据模态分类，掌握基本的表格、文本、图、空间、高维等数据模态的可视化。3.以精彩的案例，诠释可视化的魅力与内涵。4.以实际案例和经典的可视化开发范式，介绍数据可视化的应用案例。掌握虚实融合中的一致性基本原理，了解真实感绘制关键技术和空间计算机图形学技术。【具体教学内容】1.可视化简介、数据可视化流程、可视编码基本原则；2.表格数据可视化、空间数据可视化、高维数据可视化；3.文档数据可视化、层次与网络数据可视化。第八章虚拟现实与增强现实（4学时，其中授课3学时，研讨0.5学时）【教学目标和要求】掌握虚拟现实和增强现实的基本概念、系统构成、概念模型与运行原理，了解常用的显示设备与工作原理；掌握理解虚拟现实环境的立体视觉逼真呈现的原理和营造方法，了解其所产生的心理效应与解决方法。掌握虚拟现实中的交互范式与交互设备，具备组织和开发简单虚拟现实和增强现实场景和应用的能力，了解虚拟现实和增强现实的各种应用场景和原理。【具体教学内容】1.虚拟现实的基本概念和发展历史；2.虚拟现实的系统组成；3.立体视觉的生成原理；4.虚拟现实交互；5.增强现实技术的特点；6.虚拟现实与增强现实应用。第九章图形软件支撑平台和常用软件介绍（2学时，其中授课2学时，研讨0学时）【教学目标和要求】了解常用的图形学基本支撑软件，了解面向游戏与虚拟现实的图形开发工具；了解网络图形的开发工具和动画渲染软件。【具体教学内容】介绍OpenGL和DirectX的渲染管线，介绍Unity、VegaPrime、CAVEELib等开发工具。介绍网络图形开发的WebGL、VRML、X3D、Java3D等，以及动画软件3dsMax等。考核及成绩评定方式【考核方式】：课堂提问讨论10%、实验、期末考试（笔试、闭卷）【成绩评定】：其中课堂提问及平时成绩占10%，实验30%，期末考试60%。【考试大纲】教材及参考资料【教材】彭群生，金小刚，冯结青，陈为著，《计算机图形学算法基础》，清华出版社，2023年。（虚拟现实专题规划教材）【参考书】3-5本相关的教材或者专著、杂志或网络资源[1]DonaldHearn等著，蔡士杰译，计算机图形学(第三、四版)，电子工业出版社，2014[2]JamesD.Foley等著.计算机图形学原理及实践(C语言描述).机械工业出版社,2004.03[3]DaveShreiner,MasonWoo,etal.OpenGL编程指南.人民邮电出版社[4]孙家广,胡事民著.计算机图形学基础教程（第2版）.清