計算機圖形學課程教學大綱一、課程基本信息課程代碼：110053課程名稱：計算機圖形學英文名稱：Computer Graphics課程類別：專業課 學 時：72學分：3.5適用對象：信息與計算科學專業本科生考核方式：考試（平時成績占總成績的30%）先修課程：高級語言程序設計、數據結構、高等代數二、課程簡介中文簡介：計算機圖形學是研究計算機生成、處理和顯示圖形的學科。它的重要性體現在人們越來越強烈地需要和諧的人機交互環境：圖形用戶界面已經成為一個軟件的重要組成部分，以圖形的方式來表示抽象的概念或數據已經成為信息領域的一個重要發展趨勢。通過本課程的學習，使學生掌握計算機圖形學的基本原理和基本方法，理解圖形繪制的基本算法，學會初步圖形程序設計。英文簡介：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、課程性質與教學目的計算機圖形學是信息與計算科學專業的一門主要專業課。通過本課程的學習，使學生掌握基本的二、三維的圖形的計算機繪制方法，理解光柵圖形生成基本算法、幾何造型技術、真實感圖形生成、圖形標準與圖形變換等概念和知識。學會圖形程序設計的基本方法，為圖形算法的設計、圖形軟件的開發打下基礎。四、教學內容及要求 第一章 緒論 (一) 目的與要求1. 掌握計算機圖形學的基本概念；2. 了解計算機圖形學的發展、應用；3. 掌握圖形系統的組成。(二) 教學內容第一節 計算機圖形學的概念1主要內容計算機圖形學的概念及其與其它學科之間的關系。2基本概念和知識點 計算機圖形學的概念。3. 問題與應用（能力要求）理解計算機圖形學的概念。第二節 計算機圖形學的發展1主要內容計算機圖形學的發展過程。2基本概念和知識點 計算機圖形學的發展過程。3. 問題與應用（能力要求）了解計算機圖形學的發展過程。第三節 計算機圖形學的應用1主要內容計算機圖形學的應用。2基本概念和知識點 計算機圖形學的應用。3. 問題與應用（能力要求）了解計算機圖形學的應用。第四節 常用的圖形輸入/輸出設備1主要內容常用的圖形輸入/輸出設備。2基本概念和知識點 常用的圖形輸入/輸出設備。3. 問題與應用（能力要求）了解常用的圖形輸入/輸出設備。第五節 計算機圖形系統1主要內容計算機圖形系統。2基本概念和知識點 計算機圖形系統。3. 問題與應用（能力要求）了解計算機圖形系統。(三) 實踐環節與課后練習無。(四) 教學方法與手段課堂板書結合PowerPoint電子教案講授。第二章 光柵圖形學（一） 目的與要求1 理解三個常用直線生成算法；2 理解圓的特征、掌握中點畫圓法；3 理解和掌握多邊形的掃描轉換、區域填充算法；4 了解點陣字符、矢量字符、字符屬性；5 理解直線段裁剪、多邊形裁剪、字符裁剪；6 了解提高分辨率、區域采樣、加權區域采樣技術；7 了解消隱的分類、消除隱藏線、消除隱藏面算法。 （二） 教學內容第一節 直線段的掃描轉換算法（3學時）1主要內容三個常用直線生成算法。2. 基本概念和知識點 三個常用算法：數值微分法（DDA(Digital differential analyzer)）、中點畫線法、Bresenham 算法。3.問題與應用（能力要求）理解三個常用直線生成算法。第二節 圓弧的掃描轉換算法1主要內容圓的特征、中點畫圓法。2基本概念和知識點 圓的特征、中點畫圓法。3.問題與應用（能力要求）理解圓的特征、掌握中點畫圓法。第三節 多邊形的掃描轉換算法與區域填充1主要內容多邊形的掃描轉換、區域填充算法。2基本概念和知識點 多邊形的掃描轉換、區域填充算法。3.問題與應用（能力要求）理解和掌握多邊形的掃描轉換、區域填充算法。第四節 字符1主要內容點陣字符、矢量字符、字符屬性。2基本概念和知識點 點陣字符、矢量字符、字符屬性。3問題與應用（能力要求）了解點陣字符、矢量字符、字符屬性。第五節 裁剪1主要內容直線段裁剪、多邊形裁剪、字符裁剪。2基本概念和知識點 直線段裁剪、多邊形裁剪、字符裁剪。3問題與應用（能力要求）理解直線段裁剪、多邊形裁剪、字符裁剪。第六節 反走樣1主要內容提高分辨率、區域采樣、加權區域采樣。2基本概念和知識點 提高分辨率、區域采樣、加權區域采樣。3問題與應用（能力要求）了解提高分辨率、區域采樣、加權區域采樣技術。第七節 消隱1主要內容消隱的分類、消除隱藏線、消除隱藏面。2基本概念和知識點消隱的分類、消除隱藏線、消除隱藏面。3問題與應用（能力要求）了解消隱的分類、消除隱藏線、消除隱藏面算法。（三） 課后練習此部分應布置一至兩次至少四道題的課后習題，內容可覆蓋直線和圓弧DDA算法、直線段裁剪、多邊形裁剪。（四） 教學方法與手段課堂板書結合PowerPoint電子教案講授。第三章 幾何造型技術（一） 目的與要求1. 理解Bzier曲線的定義和性質、掌握二、三次Bzier曲線、n次Bzier曲線應用及變型；2. 理解和掌握數據擬合與最小二乘法、多項式插值及參數化；3. 了解參數連續和幾何連續概念、二次參數樣條曲線、三次參數樣條曲線；4. 理解B樣條曲線定義與性質、了解二次和三次B樣條曲線及其應用、非均勻B樣條曲線、參數曲線段的一般遞推式；5. 了解矩陣域上的 Bzier 曲面、三角域上的 Bzier 曲面、Bzier 曲面拼接應用；6. 了解雙三次Coons曲面、布爾和形式的Coons曲面；7. 了解B樣條曲面一般形式、三種雙三次參數曲面片等價表示。（二） 教學內容 第一節 Bzier 曲線1主要內容Bzier曲線的定義和性質、二、三次Bzier曲線、n次Bzier曲線應用及變型。2基本概念和知識點 Bzier曲線的定義和性質、二、三次Bzier曲線、n次Bzier曲線應用及變型。3問題與應用（能力要求）理解Bzier曲線的定義和性質、掌握二、三次Bzier曲線、n次Bzier曲線應用及變型。第二節 擬合、插值與樣條概念1主要內容數據擬合與最小二乘法、多項式插值及參數化。2基本概念和知識點 數據擬合與最小二乘法、多項式插值及參數化。3問題與應用（能力要求）理解和掌握數據擬合與最小二乘法、多項式插值及參數化。第三節 二、三次參數樣條曲線1主要內容參數連續和幾何連續概念、二次參數樣條曲線、三次參數樣條曲線。2基本概念和知識點 參數連續和幾何連續概念、二次參數樣條曲線、三次參數樣條曲線。3問題與應用（能力要求）了解參數連續和幾何連續概念、二次參數樣條曲線、三次參數樣條曲線。第四節 B樣條曲線1主要內容B樣條曲線定義與性質、二次和三次B樣條曲線及其應用、非均勻B樣條曲線、參數曲線段的一般遞推式。2基本概念和知識點 定義與性質、二次和三次B樣條曲線及其應用、非均勻B樣條曲線、參數曲線段的一般遞推式。3問題與應用（能力要求）理解B樣條曲線定義與性質、了解二次和三次B樣條曲線及其應用、非均勻B樣條曲線、參數曲線段的一般遞推式。*第五節 Bzier 曲面及其拼接（自學）1主要內容矩陣域上的 Bzier 曲面、三角域上的 Bzier 曲面、Bzier 曲面拼接應用。2基本概念和知識點 矩陣域上的 Bzier 曲面、三角域上的 Bzier 曲面、Bzier 曲面拼接應用。3問題與應用（能力要求）了解矩陣域上的 Bzier 曲面、三角域上的 Bzier 曲面、Bzier 曲面拼接應用。*第六節 Coons 曲面（自學）1主要內容雙三次Coons曲面、布爾和形式的Coons曲面。2基本概念和知識點 雙三次Coons曲面、布爾和形式的Coons曲面。3問題與應用（能力要求）了解雙三次Coons曲面、布爾和形式的Coons曲面。*第七節 B樣條曲面（自學）1主要內容B樣條曲面一般形式、三種雙三次參數曲面片等價表示，NURBS曲線與曲面。2基本概念和知識點 B樣條曲面一般形式、三種雙三次參數曲面片等價表示。3問題與應用（能力要求）了解B樣條曲面一般形式、三種雙三次參數曲面片等價表示。（三） 實踐環節與課后練習此部分應布置一至兩次至少四道題的課后習題，內容可覆蓋Bzier曲線、B樣條曲線、Bzier 曲面、B樣條曲面等。（四） 教學方法與手段課堂板書結合PowerPoint電子教案講授。第四章 真實感圖形學（一） 目的與要求1. 理解顏色的基本概念、三色學說、CIE色度圖、掌握常用的顏色模型；2. 掌握光照相關知識、Phong光照明模型、增量式光照明模型、陰影的生成；3. 了解局部光照明的理論基礎、局部光照明模型；4. 了解紋理相關概念、二維紋理域的映射、三維紋理域的映射、幾何紋理；5. 了解透明效果的簡單模擬、Whitted 光透射模型、Hall 光透射模型、簡單光反射透射模型；6. 了解光線跟蹤算法，輻射度方法、實時真實感圖形學技術。（二） 教學內容第一節 顏色視覺1主要內容顏色的基本概念、三色學說、CIE色度圖、常用的顏色模型。2基本概念和知識點 基本概念、三色學說、CIE色度圖、常用的顏色模型。3問題與應用（能力要求）理解顏色的基本概念、三色學說、CIE色度圖、掌握常用的顏色模型。第二節 簡單光照明模型1主要內容光照相關知識、Phong光照明模型、增量式光照明模型、陰影的生成。2基本概念和知識點 光照相關知識、Phong光照明模型、增量式光照明模型、陰影的生成。3問題與應用（能力要求）掌握光照相關知識、Phong光照明模型、增量式光照明模型、陰影的生成。第三節 局部光照明模型1主要內容局部光照明的理論基礎、局部光照明模型。2基本概念和知識點 局部光照明的理論基礎、局部光照明模型。3問題與應用（能力要求）了解局部光照明的理論基礎、局部光照明模型。第四節 紋理及紋理映射1主要內容紋理相關概念、二維紋理域的映射、三維紋理域的映射、幾何紋理。2基本概念和知識點 紋理概述、二維紋理域的映射、三維紋理域的映射、幾何紋理。3問題與應用（能力要求）了解紋理相關概念、二維紋理域的映射、三維紋理域的映射、幾何紋理。*第五節 光透射模型（自學）1主要內容透明效果的簡單模擬、Whitted 光透射模型、Hall 光透射模型、簡單光反射透射模型。2基本概念和知識點 透明效果的簡單模擬、Whitted 光透射模型、Hall 光透射模型、簡單光反射透射模型。3問題與應用（能力要求）了解透明效果的簡單模擬、Whitted 光透射模型、Hall 光透射模型、簡單光反射透射模型。*第六節 整體光照明模型（自學）1主要內容光線跟蹤算法，輻射度方法、實時真實感圖形學技術。2基本概念和知識點 光線跟蹤算法，輻射度方法、實時真實感圖形學技術。3問題與應用（能力要求）了解光線跟蹤算法，輻射度方法、實時真實感圖形學技術。（三） 實踐環節與課后練習此部分應布置至少二道題的課后習題，內容至少覆蓋紋理映射以及光線跟蹤。（四） 教學方法與手段課堂板書結合PowerPoint電子教案講授。第五章 圖形標準（一） 目的與要求熟悉OpenGL程序結構、基本幾何元素、坐標變換和光照處理；了解VRML。 （二） 教學內容第一節 OpenGL1主要內容OpenGL概述、OpenGL程序結構、基本幾何元素、坐標變換和光照處理、VRML。2基本概念和知識點OpenGL概述、OpenGL程序結構、基本幾何元素、坐標變換和光照處理、VRML。3問題與應用（能力要求）熟悉OpenGL程序結構、基本幾何元素、坐標變換和光照處理；了解VRML。（三） 實踐環節 VC下OpenGL運行框架的搭建，光源和材質的設定。（四） 教學方法與手段課堂板書結合PowerPoint電子教案講授。第六章 圖形變換（一） 目的與要求1. 掌握圖形變換中的數學方法；2. 理解平移變換、比例變換、旋轉變換、對稱變換、錯切變換、基本圖形元素變換；3. 理解三維圖形的幾何變換。平行投影、透視投影、透視投影技巧。（二） 教學內容第一節 圖形變換中的數學方法1主要內容 圖形變換中的數學方法。2基本概念和知識點 圖形變換中的數學方法。3問題與應用（能力要求）掌握圖形變換中的數學方法。第二節 二維圖形的幾何變換1主要內容平移變換、比例變換、旋轉變換、對稱變換、錯切變換、基本圖形元素變換。2基本概念和知識點 平移變換、比例變換、旋轉變換、對稱變換、錯切變換、基本圖形元素變換。3問題與應用（能力要求）理解平移變換、比例變換、旋轉變換、對稱變換、錯切變換、基本圖形元素變換。第三節 三維圖形的幾何變換1主要內容 三維圖形的幾何變換。2基本概念和知識點 三維圖形的幾何變換。3問題與應用（能力要求） 理解三維圖形的幾何變換。第四節 投影變換1主要內容 平行投影、透視投影、透視投影技巧。2基本概念和知識點 平行投影、透視投影、透視投影技巧。3問題與應用（能力要求）平行投影、透視投影、透視投影技巧。（三） 實踐環節與課后練習用矩陣實現基本圖形的對稱、平移、旋轉等變換。（四） 教學方法與手段課堂板書結合PowerPoint電子教案講授。第七章 圖形計算與圖形的數據結構（一） 目的與要求1. 掌握求二直線段的交點、直線段與曲線段的交點、曲線與曲線的交點、直線與平面的交點、直線與曲面的交點算法；2. 掌握平面與曲面的交線、曲面與曲面的交線計算方法；3. 理解包含與重疊相關概念；4. 理解凸包的計算；5. 理解輪廓線概念；6. 了解等值線與網格的邊相交的條件，等值線的起點、終點于分枝；7. 了解圖形數學表示的若干方法、其它表示方法；8. 理解圖形的數據結構；9. 了解圖形數據庫。（二） 教學內容第一節 交點的計算方法1主要內容 二直線段的交點、直線段與曲線段的交點、曲線與曲線的交點、直線與平面的交點、直線與曲面的交點。2基本概念和知識點 二直線段的交點、直線段與曲線段的交點、曲線與曲線的交點、直線與平面的交點、直線與曲面的交點。3問題與應用（能力要求）掌握求二直線段的交點、直線段與曲線段的交點、曲線與曲線的交點、直線與平面的交點、直線與曲面的交點算法。第二節 交線的計算方法1主要內容 平面與曲面的交線、曲面與曲面的交線。2基本概念和知識點 平面與曲面的交線、曲面與曲面的交線。3問題與應用（能力要求）掌握平面與曲面的交線、曲面與曲面的交線計算方法。第三節 包含與重疊1主要內容 包含與重疊相關概念。2基本概念和知識點包含與重疊。3問題與應用（能力要求）理解包含與重疊相關概念。第四節 凸包的計算1主要內容 凸包的計算。2基本概念和知識點 凸包的計算。3問題與應用（能力要求）理解凸包的計算。第五節 輪廓線1主要內容 輪廓線概念。2基本概念和知識點 輪廓線。3問題與應用（能力要求）理解輪廓線概念。*第六節 等值線（自學）1主要內容 等值線與網格的邊相交的條件，等值線的起點、終點于分枝。2基本概念和知識點 等值線與網格的邊相交的條件，等值線的起點、終點于分枝。3問題與應用（能力要求） 了解等值線與網格的邊相交的條件，等值線的起點、終點于分枝。第七節 圖形的表示法1主要內容 圖形數學表示的若干方法、其它表示方法。2基本概念和知識點數學表示的若干方法、其它表示方法。3問題與應用（能力要求）了解圖形數學表示的若干方法、其它表示方法。第八節 圖形的數據結構1主要內容 圖形的數據結構。2基本概念和知識點 圖形的數據結構。3問題與應用（能力要求）理解圖形的數據結構。*第九節 圖形數據庫（自學）1主要內容 圖形數據庫。2基本概念和知識點 圖形數據庫。3問題與應用（能力要求）了解圖形數據庫。（三） 實踐環節與課后練習編程實現凸包的計算算法。（四） 教學方法與手段課堂板書結合PowerPoint電子教案講授。*第八章 圖形系統的總體設計（選學）（一） 目的與要求1. 掌握圖形系統設計原則；2. 理解圖形系統設計的基本問題；3. 了解圖形系統軟、硬件配置；4. 掌握圖形要素及圖形運算；5. 理解用戶接口形式、用戶接口的設計、基本交互任務組合、用戶接口軟件。 （二） 教學內容第一節 圖形系統設計原則1主要內容圖形系統設計原則。2基本概念和知識點圖形系統設計原則。3問題與應用（能力要求） 掌握圖形系統設計原則。第二節 圖形系統設計的基本問題1主要內容圖形系統設計的基本問題。2基本概念和知識點圖形系統設計的基本問題。3問題與應用（能力要求） 理解圖形系統設