《視覺藝術編程基礎》課程教學大綱

《視覺藝術編程基礎》課程教學大綱一、課程基本信息課程代碼：課程名稱：視覺藝術編程基礎英文名稱：GraphicsProgrammingFoundationforVisualArt課程類別：學科基礎課（必修）學時：64學分：4適用對象：數(shù)字媒體（藝術）專業(yè)考核方式：考查先修課程：高級語言程序設計、數(shù)據(jù)結構相關課程：計算機圖形學、計算機視覺、美學原理二、課程簡介在數(shù)字媒體藝術中，視覺占了大部分的比重，圖形輸入或顯示設備及其圖形用戶界面成為數(shù)字藝術交互設計（如新媒體藝術，動畫，VR/AR等設計創(chuàng)作）中重要的組成部分。怎么樣利用計算機來生成、處理、和顯示圖形圖像，達到數(shù)字藝術設計創(chuàng)作的效果呢？通過本課程的學習，歡迎同學們來到圖形世界，同學們可以以理解計算機圖形學的原理和圖形繪制的方法為主線，掌握一些高級程序語言支撐圖形編程的基本語法和圖形繪制幾何變換基本元素的運用，學會初步的視覺藝術編程。三、課程性質與教學目的（1）本課程是數(shù)字媒體藝術專業(yè)學生的一門學科基礎課。講授如何通過國際通用的開放式三維圖形標準實現(xiàn)計算機圖形學相關的編程繪制，搭配本專業(yè)培養(yǎng)計劃的“計算機科學與技術”主干學科中的《計算機圖形學》課程學習。（2）通過本課程的學習，學生應能夠了解計算機圖形系統(tǒng)功能結構和可編程渲染流水線，在了解光柵圖形的生成基礎上掌握基本兒何元素繪制的編程方法，熟悉一些實現(xiàn)圖元及其圖元屬性的函數(shù)方法，理解坐標變換、真實感圖形學中光照處理、照相機增強現(xiàn)實和紋理貼圖（映射）的基本概念和編程方法。理解面向對象程序設計思想，掌握初步的視覺藝術編程，為學會利用圖形程序設計、圖形算法設計和圖形軟件嵌入腳本設計做數(shù)字藝術創(chuàng)作設計打下基礎，舉?反三應對更新的設計軟件版本和層出不窮的高級編程語言。四、教學內容及要求第一章認識圖形系統(tǒng)和可編程渲染管線（一）目的與要求了解當前經典的CG技術在計算機動畫和計算機藝術中的應用和研究了解計算機圖形系統(tǒng)和可編程渲染管線?能夠搭建圖形編程實驗環(huán)境（二）教學內容.介紹CG編程技術的發(fā)展史，以及在計算機動畫和計算機藝術中的應用和研究（慕課》.圖形系統(tǒng)簡介：CRT基本原理和從CRT到3D顯示，CG編程中的顏色模型、圖像、像素基本知識：.可編程治染管線簡介.討論有趣的視覺現(xiàn)象和CG黑科技；預留問題：如何獲得更好的實時渲染真實感體驗？.圖形編程思維的起點?樸素的軟光柵：計算機畫一根直線的問題.可編程著色器和著色器效果.演示：環(huán)境搭建過程和旋轉著色立方體布置練習1：《實驗環(huán)境搭建一一MinGW+CMAKE:測試Hell。Window和旋轉著色三角形》【思政】光線跟蹤算法和輻射度算法的提出，標志著真實感圖形的顯示算法已逐漸成熟?！舅颊垦芯慷嗤ǖ勒Z義模型、多通道整合算法及其軟件結構和界面范式是當前用戶界面和接口方面研究的主流方向，而圖形學在其中將起主導作用。（三）教學方法與手段Pearson1-2,19,22；主教1,2.1;華科慕課1；輔教1課堂講授+多媒體教學+Blackboard網(wǎng)絡平臺回顧+PBL教學：以下各章同第二章圖形編程語言程序結構和簡單基本語法、函數(shù)、頭文件、依賴庫——以C/C++/OpenGL為例（一）目的與要求會用程序結構流程圖表達自己的編程思想認識函數(shù)的輸入和輸出、調用能編譯和加載外來模型文件，必要時修改源文件會看幫助文檔，函數(shù)用法說明（用戶手冊）（二）教學內容1）OpenGL圖形標準繪制管線和程序結構簡介2）認識結構流程圖認識函數(shù)的輸入和輸出、調用基本語法：函數(shù)、結構體和類條件語句、循環(huán)語句、開關語句、數(shù)組、變量、向量、列表指針和引用、數(shù)據(jù)類型和類型轉換文件的讀寫注釋D內存問題calloc和new5）頭文件和附加鏈接依賴庫6）（著色器語言）程序調試和測試7）演示：三角形的著色變換和shader程序調用講解練習1輔導：練習2：《線框和填充模式的正六邊形著色》【思政】OpenGL是目前圖形工業(yè)界最廣泛使用的三維圖形編程接口和國際通用的圖形標準，其前身是IrishGL,由于IrisGL缺乏統(tǒng)一的規(guī)范，很難進一步廣泛應用，而OpenGL改進了該圖形接口，特別是其跨平臺性。［思政】盡管OpenGL規(guī)范本身和語言是分開的，但其API從一開始就和C語言有著內在的聯(lián)系。OpenGL2.0之后引入類C語言GLSL,成為了可編程的、基于著色器的API。雖然在當時匯編語言版本的擴展接口具有開創(chuàng)性意義且在當時是很有用的，但它從未被提升為核心的OpenGL功能，而任何想要支持OpenGL2.0實現(xiàn)的硬件廠商，生產出的圖形硬件都必須具備可編程能力并能支持一個用高層語言編寫的著色器。第三章基本幾何元素繪制（一）目的與要求了解OpenGL像素陣列圖元和顯示緩沖區(qū)掌握常用實現(xiàn)圖元及屬性的方法了解畫線算法和畫家算法（二）教學內容1編程方法：1）繪圖準備和結束2）設置點線面等圖元函數(shù)3）設置圖元屬性函數(shù)4）調用著色器程序5）設置圖元的顯示模式2原理概念簡介（恭課）1）OpenGL像素陣列圖元和顯示緩沖區(qū)2）法向量、矢量運算和矩陣運算簡介3）直線段和圓弧的掃描轉換編程算法一一畫線算法4）多邊形的掃描轉換與區(qū)域填充編程算法一一畫家算法5）裁剪、反走樣、消隱、混合6）演示：直線、圓、橢圓生成：OpenGL字符函數(shù)；相應的processing范例程序PointArray7）練習2輔導8）練習3：《通過畫點函數(shù)畫點陣圓盤》、先畫結構流程圖、做測試計劃【思政-討論】計算機中的字符可通過國際標準字符集ASCII碼和國標字符集GB2312-80表示。為了在輸出設備顯示器上顯示，系統(tǒng)必須裝備有相應的字庫，分為點陣型和矢量型兩種。顯示時都要先從字庫里將它們的相關字符信息檢索出來；如果是點陣則需要將表示字符位圖中的每一位像素都寫到幀緩存里，變換時需要對每一像素進行變換；如果是矢量字符則存儲輪廓信息，變換時只要對其第畫端點進行變換就可以了?！舅颊抗鈻艌D形的走樣現(xiàn)象包括鋸齒狀邊界、圖形細節(jié)失真（原本比像素小的圖形變寬、狹小的圖形遺失）等現(xiàn)象。這些失真現(xiàn)象是由用離散量表示連續(xù)量引起，不可避免，但可通過提高分辨率、區(qū)域采樣和加權區(qū)域采樣等反走樣方法減少或消除這種效果。第四章坐標變換和幾何造型繪制（-）目的與要求掌握基本幾何元素繪制方法、熟悉一定圖元函數(shù)和屬性函數(shù)了解矩陣表示和齊次坐標，理解窗口到視口的坐標變換理解OpenGL2D\3D圖形圖像創(chuàng)建和幾何變換編程示例理解參數(shù)化、參數(shù)曲線的代數(shù)和幾何形式、參數(shù)曲面的概念

了解形體的邊界表示模型和網(wǎng)格處理概念?了解非規(guī)則造型的形態(tài)學方法：分形幾何方法、粒子系統(tǒng)和其他過程方法(二)教學內容1)掌握基本幾何元素繪制方法、熟悉一定圖元函數(shù)和屬性函數(shù)r解矩陣表示和齊次坐標，理解窗口到視口的坐標變換OpenGL二維圖形幾何變換編程示例OpenGL三維圖形的幾何變換編程示例，講解旋轉立方體實驗代碼理解參數(shù)化、參數(shù)曲線的代數(shù)和幾何形式、參數(shù)曲面的概念了解形體的邊界表示模型和網(wǎng)格處理概念了解非規(guī)則造型的形態(tài)學方法：分形幾何方法、粒子系統(tǒng)和其他過程方法練習3輔導練習4：《模型導入》10)練習5：《旋轉縮放球的繪制》【思政】現(xiàn)在的美術人員，尤其是商業(yè)藝術人員都熱衷于用計算機軟件從事藝術創(chuàng)作?？捎糜诿佬g創(chuàng)作的軟件很多，如二維平面的畫筆程序(如CorelDraw,Photoshop和PaintShop)'專門的圖表繪制軟件(如Visio)'三維建模和渲染軟件包(如3DMAX,Maya\AE)以及一些專門生成動畫的軟件(如Alias\Softimage\Wavefront\Lightwave3D),圖像和視頻處理庫(OpenCV,Assimp,Cimag,std_imag,Pangolin),矩陣運算處理庫(Eigen,GU(…)，需要注意區(qū)分基礎系統(tǒng)和嵌入系統(tǒng)的使用環(huán)境(如左手系還是右手系的坐標系？由DX支持還是OpenGL支持？是行存儲還是列存儲？)【思政】在早期開發(fā)的實體造型系統(tǒng)中，值得提及的是劍橋大學的BUIL-1系統(tǒng)，5年以后又出現(xiàn)了BUILD-2系統(tǒng)，但都沒有公開使用，更遺憾的是系統(tǒng)的研究小組在1980年也解散了。研究小組的一部分人組建了ShapeData公司，并開發(fā)出實體造型系統(tǒng)Romulus,孕育了著名的實體造型系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境：Parasolid和ACIS.［思政］坐標變換是OpenGL中最重要的操作之一。想象一個場景，擺放若干個模型和一個相機，每個模型及相機都可以通過坐標變換改變自己的位置，朝向，最終通過坐標變換，場景模型才會正確的顯示在屏幕之上。第五章光照處理和紋理貼圖(一)目的與要求形體的投影變換光照處理紋理與表面細節(jié)添加，OpenGL紋理函數(shù)示例光線跟蹤方法和OpenGL可見性檢荏函數(shù)了解實時陰影的生成(二)教學內容)形體的投影變換：透視投影光照處理a)光源和表面光照效果、基本光照模型b)透明、混合、霧氣效果、陰影的生成c)OpenGL光照模型和面繪制函數(shù)示例紋理與表面細節(jié)添加，OpenGL紋理函數(shù)示例：4)5)6)天空盒、法線貼圖和陰影生成工程講解光線跟蹤方法和OpenGL可見性檢查函數(shù)練習4-5輔導練習4)5)6)7）練習7：《縮放旋轉六棱柱的紋理》8）練習8：《修改光照模型和照相機增強現(xiàn)實示例代碼》【思政】紋理貼圖早期的技術是在頂點上設定顏色，每個面片上像素的顏色使用各頂點顏色的插值；后來OpenGL處理紋理的方法是對于每一個像素點，插值得到它的紋理坐標，然后通過紋理坐標讀取圖像中的“像素值”，再根據(jù)這個值來決定像素的顏色。由于讀取出來的紋理圖像“像素值”不一定要被直接用來代表面片像素的顏色，而是有可能作為輸入數(shù)據(jù)通過各種計算來確定最終的顏色，所以通常稱為紋素或者紋理單元（texel）.第六章計算機動畫編程和基于圖像的三維重建（一）目的與要求了解動畫序列的設計了解計算機動畫語言了解關鍵頓系統(tǒng)了解運動的描述、角色動畫和周期性運動（二）教學內容了解動畫序列的設計了解計算機動畫語言了解關健幀系統(tǒng)了解運動的描述、角色動畫和周期性運動了解OpenGLES了解基于圖像的三維重建OpenGL動畫子程序示例OpenGL粒子系統(tǒng)編程示例講解OpenGL實時陰影編程示例講解10）相應Processing范例11）練習6-8輔導12）練習9：《易季花開花謝一一實現(xiàn)透明漸變效果》【思政】世界著名的動畫大師JohnHalas曾經說過“動畫的本質在于運動”，也有人稱動畫為“動的藝術”。計算機動畫與傳統(tǒng)動畫（手繪多張靜態(tài)畫面）都以滿足人眼暫留效應的幀率播放（典型：24幀/秒，最小:8幀/秒），但是計算機動畫在幀的制作上與傳統(tǒng)動畫是有區(qū)別的，即關鍵幀通過數(shù)字化采集方式得到，或者用交互式圖形編輯器生成，對于復雜的形體還可以通過編程來生成。【思政】可以通過在兩個關鍵幀之間的插值幀轉變多邊形的形狀來將一個對象形態(tài)變換到另一個形態(tài)。運動路徑可以通過樣條曲線給出，也可以基于作用力等其他基于物理建模的方式給出?！舅颊繉崟r動畫受到計算機的速度、存儲容量、字長、指令系統(tǒng)及圖形處理能力等因素的限制，要滿足不閃爍的流暢實時感，“時間”是一個致命的限制。利用幀緩存預存逐幀動畫是一種解決方案，但是該放映技術目前還不能實現(xiàn)帶有紋理、反射、透明和陰影等真實感效果的三維實時動畫。期中測驗期末課程設計：綜合應用（校園漫游場景幻變萬花筒特效）五、各教學環(huán)節(jié)學時分配

教學環(huán)節(jié)教學時廣\課程內容^j講課習題課討論課實驗其他教學環(huán)節(jié)小計第一章2114第一早62412第三章62412第四章62210第五章64212第六章4228期中測驗22期末課程設計44合計3012119264六、推薦教材和教學參考資源（1）推薦教材與參考書：ISBN作者書名出版社出版年份978-7-302-20711-5孫家廣胡事民計算機圖形學基礎教程清華大學出版社2009-2020978-7-121-24614-3DHearn;MBaker;WR.Carithers（蔡世杰等譯）計算機圖形學withOpenGL（第四版）Pearson/電子工業(yè)出版社2002-2018978-90-90-33256-7JoeyDeVriesLearnOpenGL-GraphicsProgramming（OpenGL編程指南）/紅寶書20209787-115-36103-5蘇小紅等計算機圖形學實用教程人民郵電出版社2014-2020978-7-115-35232-3JanErikSolenPython計算機視覺編程人民郵電出版社2014978-7-121-13463-0譚亮Processing互動編程藝術電子工業(yè)出版社20117-302-10587-1MarkPriestley面向對象設計UML實踐清華大學出版社20