《计算机图形学1》课程教学大纲

《计算机图形学1》教学大纲一、课程基本信息课程名称计算机图形学ComputerGraphics课程编码CST210611025开课院部计算机科学与技术学院课程团队图形图像学分2.5课内学时44讲授32实验0上机12实践0课外学时44适用专业计算机科学与技术授课语言中文先修课程程序设计（C/C++）、高等数学（2-2）、线性代数、数据结构与算法课程简介（必修）《计算机图形学》是计算机科学与技术专业的必修课，可以作为其他计算机类专业的选修课，属于系统软件技术系列。本课程以二维图形和三维图形的绘制为主线，图形扫描转换、图形几何变换、图形绘制流程、投影变换、真实感图形和曲线曲面表示与绘制作为主要内容，讨论图形绘制流程、各步骤实现及其相关的方法和原理。本课程旨在继《高等数学（2-2）》、《线性代数》、《程序设计(C/C++)》、《数据结构与算法》等课程后，针对目前数据可视化的广泛应用，引导学生应用数学知识，结合计算机显示处理系统，掌握图形显示流程的基本原理和方法。引导学生从工程问题出发，分析数据特点，选择合适的图形处理算法，建立图形处理及显示的解决方案；除了学习应用图形处理知识外，还需具备应用模块化、面向对象等软件开发方法，进行图形软件开发的能力，并结合相关案例，培养学生精益求精的工匠精神和严谨的科学素养。"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.负责人大纲执笔人审核人二、课程目标序号代号课程目标OBE毕业要求指标点任务自选1M1目标1：了解计算机图形系统的概念、组成和功能，掌握图形表示、处理和显示的基本知识，能针对显示流程中的每个步骤进行计算，为毕业要求指标点1.4的达成提供支持。是1.42M2目标2：掌握二维图形、三维图形显示流程的基本步骤，能够从工程问题出发，分析数据特点，选择合适的图形处理算法，建立图形处理及显示的解决方案，为毕业要求指标点1.4的达成提供支持。是1.43M3目标3：掌握计算机图形显示的完整过程，能够使用现代的图形函数库及图形处理硬件，具备应用模块化、面向对象等软件开发方法，进行图形软件开发的能力，为毕业要求指标点5.3的达成提供一定支持。是5.35.34M4目标4：能保障课程正常秩序（政治层面、课堂保障层面，非学生能力层面）否三、课程内容序号章节号标题课程内容/重难点支撑课程目标课内学时教学方式课外学时课外环节1第一章第一章绪论本章重点难点：图形图像定义及表示、图形学的研究内容。////21.11.1图形学的研究内容计算机图形学的定义；图形的定义及表示；图形学研究内容；图形学相关的学科。M11.0讲授1.0自学31.21.2图形学的发展与应用学科发展历程；图形软件及标准；图形学的应用领域与研究热点。M1,M31.0讲授1.0自学4第二章第二章计算机图形系统概述本章重点难点：光栅扫描系统基本及OpenGL函数库。////52.12.1计算机图形系统系统组成，显示设备，基本功能。M10.5讲授0.5自学62.22.2图形显示系统系统组成，随机扫描和光栅扫描显示系统，帧缓存。M1,M30.5讲授0.5自学72.32.3图形基本软件系统图形系统层次结构，基本功能及OpenGL介绍。M1,M31.0讲授1.0自学8第三章第三章基本光栅图形生成技术线段的中点扫描转换算法及多边形扫描线扫描转换算法。////93.13.1光栅图形学概述显示过程，图元扫描转换，像素操作函数，单/双缓冲。M10.5讲授0.5自学103.23.2基本线画图元生成扫描转换直线段，DDA和中点算法，扫描转换圆弧中点算法。M1,M22.0讲授2.0自学113.33.3填充图元生成填充图元表示，生成基本步骤，扫描转换多边形（逐点判断与扫描线），种子填充算法。M1,M22.0讲授2.0自学123.43.4OpenGL相关函数线画图元绘制，填充图元绘制，线框与着色图，颜色插值。M30.5讲授0.5自学133.53.5上机1基本图形绘制。熟悉OpenGL函数库，完成线画、填充图元的绘制。M1,M32.0上机2.0上机14第四章第四章图形的几何变换本章重点难点：齐次坐标的定义、基本几何变换矩阵构造及复合变换的分解与合成。////154.14.1基本几何变换矩阵及其运算，几何变换的概念及作用，三种基本几何变换的矩阵及其性质。M11.5讲授1.5自学164.24.2齐次坐标齐次坐标的定义，齐次坐标下的几何变换矩阵，三种基本几何变换的统一矩阵运算。M11.0讲授1.0自学174.34.3复合变换变换的合成，变换的分解方法及应用。M1,M21.0讲授1.0自学184.44.4OpenGL几何变换几何变换机制，变换函数及其参数。M30.5讲授0.5自学194.54.4上机2图形几何变换。图形平移、旋转和放缩三种基本变换的使用以及复合变换的分解与合成。M2,M32.0上机2.0上机20第五章第五章二维图形的显示本章重点难点：二维图形的显示流程、线段编码裁剪算法、多边形逐边裁剪算法。////215.15.1二维图形显示流程二维图形的显示流程，裁剪窗口、视区的定义。M1,M20.5讲授0.5自学225.25.2窗口到视区的变换窗口和视区的定义参数；变换过程的分解；变换矩阵的合成；OpenGL相关函数。M1,M31.0讲授1.0自学235.35.3线段裁剪裁剪的定义及主要步骤；直接求交算法；编码（Cohen-Sutherland）算法；Liang-Barsky算法。M1,M22.0讲授2.0自学245.45.4多边形裁剪多边形裁剪的基本方法；Sutherland-Hodgman（逐边）裁剪算法：裁剪线、内外侧空间、多边形边与裁剪线的裁剪。M21.5讲授1.5自学25第六章第六章三维图形的显示本章重点难点：三维图形的显示流程及透视投影变换。////266.16.1平面几何投影三维图形表示，坐标系；显示流程及各步骤的主要作用。M1,M21.0讲授1.0自学276.26.2投影变换投影变换定义及分类；观察坐标系、视见体及建立；透视投影和正投影变换矩阵。M11.5讲授1.5自学286.36.3三维图形显示流程模型变换；MVP三大变换；三维裁剪。M1,M21.0讲授1.0自学296.46.4OpenGL相关函数OpenGL投影矩阵，观察变换函数、投影函数及参数；三维图形绘制实例。。M2,M30.5讲授0.5自学306.56.5上机33D场景构建与漫游。规则3D物体建模、相机控制。M2,M34.0上机4.0上机31第七章第七章真实感图形生成技术本章重点难点：Z缓冲消隐算法、光照模型及纹理映射方法。////327.17.1消隐技术消隐技术基本概念，算法分类，Z缓冲器消隐算法。M11.0讲授1.0自学337.27.2光照技术环境光、漫反射及镜面反射光定义及计算，简单光照模型；多边形绘制的光滑着色方法（Gouraud和Phone方法）。。M1,M22.0讲授2.0自学347.37.3纹理映射纹理及纹理映射的定义；颜色纹理映射技术，几何纹理映射技术，环境映射技术。M1,M22.0讲授2.0自学357.47.4OpenGL相关函数Z缓冲器消隐函数使用，光照环境的设置，物体表面材料特性设置，纹理映射函数使用。M2,M31.0讲授1.0自学367.57.5上机4真实感图形绘制。ZBuffer、纹理映射、光照等特殊效果。M2,M34.0上机4.0上机37第八章第八章曲线曲面本章重点难点：参数曲线表示及Bezier、B样条曲线曲面。////388.1多项式曲线参数多项式曲线的表示，生成算法。M1,M21讲授1自学398.2Bezier曲线曲面Bezier曲线基函数及性质；Bezier曲线定义及性质，离散生成算法；Bezier曲面。M21.5讲授1.5自学408.3B样条曲线曲面均匀B样条曲线定义及性质；均匀B样条曲面。M21.0讲授1.0自学418.4OpenGL相关函数Bezier曲线曲面定义、激活及型值点计算；B样条曲线曲面生成。M2,M30.5讲授0.5自学四、考核方式序号考核环节操作细节总评占比1习题作业1.每章布置3-5道题目。2.成绩采用五级制，根据作业完成准确性、是否按时上交、是否独立完成评分。3.按照教学的要求，作业将引导学生复习讲授的内容(基本概念、基本方法、基本算法)，深入理解相关的内容，锻炼运用所学知识解决相关问题的能力，通过对相关作业的完成质量评价，为毕业要求1、2达成度的评价提供支持。10%2上机作业1.一共4道上机编程题目。2.成绩采用五级制，根据程序实现的功能正确性、执行稳定性、是否按时上交、是否独立完成评分。3.按照教学的要求，上机题将引导学生在理解图形绘制的基本步骤、算法基础上，锻炼运用所学知识解决相关图形处理绘制问题的能力，通过对相关编程作业的完成质量评价，为毕业要求1、2达成度的评价提供支持。10%3考勤随机点名、刷卡点名等。5%4课堂表现随机检查学生上课精神状态、回答问题情况。5%5期末考试1.闭卷考试，成绩采用百分制，卷面成绩总分100分。2.期末考试是对学生学习情况的全面检验。强调考核学生对计算机图形学的基本概念、基本方法、基本技术的掌握程度，考核学生运用所学方法设计解决方案的能力，淡化一般知识、结论记忆的考查。主要以二维图形和三维图形显示及真实感图形处理为主，包括图形扫描转换、几何变换、投影变换、光照方程、纹理映射、曲线曲面等。期末考试要起到督促学生系统掌握包括基本思想方法在内的主要内容的作用。通过对规定的考试内容掌握的情况，特别是具体的问题求解能力的考核，为毕业要求1、2达成度的评价提供支持。70%五、评分细则序号课程目标考核环节大致占比评分等级1M1习题作业30%A-按时提交作业，对图形绘制的概念、步骤和相关算法及计算等知识点理解无误。 B-按时提交作业，对上述知识点理解存在少量错误。 C-按时提交作业，对上述知识点理解存在一定量错误。 D-按时提交作业，但有漏题，且对上述知识点理解存在一定量错误。 E-不按时提交作业，或对上述知识点理解存在大量错误。2M1期末考试70%（见试卷评分标准）3M2习题作业30%A-按时提交作业，正确掌握二维图形、三维图形显示流程的基本步骤，能够从工程问题出发，分析数据特点，选择合适的图形处理算法，建立正确合理的图形处理及显示解决方案。B-按时提交作业，对上述知识点和能力点理解存在少量错误。 C-按时提交作业，对上述知识点和能力点理解存在一定量错误。 D-按时提交作业，但有漏题，且对上述知识点和能力点理解存在一定量错误。 E-不按时提交作业，或对上述知识点和能力点理解存在大量错误。4M2期末考试70%（见试卷评分标准）5M3上机作业70%A-按时提交作业，程序运行稳定，功能