计算机图形学
《计算机图形学》课程大纲

 

课程编号

 

 

学时/学分

36/2

开课单位

航海学院

考核方式

考试

适用专业

交通信息工程及控制、航海科学与技术

执笔者

任鸿翔

编写日期

20105

 

 

 

一、本课程的性质与任务

《计算机图形学》是交通信息工程及控制专业和航海科学与技术专业的一门重要课程。课程重点介绍计算机图形学的基本概念和技术,讲授计算机图形学的基本理论及算法,理论和应用相结合。通过课程的学习,学生可掌握图形学基本知识,为解决实际的图形问题打下基础。

二、课程简介

《计算机图形学》的先修课程为《高等数学》、《C程序设计》。课程意在介绍计算机图形学的基本概念和技术、基本理论及算法。课程主要内容包括:两维图形的对象表示、算法和应用;三维图形的相关技术、建模和变换;光照模型、颜色模型和动画技术;样条、纹理、反走样、粒子系统等。

三、课程知识体系架构及教学要求

课程内容是以知识点为基础的体系架构,包括:概念、知识点、原理、方法、应用、案例。教学要求由深入到一般分三个层次:掌握,理解,了解。

1.       计算机图形学综述

介绍图形学的发展史、图形学硬件、应用领域以及相关术语,讲解学习图形学的方法和手段,使学生对图形学这门学科有初步了解,分析图形学与图像之间的联系与区别。

概念

计算机图形;

2.       输出图元

介绍显示器的成像原理;讲解直线段的三种生成算法:DDA、中点画线、Brensham;给出评价算法优劣的标准并分析三种算法的效率;介绍区域填充的两种算法:扫描线填充算法及种子填充算法;介绍有关图元属性的输出以及反走样。

概念

走样;反走样;

方法及应用:

DDA;中点画线;Brensham画线;中点画圆;Brensham画圆;扫描线填充算法;种子填充算法;

椭圆的生成方法;反走样的方法;

提高算法效率的技巧;

原理

显示器的成像原理;显卡的工作原理;

案例:利用活性边表实现扫描线填充算法;

3.       二维几何变换

介绍二维的基本变换、复合变换及其它变换。基本变换中介绍平移、旋转和缩放;引入齐次坐标的概念,将基本变换的变换形式统一为矩阵的乘法;在复合变换中强调变换的先后次序;其它变换中主要讲解反射和错切变换。

概念:

齐次坐标

方法及应用:

平移变换;旋转变换;缩放变换;

反射变换;错切变换;

4. 二维观察

介绍线段及多边形的裁剪算法。对于线段的裁剪,介绍Sutherland算法,由学生在课堂上自己讲解梁-Barsky算法,提高学生独立分析问题的能力,锻炼学生的表达能力;多边形的裁剪主要介绍Sutherland-Hodgman算法。讲解二维观察的流程。

概念:

裁剪

方法及应用:

Sutherland算法;梁-Barsky算法;Sutherland-Hodgman算法;

NLN算法;

原理

二维观察流程;

案例

编程实现Sutherland算法;

结合OpenGL进行二维观察;

5. 三维概念

介绍三维物体的表示,面、曲线、曲面的表示。结合航海模拟器的实践,强调边界表示法。介绍样条、BezierB样条曲线和曲面。讲解插值和逼近样条;以Hermite为主介绍插值样条;介绍BezierB样条曲线和曲面的生成方法及特性。

概念:

边界表示法;插值样条;逼近样条;

方法及应用:

Bezier曲线生成方法;Bezier曲面生成方法;B样条曲线生成方法;B样条曲面的生成方法;

6. 三维几何变换

介绍三维基本变换、复合变换及其它变换。基本变换中介绍平移、旋转和缩放;在复合变换中强调变换的先后次序;其它变换中主要讲解反射和错切变换;在此基础上,介绍两个三维笛卡尔坐标系间的变换。

方法及应用:

平移变换;旋转变换;缩放变换;两个三维笛卡尔坐标系间的变换;

反射变换;错切变换;

7. 三维观察

介绍三维观察流程。以照相机照相为例,讲解流程中各个环节特别是投影变换的作用,给出各环节的变换阵。介绍OpenGL三维观察的例子,设定视见体,进一步加强学生对三维观察以及视见体的理解。

原理

三维观察流程;投影变换;视见体;

案例

结合OpenGL进行三维观察;

8. 可见面判别

介绍后向面判别算法、深度缓冲器算法等;分析各种算法的优劣。

概念

前向面;后向面;

方法及应用:

后向面判别算法;深度缓冲器算法;

9. 光照模型和面绘制

介绍光照模型的种类和面绘制技术。结合航海模拟器场景建模的实践,讲解各种光照模型的使用方法。介绍纹理技术,强调纹理的重要性,讲解纹理的应用。

原理

光照模型;

方法及应用:

面绘制技术;纹理技术;

10. 计算机动画

介绍计算机动画技术。

11. 实践与总结

结合航海模拟器视景系统介绍相关图形学知识的应用。主要包括建模技术、视景驱动、视见体设定、纹理技术、反走样技术,分析航海模拟器视景系统中需要改进的地方。

四、本课程教材及参考书

教材:

《计算机图形学》,Donald Hearn等著,蔡士杰等译,电子工业出版社,2005

参考书目:

《计算机图形学导论》,James D.Foley 等著,董士海等译,机械工业出版社,2007

《计算机图形学》,Steve Cunningham 著,石教英等译,机械工业出版社,2008

《计算机图形学基础教程》,孙家广、胡事民著,清华大学出版社,2005

《计算机图形学(OpenGL版)》,FrancisSHill Jr等著,胡事民等译,清华大学出版社,2009

同时,选取国际高水平教材辅助教学,如:

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