計算機圖形學 教學大綱

第頁計算機圖形學一、課程說明課程編號：090238Z10課程名稱：計算機圖形學/ComputerGraphics課程類別：選修課學時/學分：32/2先修課程：高等數(shù)學A1（130701X10，130701X20）、線性代數(shù)（130711X10）適用專業(yè)：計算機科學與技術教材、教學參考書：1.《計算機圖形學》（第三版中譯本），(美)赫恩(DonaldHearn)/(美)M.PaulineBaker，電子工業(yè)出版社2.《OpenGL編程指南》（第7版）\o"DaveShreiner"(美)DaveShreiner，機械工業(yè)出版社，2010二、課程設置的目的意義計算機圖形學是為計算機科學與技術專業(yè)設立的拓展知識體系的專業(yè)選修課，課程的設置目的是讓學生通過課程的修習，掌握計算機圖形學的基本概念和基本算法，了解現(xiàn)代圖形流水線和3D圖形工業(yè)，培養(yǎng)用程序設計解決工程問題的能力，培養(yǎng)對工程問題進行數(shù)學建模的能力，與產(chǎn)業(yè)界的知識體系與技能需求對接，為今后從事相關行業(yè)的研究和開發(fā)工作奠定基礎。三、課程的基本要求知識：了解計算機圖形學的基本概念，掌握計算機圖形學必備的數(shù)學基礎，了解圖形學流水線的基本知識；掌握幾何建模的基本知識；掌握渲染的基本技術；掌握圖形學的基本編程技術；掌握OpenGL等標準庫的基本使用方法；建立圖形學程序的基本思維方式；形成計算機圖形學的基本知識結構。能力：能夠使用數(shù)學工具，對工程中的圖形學問題進行建模；能夠采用幾何建模、渲染技術，解決圖形學中相關的工程問題；能夠開發(fā)圖形學程序；在程序設計、計算機圖形學、數(shù)學建模的交叉知識的討論和應用中培養(yǎng)創(chuàng)新意識，提高分析、發(fā)現(xiàn)、研究和解決問題的能力。素質：建立數(shù)學模型-數(shù)據(jù)表達-圖形學技術的綜合觀念；建立問題驅動的思維方式；通過合作開發(fā)，培養(yǎng)團隊合作意識和領導組織能力；通過課外導學的模式，提升自主學習和終身學習的意識，形成不斷學習和適應發(fā)展的素質。四、教學內容、重點難點及教學設計章節(jié)教學內容總學時學時分配教學重點教學難點教學方案設計（含教學方法、教學手段）講課(含研討)實踐第1章計算機圖形學概述2講課1研討101.圖形學概念；2.圖形學的應用；3.圖形學的發(fā)展歷史；4.圖形學技術分類；教學思路：使用圖形學在產(chǎn)業(yè)界和學術界的的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀的資料，介紹圖形學概論。多媒體（視頻、交互圖形程序）展示圖形學的應用；小組討論；第2章三維圖形表達2講課1.5研討0.501.三維圖形表達對數(shù)據(jù)結構的要求；2.數(shù)據(jù)結構的設計思路；3.數(shù)據(jù)結構的優(yōu)劣評價；4.現(xiàn)有的三維圖形表達數(shù)據(jù)結構；5.在數(shù)據(jù)結構上的基本操作；三維圖形表達的數(shù)據(jù)結構教學思路：采用目標驅動的方式，對多種數(shù)據(jù)結構進行討論和比較，探討各種任務的算法復雜度。基于小組討論的啟發(fā)式教學；多媒體材料展示圖形數(shù)據(jù)結構的操作；第3章圖形學的數(shù)學基礎2講課1研討101.矢量的基本運算；2.基于矢量運算的投影、求交算法；3、重心坐標；基于矢量的投影、求交算法教學思路：通過實例，討論圖形學中各類典型問題的數(shù)學模型，講解相關的數(shù)學基礎。課程講授；習題答疑；第4章OpenGL編程基礎2講課1研討101.OpenGL編程環(huán)境；2.OpenGL語法；3.OpenGL機制；4.界面編程；1.OpenGL語法2.OpenGL機制教學思路：通過程序設計實例，展示圖形學編程的基本技術，講解OpenGL的原理和基本用法。程序設計演示；現(xiàn)場編程練習；第5章三維觀察2講課201.頂點變換；2.三維變換的數(shù)學表達；三維變換的數(shù)學表達教學思路：通過現(xiàn)實世界照相機與OpenGL機制的對比，講解三維觀察的基本原理。多媒體課堂講授；第6章OpenGL程序設計2講課0.5研討1.501.模型觀察程序的代碼框架；2.簡單模型的繪制；3.三維變換交互的程序實現(xiàn)；1.模型觀察程序的代碼框架；2.簡單模型的繪制；3.三維變換交互的程序實現(xiàn)教學思路：通過復雜的圖形學編程任務，講解圖形學程序的基本開發(fā)技術和思想。程序設計演示；現(xiàn)場編程練習；第7章紋理貼圖2講課1.5研討0.501.紋理貼圖的目的；2.紋理貼圖的數(shù)學模型；3.紋理映射程序實現(xiàn)；紋理映射的程序實現(xiàn)教學思路：從直觀理解、數(shù)學模型、程序實現(xiàn)三個層次，逐步加深對紋理映射的認識。程序設計演示；現(xiàn)場編程練習；第8章自由曲線4講課3研討101.自由曲線造型概論；2.參數(shù)樣條表達；3.Bezier曲線；4.B樣條曲線；5.NURBS曲線；6.OpenGL曲線繪制1.Bezier曲線；2.B樣條曲線；3.NURBS曲線；4.OpenGL曲線繪制教學思路：由任務驅動，講解自由曲線的必要性和設計理念，深入到它的表達和性質，并編程實現(xiàn)。多媒體課堂講授；程序設計演示；現(xiàn)場編程練習；第9章自由曲面2講課201.參數(shù)曲面設計基本概念；2.Bezier曲面；3.B樣條曲面；4.NURBS曲面1.Bezier曲面；2.B樣條曲面；3.NURBS曲面教學思路：結合紋理貼圖與自由曲線設計，講解自由曲面擴展。課堂講授第10章B樣條曲線繪制程序設計2講課0.5研討1.501.B樣條曲線繪制程序設計1.B樣條曲線繪制程序設計教學思路：深入分析B樣條曲線的性質和算法復雜度，討論其快速繪制方法。程序設計演示；現(xiàn)場編程練習；第11章真實感繪制2講課1研討101.真實感繪制的要素2.OpenGL繪制機制與真實感繪制的區(qū)別；3.光線跟蹤概述；4.光照明模型概述1.OpenGL繪制機制與真實感繪制的區(qū)別；2.光線跟蹤概述；教學思路：介紹當前真實感繪制的最新進展和應用，通過實例介紹真實感繪制的要素和關鍵技術。課堂講授；互動程序演示；小組討論；第12章光照明模型2講課1.5研討0.501.簡單光照明模型；2.明暗處理；3.全局光照明模型；4.光線跟蹤1.簡單光照明模型；2.全局光照明模型；3.光線跟蹤教學思路：通過對不同光照明模型的對比分析，展示光照明模型的各個部分與關鍵因素，深入分析其物理機制。代碼講解；小組討論；第13章光線求交與加速數(shù)據(jù)結構2講課201.光線與場景對象求交；2.加速數(shù)據(jù)結構；1.光線與場景對象求交；2.加速數(shù)據(jù)結構；教學思路：采用任務驅動的思路，從算法復雜度入手，分析光線求交與加速數(shù)據(jù)結構的基本技術。多媒體課堂講授；第14章光線跟蹤大型程序演示與聯(lián)系4講課1研討301.光線跟蹤過程演示；2.光線跟蹤程序框架；3.求交程序實現(xiàn)；4.加速程序實現(xiàn)；1.光線跟蹤程序框架；2.求交程序實現(xiàn)；3.加速程序實現(xiàn)；教學思路：注重實際工程能力，講解大型作業(yè)中的技術難點。代碼講解；現(xiàn)場編程練習；注：實踐包括實驗、上機等五、實踐教學內容和基本要求實踐教學內容和基本要求（課外進行，課內考核）：1.基于OpenGL的三維模型觀察程序設計；要求：在給定程序框架的基礎上，進行程序設計；完成載入三維模型文件、繪制三維模型、三維交互等基本功能；2.B樣條曲線繪制程序設計要求：用C語言和OpenGL開發(fā)B樣條曲線繪制程序，完成載入B樣條曲線文件、繪制任意4次B樣條曲線等功能；3.光線跟蹤程序設計要求：在給定程序框架的基礎上，進行程序設計；完成簡單模型光線求交；光照明模型；光線跟蹤加速等功能；六、考核方式及成績評定根據(jù)課程類型、課程性質、課程內容及特點，確定適合的考核內容、考核方式及成績評定?？己藘热葜攸c考核學生獲取知識的能力、應用所學知識分析問題和解決問題能力、實踐動手能力和創(chuàng)新能力等；考核方式采用多種形式（筆試、口試、答辯、測驗、論文等）、多個階段（平時測試、作業(yè)測評、課外