《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》教學(xué)大綱

《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》教學(xué)大綱課程代碼：08140281課程性質(zhì)：專(zhuān)業(yè)必修課學(xué)分：2.5學(xué)分學(xué)時(shí)：40學(xué)時(shí)先修課程：線性代數(shù)、C程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后續(xù)課程：統(tǒng)計(jì)分析理論、機(jī)器學(xué)習(xí)適用專(zhuān)業(yè)：數(shù)字媒體技術(shù)開(kāi)課單位：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院一、課程說(shuō)明本課程是數(shù)媒技術(shù)等專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)必修課程。其任務(wù)主要包含計(jì)算機(jī)圖像學(xué)圖形系統(tǒng)及硬件，圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及生成算法，二維三維的圖形變換及觀察、曲線與曲面等。使修課學(xué)生理解經(jīng)典的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法，本課程將VC++做為編程平臺(tái)，運(yùn)用大量的實(shí)際操作和案例分析，讓學(xué)生們能更全面、直觀、具體來(lái)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和經(jīng)典算法。二、課程目標(biāo)通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達(dá)到如下目標(biāo)：課程目標(biāo)1：掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本算法，了解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究前沿技術(shù)和未來(lái)發(fā)展方向。課程目標(biāo)2：利用常見(jiàn)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法鍛煉學(xué)生解決圖形學(xué)問(wèn)題的能力，為后續(xù)數(shù)媒技術(shù)專(zhuān)業(yè)課程打下基礎(chǔ)。課程目標(biāo)3：樹(shù)立正確的政治理想和思想道德，培養(yǎng)對(duì)黨和國(guó)家，社會(huì)主義事業(yè)忠誠(chéng)可靠的建設(shè)者和接班人。三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程教學(xué)目標(biāo)對(duì)數(shù)字媒體技術(shù)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)要求的支撐見(jiàn)表1。表1課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)支撐強(qiáng)度1.工程知識(shí):能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)用于解決復(fù)雜數(shù)字媒體技術(shù)工程問(wèn)題。1.1掌握數(shù)學(xué)、自然科學(xué)領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)知識(shí)、工程基礎(chǔ)知識(shí)，并能將其用于本領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題的恰當(dāng)表述；1.2能運(yùn)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)對(duì)數(shù)字媒體領(lǐng)域的復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行建模并求解；1.3能夠運(yùn)用相關(guān)知識(shí)和數(shù)學(xué)模型方法,對(duì)數(shù)字媒體領(lǐng)域的復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行推理分析，并對(duì)問(wèn)題的解決方案進(jìn)行比較、綜合與優(yōu)化。課程目標(biāo)1：掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本算法，了解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究前沿技術(shù)和未來(lái)發(fā)展方向。H3.設(shè)計(jì)/開(kāi)發(fā)解決方案：能夠設(shè)計(jì)針對(duì)復(fù)雜數(shù)字媒體技術(shù)工程問(wèn)題的解決方案，設(shè)計(jì)滿足特定需求的系統(tǒng)、產(chǎn)品等，并能夠在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)，考慮社會(huì)、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素。3.1能夠針對(duì)用戶對(duì)數(shù)字媒體技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)系統(tǒng)的功能及技術(shù)指標(biāo)要求，根據(jù)所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，確定設(shè)計(jì)目標(biāo)；3.2能針對(duì)數(shù)字媒體領(lǐng)域各個(gè)層次復(fù)雜工程問(wèn)題的特定需求，進(jìn)行數(shù)字媒體系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)，進(jìn)而完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)；3.3能夠在數(shù)字媒體及其相關(guān)領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、測(cè)試等環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)業(yè)精神，并能綜合考慮社會(huì)、健康、安全、法律、文化及環(huán)境因素的影響。課程目標(biāo)2：利用常見(jiàn)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法鍛煉學(xué)生解決圖形學(xué)問(wèn)題的能力，為后續(xù)數(shù)媒技術(shù)專(zhuān)業(yè)課程打下基礎(chǔ)。H6.工程與社會(huì)：能夠基于數(shù)字媒體技術(shù)工程相關(guān)背景知識(shí)進(jìn)行合理分析、評(píng)價(jià)本專(zhuān)業(yè)的工程實(shí)踐和復(fù)雜數(shù)字媒體技術(shù)工程問(wèn)題解決方案對(duì)社會(huì)、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任。6.1熟悉數(shù)字媒體技術(shù)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)、產(chǎn)業(yè)政策和法律法規(guī)，了解企業(yè)文化方面的知識(shí)。6.2能分析和評(píng)價(jià)解決方案對(duì)社會(huì)、健康、安全、法律以及文化的影響，以及這些制約因素對(duì)方案實(shí)施的影響，并理解應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任。課程目標(biāo)3：樹(shù)立正確的政治理想和思想道德，培養(yǎng)對(duì)黨和國(guó)家，社會(huì)主義事業(yè)忠誠(chéng)可靠的建設(shè)者和接班人。M注：表中“H（高）、M（中）、L（弱）”表示課程與畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度。四、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配1.理論教學(xué)部分理論部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配見(jiàn)表2。表2教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求，教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)理論學(xué)時(shí)對(duì)應(yīng)的課程目標(biāo)1.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及其相關(guān)概念1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展1.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用1.4計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究動(dòng)態(tài)教學(xué)要求：理解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)概念；了解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)藝術(shù)、醫(yī)療衛(wèi)生等方面的應(yīng)用；了解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、游戲引擎、虛擬現(xiàn)實(shí)等方面的研究動(dòng)態(tài)。重點(diǎn):計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的概念以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的對(duì)象。難點(diǎn):計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究動(dòng)態(tài)。21、32.計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)及圖形硬件2.1計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)概述2.2圖形顯示設(shè)備2.3圖形顯示子系統(tǒng)2.4OpenGL圖形軟件包教學(xué)要求：理解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)；掌握光柵掃描圖形顯示子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；掌握OpenGL的主要功能和基本語(yǔ)法。重點(diǎn):掌握?qǐng)D形顯示設(shè)備概念、結(jié)構(gòu)原理、工作方式以及特點(diǎn)。難點(diǎn):掌握OpenGL圖形軟件包的基本語(yǔ)法，實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的OpenGL程序。413.用戶接口與交互式技術(shù)3.1用戶接口設(shè)計(jì)3.2邏輯輸入設(shè)備與輸入處理3.3交互式繪圖技術(shù)教學(xué)要求：掌握用戶模型及顯示屏的有效利用方法；掌握邏輯輸入設(shè)備和輸入模式方法；了解基本交互式繪圖技術(shù)及三維交互技術(shù)。重點(diǎn):理解邏輯輸入設(shè)備。難點(diǎn):利用OpenGL實(shí)現(xiàn)橡皮筋技術(shù)。41、24．圖形的表示與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4.1基本概念4.2三維形體的表示4.3非規(guī)則對(duì)象表示教學(xué)要求：掌握基本圖形元素、幾何信息與拓?fù)湫畔?、坐?biāo)系、實(shí)體的定義、實(shí)體等概念的定義；掌握多邊形表面模型、掃描表示、構(gòu)造實(shí)體幾何法；掌握分形幾何、形狀語(yǔ)法、粒子系統(tǒng)、基于物理的建模、數(shù)據(jù)場(chǎng)的可視化。重點(diǎn):多邊形表面模型以及實(shí)體的定義。難點(diǎn):正則集合運(yùn)算。61、25.基本圖形生成算法5.1直線的掃描轉(zhuǎn)換5.2圓的掃描轉(zhuǎn)換5.3橢圓的掃描轉(zhuǎn)換5.4多邊形的掃描轉(zhuǎn)換與區(qū)域填充5.5反走樣教學(xué)要求：掌握數(shù)值微分法、中點(diǎn)Bresenham算法、Bresenham算法、八分法畫(huà)圓、中點(diǎn)Bresenham畫(huà)圓算法；了解橢圓的特征、橢圓的中點(diǎn)Bresenham算法；可利用多邊形的掃描轉(zhuǎn)換、邊緣填充算法、區(qū)域填充實(shí)現(xiàn)對(duì)多邊形掃描轉(zhuǎn)換和區(qū)域填充。重點(diǎn):圓的畫(huà)法以及多邊形掃描轉(zhuǎn)換與區(qū)域填充。難點(diǎn):如何在指定的輸出設(shè)備上根據(jù)坐標(biāo)描述構(gòu)造基本二維幾何圖形。41、26．二維變換及二維觀察6.1基本概念6.2基本幾何變換6.3復(fù)合變換6.4二維觀察6.5裁剪教學(xué)要求：掌握平移變換、比例變換、旋轉(zhuǎn)變換、對(duì)稱(chēng)變換、錯(cuò)切變換等概念；能夠理解二維復(fù)合平移變換和比例變換、二維復(fù)合旋轉(zhuǎn)變換、其他二維復(fù)合變換、坐標(biāo)系之間變換等復(fù)合算法的應(yīng)用環(huán)境；掌握用戶坐標(biāo)系到觀察坐標(biāo)系的變換的規(guī)律以及直線段的裁剪方法。重點(diǎn):如何對(duì)二維圖形進(jìn)行方向、尺寸和形狀方面的變換。難點(diǎn):如何進(jìn)行二維觀察。41、37．三維變換及三維觀察7.1三維變換基本概念7.2三維幾何變換7.3三維投影變換7.4透視投影7.5三維觀察流程7.6三維裁剪教學(xué)要求：掌握幾何變換、三維齊次坐標(biāo)變換矩陣、平面幾何投影等概念；掌握三維基本幾何變換、三維復(fù)合變換、正投影、斜投影、三點(diǎn)透視等方法；理解用戶坐標(biāo)系到觀察坐標(biāo)系的變換、平行投影的規(guī)范化投影變換、透視投影的規(guī)范化投影變換、關(guān)于規(guī)范化觀察空間的剪裁方法。重點(diǎn):如何進(jìn)行投影變換。難點(diǎn):如何方便地實(shí)現(xiàn)在顯示設(shè)備上對(duì)三維圖形進(jìn)行觀察。42、38．曲線與曲面8.1基本概念8.2三次樣條8.3Bezier曲線/曲面8.4B樣條曲線/曲面教學(xué)要求：掌握Bezier曲線的定義、性質(zhì)和生成；了解B樣條曲線的性質(zhì)和B樣條曲面的相關(guān)概念。重點(diǎn):各類(lèi)型的曲線/曲面的概念與性質(zhì)。難點(diǎn):B樣條曲線/曲面。21、39.復(fù)習(xí)教學(xué)要求：帶領(lǐng)學(xué)生們復(fù)習(xí)學(xué)習(xí)過(guò)的內(nèi)容。重點(diǎn)：具體算法的應(yīng)用。難點(diǎn)：如何形成知識(shí)體系。21、2、3合計(jì)322.實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配見(jiàn)表3。表3實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)對(duì)應(yīng)的課程目標(biāo)1.基本圖形生成算法實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：直線的掃描轉(zhuǎn)換、圓的掃描轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)要求：掌握直線和圓的掃描轉(zhuǎn)換方法，判斷轉(zhuǎn)換方式的優(yōu)劣。22，32.二維變換及二維觀察實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：平移變換、比例變換、用戶坐標(biāo)系到觀察坐標(biāo)系的變換規(guī)律。實(shí)驗(yàn)要求：掌握二維用戶坐標(biāo)系到觀察坐標(biāo)系的變換的規(guī)律。41，2，33.三維變換及三維觀察實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：幾何變換、用戶坐標(biāo)系到觀察坐標(biāo)系的變換。實(shí)驗(yàn)要求：掌握三維用戶坐標(biāo)系到觀察坐標(biāo)系的變換的規(guī)律。21，2合計(jì)8五、教學(xué)方法及手段本課程以課堂講授為主，采用啟發(fā)式、討論式教學(xué)和案例教學(xué)等，促進(jìn)學(xué)生積極思考，開(kāi)發(fā)學(xué)生的潛能，培養(yǎng)學(xué)生思考問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力；以“少而精”為原則，精選教學(xué)內(nèi)容，精講多練；安排習(xí)題課，鞏固課堂所學(xué)知識(shí)；提供靈活的自主學(xué)習(xí)平臺(tái)和拓展資源。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過(guò)案例教學(xué)和驗(yàn)證以掌握基本理論、基本知識(shí)和基本技能。培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)際動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。在實(shí)驗(yàn)前學(xué)生應(yīng)復(fù)習(xí)和掌握與本實(shí)驗(yàn)有關(guān)的教學(xué)內(nèi)容；在實(shí)驗(yàn)中要嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)紀(jì)律，按操作規(guī)程使用儀器；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，按規(guī)定對(duì)儀器進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)；每完成一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，要認(rèn)真完成一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告。六、課程資源1.推薦教材（1）GabrielGambetta.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)入門(mén)3D渲染指南人民郵電出版社.2020.（2）陸楓，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)(第3版)，電子工業(yè)出版社，2018..2.參考書(shū)（1）孫家廣.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（第三版）.清華大學(xué)出版社.1999.（2）徐文鵬.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)(OpenGL版)(第2版).清華大學(xué)出版社.2020.（3）JohnF.Huges.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理及實(shí)踐(原書(shū)第3版)(基礎(chǔ)篇).機(jī)械工業(yè)出版社,2018.（4）EdwardAngel.交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)——基于WebGL的自頂向下方法(第七版)電子工業(yè)出版社.2016（5）黃華.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ).清華大學(xué)出版社.2020.3.期刊（1）《計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)》國(guó)內(nèi)刊號(hào)：CN11-1826/TP國(guó)際刊號(hào)：ISSN0254-4164（2）《計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)》國(guó)內(nèi)刊號(hào)：CN11-2925/TP國(guó)際刊號(hào)：ISSN1003-9775（3）王笑琨,班曉娟,王佳敏,宋重明,王勇.面向多相流模擬的體積通量無(wú)散度SPH方法徐衍睿,2022,34(11).（4）KumarapuL,MukherjeeP.AnimePose:Multi-person3Dposeestimationandanimation.《PatternRecognitionLetters》,2021,147(2).4.網(wǎng)絡(luò)資源（1）慕課網(wǎng)-計(jì)算機(jī)圖形學(xué)：/course/HUST-1003636001?from=searchPage&outVendor=zw_mooc_pcssjg_七、課程考核對(duì)課程目標(biāo)的支撐課程成績(jī)由過(guò)程性考核成績(jī)和期末考核成績(jī)兩部分構(gòu)成，具體考核/評(píng)價(jià)細(xì)則及對(duì)課程目標(biāo)的支撐關(guān)系見(jiàn)表4。表4課程考核對(duì)課程目標(biāo)的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評(píng)價(jià)細(xì)則課程目標(biāo)123過(guò)程性考核課堂表現(xiàn)15（1）根據(jù)課堂出勤情況和課堂回答問(wèn)題情況進(jìn)行考核，滿分100分。（2）以平時(shí)考核成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)。√√√447實(shí)驗(yàn)15（1）根據(jù)每個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)操作完成情況和實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量單獨(dú)評(píng)分，滿分100分；（2）每次實(shí)驗(yàn)單獨(dú)評(píng)分，取各次實(shí)驗(yàn)成績(jī)的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績(jī)。（3）以實(shí)驗(yàn)成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)?！獭?10作業(yè)20（1）主要考核學(xué)生對(duì)各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨(dú)評(píng)分，取各次成績(jī)的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績(jī)。（3）以作業(yè)成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)?！獭獭?68期末考核50（1）卷面成績(jī)100分，以卷面成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)。（2）主要考核基本計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本概念和算法，主要包括計(jì)算機(jī)圖形軟硬件系統(tǒng)、圖形生成算法、二維變換及二維觀察、三維變換及三維觀察、曲線與曲面等。（3）考試題型為填空題、選擇題、判斷題和分析題?！獭獭?525合計(jì)：100分404515八、考核與成績(jī)?cè)u(píng)定1.考核方式及成績(jī)?cè)u(píng)定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、實(shí)驗(yàn)與期末考試等方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核評(píng)價(jià)。考核基本要求：考核總成績(jī)由期末試卷成績(jī)、課堂表現(xiàn)、作業(yè)評(píng)價(jià)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告等過(guò)程性評(píng)價(jià)成績(jī)組成。其中：期末試卷成績(jī)?yōu)?00分，權(quán)重為50%，試題類(lèi)型為填空題、選擇題、判斷題、計(jì)算題，程序設(shè)計(jì)等類(lèi)型；平時(shí)成績(jī)包括可以包括課堂表現(xiàn)、作業(yè)評(píng)價(jià)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告共100分，權(quán)重為50%；過(guò)程性評(píng)價(jià)和考試試題分值分配應(yīng)與教學(xué)大綱各章節(jié)的學(xué)時(shí)基本成比例。2.過(guò)程性考核成績(jī)的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程性考核方式重點(diǎn)考核內(nèi)容、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、所占比重見(jiàn)表5。表5過(guò)程性考核方式評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60課堂表現(xiàn)30積極參與教學(xué)活動(dòng)，踴躍回答問(wèn)題，簽到率大于95%。認(rèn)真參與教學(xué)活動(dòng)，回答問(wèn)題準(zhǔn)，簽到率大于90%。偶爾參與教學(xué)活動(dòng)，回答問(wèn)題，簽到率大于85%。上課不認(rèn)真，偶爾參與教學(xué)活動(dòng)，簽到率大于80%。上課不認(rèn)真，不參與教學(xué)活動(dòng)，簽到率低于80%。作業(yè)40作業(yè)完整，思路清晰，準(zhǔn)確率大于90%，字跡工整。作業(yè)完整，準(zhǔn)確率大于80%，字跡工整。不交作業(yè)2次以內(nèi)，準(zhǔn)