《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)1》課程教學(xué)大綱

《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)1》教學(xué)大綱一、課程基本信息課程名稱計(jì)算機(jī)圖形學(xué)ComputerGraphics課程編碼CST210611025開課院部計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院課程團(tuán)隊(duì)圖形圖像學(xué)分2.5課內(nèi)學(xué)時(shí)44講授32實(shí)驗(yàn)0上機(jī)12實(shí)踐0課外學(xué)時(shí)44適用專業(yè)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)授課語言中文先修課程程序設(shè)計(jì)（C/C++）、高等數(shù)學(xué)（2-2）、線性代數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程簡介（必修）《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的必修課，可以作為其他計(jì)算機(jī)類專業(yè)的選修課，屬于系統(tǒng)軟件技術(shù)系列。本課程以二維圖形和三維圖形的繪制為主線，圖形掃描轉(zhuǎn)換、圖形幾何變換、圖形繪制流程、投影變換、真實(shí)感圖形和曲線曲面表示與繪制作為主要內(nèi)容，討論圖形繪制流程、各步驟實(shí)現(xiàn)及其相關(guān)的方法和原理。本課程旨在繼《高等數(shù)學(xué)（2-2）》、《線性代數(shù)》、《程序設(shè)計(jì)(C/C++)》、《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》等課程后，針對目前數(shù)據(jù)可視化的廣泛應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)知識，結(jié)合計(jì)算機(jī)顯示處理系統(tǒng)，掌握圖形顯示流程的基本原理和方法。引導(dǎo)學(xué)生從工程問題出發(fā)，分析數(shù)據(jù)特點(diǎn)，選擇合適的圖形處理算法，建立圖形處理及顯示的解決方案；除了學(xué)習(xí)應(yīng)用圖形處理知識外，還需具備應(yīng)用模塊化、面向?qū)ο蟮溶浖_發(fā)方法，進(jìn)行圖形軟件開發(fā)的能力，并結(jié)合相關(guān)案例，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的工匠精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)素養(yǎng)。"ComputerGraphics"isacompulsorycourseforcomputerscienceandtechnologymajors.Itcanbeusedasanelectivecourseforothercomputermajorsandbelongstotheseriesofsystemsoftwaretechnology.Thiscoursetakesthedrawingoftwo-dimensionalgraphicsandthree-dimensionalgraphicsasthemainline,andthescanningtransformationofgraphics,geometrictransformationofgraphics,graphicdrawingprocess,projectiontransformation,representationanddrawingofrealisticgraphicsandcurvesandsurfacesasthemaincontents,discussthegraphicdrawingprocess,therealizationofeachstepanditsrelatedmethodsandprinciples.ThiscourseaimstofollowcoursessuchasAdvancedMathematics(2-2),LinearAlgebra,programming(C/C),datastructureandalgorithm,inviewofthewideapplicationofdatavisualizationatpresent,studentsareguidedtoapplymathematicsknowledgeandmasterthebasicprinciplesandmethodsofgraphicdisplayprocessincombinationwithcomputerdisplayandprocessingsystem.Guidestudentstostartfromengineeringproblems,analyzedatacharacteristics,selectappropriategraphicsprocessingalgorithms,andestablishsolutionsforgraphicsprocessinganddisplay.Inadditiontolearningtheknowledgeofappliedgraphicsprocessing,alsoneedtohavetheabilitytoapplymodular,object-orientedandothersoftwaredevelopmentmethodstodevelopgraphicssoftware，combinedwiththerelevantcases,cultivatethestudents'craftsmanspiritandrigorousscientificliteracy.負(fù)責(zé)人大綱執(zhí)筆人審核人二、課程目標(biāo)序號代號課程目標(biāo)OBE畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)任務(wù)自選1M1目標(biāo)1：了解計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的概念、組成和功能，掌握圖形表示、處理和顯示的基本知識，能針對顯示流程中的每個(gè)步驟進(jìn)行計(jì)算，為畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)1.4的達(dá)成提供支持。是1.42M2目標(biāo)2：掌握二維圖形、三維圖形顯示流程的基本步驟，能夠從工程問題出發(fā)，分析數(shù)據(jù)特點(diǎn)，選擇合適的圖形處理算法，建立圖形處理及顯示的解決方案，為畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)1.4的達(dá)成提供支持。是1.43M3目標(biāo)3：掌握計(jì)算機(jī)圖形顯示的完整過程，能夠使用現(xiàn)代的圖形函數(shù)庫及圖形處理硬件，具備應(yīng)用模塊化、面向?qū)ο蟮溶浖_發(fā)方法，進(jìn)行圖形軟件開發(fā)的能力，為畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)5.3的達(dá)成提供一定支持。是5.35.34M4目標(biāo)4：能保障課程正常秩序（政治層面、課堂保障層面，非學(xué)生能力層面）否三、課程內(nèi)容序號章節(jié)號標(biāo)題課程內(nèi)容/重難點(diǎn)支撐課程目標(biāo)課內(nèi)學(xué)時(shí)教學(xué)方式課外學(xué)時(shí)課外環(huán)節(jié)1第一章第一章緒論本章重點(diǎn)難點(diǎn)：圖形圖像定義及表示、圖形學(xué)的研究內(nèi)容。////21.11.1圖形學(xué)的研究內(nèi)容計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的定義；圖形的定義及表示；圖形學(xué)研究內(nèi)容；圖形學(xué)相關(guān)的學(xué)科。M11.0講授1.0自學(xué)31.21.2圖形學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用學(xué)科發(fā)展歷程；圖形軟件及標(biāo)準(zhǔn)；圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域與研究熱點(diǎn)。M1,M31.0講授1.0自學(xué)4第二章第二章計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)概述本章重點(diǎn)難點(diǎn)：光柵掃描系統(tǒng)基本及OpenGL函數(shù)庫。////52.12.1計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)系統(tǒng)組成，顯示設(shè)備，基本功能。M10.5講授0.5自學(xué)62.22.2圖形顯示系統(tǒng)系統(tǒng)組成，隨機(jī)掃描和光柵掃描顯示系統(tǒng)，幀緩存。M1,M30.5講授0.5自學(xué)72.32.3圖形基本軟件系統(tǒng)圖形系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，基本功能及OpenGL介紹。M1,M31.0講授1.0自學(xué)8第三章第三章基本光柵圖形生成技術(shù)線段的中點(diǎn)掃描轉(zhuǎn)換算法及多邊形掃描線掃描轉(zhuǎn)換算法。////93.13.1光柵圖形學(xué)概述顯示過程，圖元掃描轉(zhuǎn)換，像素操作函數(shù)，單/雙緩沖。M10.5講授0.5自學(xué)103.23.2基本線畫圖元生成掃描轉(zhuǎn)換直線段，DDA和中點(diǎn)算法，掃描轉(zhuǎn)換圓弧中點(diǎn)算法。M1,M22.0講授2.0自學(xué)113.33.3填充圖元生成填充圖元表示，生成基本步驟，掃描轉(zhuǎn)換多邊形（逐點(diǎn)判斷與掃描線），種子填充算法。M1,M22.0講授2.0自學(xué)123.43.4OpenGL相關(guān)函數(shù)線畫圖元繪制，填充圖元繪制，線框與著色圖，顏色插值。M30.5講授0.5自學(xué)133.53.5上機(jī)1基本圖形繪制。熟悉OpenGL函數(shù)庫，完成線畫、填充圖元的繪制。M1,M32.0上機(jī)2.0上機(jī)14第四章第四章圖形的幾何變換本章重點(diǎn)難點(diǎn)：齊次坐標(biāo)的定義、基本幾何變換矩陣構(gòu)造及復(fù)合變換的分解與合成。////154.14.1基本幾何變換矩陣及其運(yùn)算，幾何變換的概念及作用，三種基本幾何變換的矩陣及其性質(zhì)。M11.5講授1.5自學(xué)164.24.2齊次坐標(biāo)齊次坐標(biāo)的定義，齊次坐標(biāo)下的幾何變換矩陣，三種基本幾何變換的統(tǒng)一矩陣運(yùn)算。M11.0講授1.0自學(xué)174.34.3復(fù)合變換變換的合成，變換的分解方法及應(yīng)用。M1,M21.0講授1.0自學(xué)184.44.4OpenGL幾何變換幾何變換機(jī)制，變換函數(shù)及其參數(shù)。M30.5講授0.5自學(xué)194.54.4上機(jī)2圖形幾何變換。圖形平移、旋轉(zhuǎn)和放縮三種基本變換的使用以及復(fù)合變換的分解與合成。M2,M32.0上機(jī)2.0上機(jī)20第五章第五章二維圖形的顯示本章重點(diǎn)難點(diǎn)：二維圖形的顯示流程、線段編碼裁剪算法、多邊形逐邊裁剪算法。////215.15.1二維圖形顯示流程二維圖形的顯示流程，裁剪窗口、視區(qū)的定義。M1,M20.5講授0.5自學(xué)225.25.2窗口到視區(qū)的變換窗口和視區(qū)的定義參數(shù)；變換過程的分解；變換矩陣的合成；OpenGL相關(guān)函數(shù)。M1,M31.0講授1.0自學(xué)235.35.3線段裁剪裁剪的定義及主要步驟；直接求交算法；編碼（Cohen-Sutherland）算法；Liang-Barsky算法。M1,M22.0講授2.0自學(xué)245.45.4多邊形裁剪多邊形裁剪的基本方法；Sutherland-Hodgman（逐邊）裁剪算法：裁剪線、內(nèi)外側(cè)空間、多邊形邊與裁剪線的裁剪。M21.5講授1.5自學(xué)25第六章第六章三維圖形的顯示本章重點(diǎn)難點(diǎn)：三維圖形的顯示流程及透視投影變換。////266.16.1平面幾何投影三維圖形表示，坐標(biāo)系；顯示流程及各步驟的主要作用。M1,M21.0講授1.0自學(xué)276.26.2投影變換投影變換定義及分類；觀察坐標(biāo)系、視見體及建立；透視投影和正投影變換矩陣。M11.5講授1.5自學(xué)286.36.3三維圖形顯示流程模型變換；MVP三大變換；三維裁剪。M1,M21.0講授1.0自學(xué)296.46.4OpenGL相關(guān)函數(shù)OpenGL投影矩陣，觀察變換函數(shù)、投影函數(shù)及參數(shù)；三維圖形繪制實(shí)例。。M2,M30.5講授0.5自學(xué)306.56.5上機(jī)33D場景構(gòu)建與漫游。規(guī)則3D物體建模、相機(jī)控制。M2,M34.0上機(jī)4.0上機(jī)31第七章第七章真實(shí)感圖形生成技術(shù)本章重點(diǎn)難點(diǎn)：Z緩沖消隱算法、光照模型及紋理映射方法。////327.17.1消隱技術(shù)消隱技術(shù)基本概念，算法分類，Z緩沖器消隱算法。M11.0講授1.0自學(xué)337.27.2光照技術(shù)環(huán)境光、漫反射及鏡面反射光定義及計(jì)算，簡單光照模型；多邊形繪制的光滑著色方法（Gouraud和Phone方法）。。M1,M22.0講授2.0自學(xué)347.37.3紋理映射紋理及紋理映射的定義；顏色紋理映射技術(shù)，幾何紋理映射技術(shù)，環(huán)境映射技術(shù)。M1,M22.0講授2.0自學(xué)357.47.4OpenGL相關(guān)函數(shù)Z緩沖器消隱函數(shù)使用，光照環(huán)境的設(shè)置，物體表面材料特性設(shè)置，紋理映射函數(shù)使用。M2,M31.0講授1.0自學(xué)367.57.5上機(jī)4真實(shí)感圖形繪制。ZBuffer、紋理映射、光照等特殊效果。M2,M34.0上機(jī)4.0上機(jī)37第八章第八章曲線曲面本章重點(diǎn)難點(diǎn)：參數(shù)曲線表示及Bezier、B樣條曲線曲面。////388.1多項(xiàng)式曲線參數(shù)多項(xiàng)式曲線的表示，生成算法。M1,M21講授1自學(xué)398.2Bezier曲線曲面Bezier曲線基函數(shù)及性質(zhì)；Bezier曲線定義及性質(zhì)，離散生成算法；Bezier曲面。M21.5講授1.5自學(xué)408.3B樣條曲線曲面均勻B樣條曲線定義及性質(zhì)；均勻B樣條曲面。M21.0講授1.0自學(xué)418.4OpenGL相關(guān)函數(shù)Bezier曲線曲面定義、激活及型值點(diǎn)計(jì)算；B樣條曲線曲面生成。M2,M30.5講授0.5自學(xué)四、考核方式序號考核環(huán)節(jié)操作細(xì)節(jié)總評占比1習(xí)題作業(yè)1.每章布置3-5道題目。2.成績采用五級制，根據(jù)作業(yè)完成準(zhǔn)確性、是否按時(shí)上交、是否獨(dú)立完成評分。3.按照教學(xué)的要求，作業(yè)將引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)講授的內(nèi)容(基本概念、基本方法、基本算法)，深入理解相關(guān)的內(nèi)容，鍛煉運(yùn)用所學(xué)知識解決相關(guān)問題的能力，通過對相關(guān)作業(yè)的完成質(zhì)量評價(jià)，為畢業(yè)要求1、2達(dá)成度的評價(jià)提供支持。10%2上機(jī)作業(yè)1.一共4道上機(jī)編程題目。2.成績采用五級制，根據(jù)程序?qū)崿F(xiàn)的功能正確性、執(zhí)行穩(wěn)定性、是否按時(shí)上交、是否獨(dú)立完成評分。3.按照教學(xué)的要求，上機(jī)題將引導(dǎo)學(xué)生在理解圖形繪制的基本步驟、算法基礎(chǔ)上，鍛煉運(yùn)用所學(xué)知識解決相關(guān)圖形處理繪制問題的能力，通過對相關(guān)編程作業(yè)的完成質(zhì)量評價(jià)，為畢業(yè)要求1、2達(dá)成度的評價(jià)提供支持。10%3考勤隨機(jī)點(diǎn)名、刷卡點(diǎn)名等。5%4課堂表現(xiàn)隨機(jī)檢查學(xué)生上課精神狀態(tài)、回答問題情況。5%5期末考試1.閉卷考試，成績采用百分制，卷面成績總分100分。2.期末考試是對學(xué)生學(xué)習(xí)情況的全面檢驗(yàn)。強(qiáng)調(diào)考核學(xué)生對計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本概念、基本方法、基本技術(shù)的掌握程度，考核學(xué)生運(yùn)用所學(xué)方法設(shè)計(jì)解決方案的能力，淡化一般知識、結(jié)論記憶的考查。主要以二維圖形和三維圖形顯示及真實(shí)感圖形處理為主，包括圖形掃描轉(zhuǎn)換、幾何變換、投影變換、光照方程、紋理映射、曲線曲面等。期末考試要起到督促學(xué)生系統(tǒng)掌握包括基本思想方法在內(nèi)的主要內(nèi)容的作用。通過對規(guī)定的考試內(nèi)容掌握的情況，特別是具體的問題求解能力的考核，為畢業(yè)要求1、2達(dá)成度的評價(jià)提供支持。70%五、評分細(xì)則序號課程目標(biāo)考核環(huán)節(jié)大致占比評分等級1M1習(xí)題作業(yè)30%A-按時(shí)提交作業(yè)，對圖形繪制的概念、步驟和相關(guān)算法及計(jì)算等知識點(diǎn)理解無誤。 B-按時(shí)提交作業(yè)，對上述知識點(diǎn)理解存在少量錯誤。 C-按時(shí)提交作業(yè)，對上述知識點(diǎn)理解存在一定量錯誤。 D-按時(shí)提交作業(yè)，但有漏題，且對上述知識點(diǎn)理解存在一定量錯誤。 E-不按時(shí)提交作業(yè)，或?qū)ι鲜鲋R點(diǎn)理解存在大量錯誤。2M1期末考試70%（見試卷評分標(biāo)準(zhǔn)）3M2習(xí)題作業(yè)30%A-按時(shí)提交作業(yè)，正確掌握二維圖形、三維圖形顯示流程的基本步驟，能夠從工程問題出發(fā)，分析數(shù)據(jù)特點(diǎn)，選擇合適的圖形處理算法，建立正確合理的圖形處理及顯示解決方案。B-按時(shí)提交作業(yè)，對上述知識點(diǎn)和能力點(diǎn)理解存在少量錯誤。 C-按時(shí)提交作業(yè)，對上述知識點(diǎn)和能力點(diǎn)理解存在一定量錯誤。 D-按時(shí)提交作業(yè)，但有漏題，且對上述知識點(diǎn)和能力點(diǎn)理解存在一定量錯誤。 E-不按時(shí)提交作業(yè)，或?qū)ι鲜鲋R點(diǎn)和能力點(diǎn)理解存在大量錯誤。4M2期末考試70%（見試卷評分標(biāo)準(zhǔn)）5M3上機(jī)作業(yè)70%A-按時(shí)提交作業(yè)，程序運(yùn)行穩(wěn)定，功能