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《计算机图形学》教学大纲

  发布日期:2015-03-11  浏览量:466


 

计算机图形学》课程是信息与计算科学专业的选修课程.计算机图形学作为一门近年来迅速发展并且得以广泛应用的新兴学科,主要研究用计算机及其图形设备来输入、表示、交换、运算和输出图形的原理.

设置本课程的目的是:使学生系统掌握计算机图形学的基本理论,基本算法;能正确评价、完善、编程实现所学的算法,具备创造更高效算法的意识;具有编写计算机图形应用App的能力.具备将图形学的研究思想运用到其它领域以解决相关问题的能力;初步具备在图形学领域进行研究的能力.

学习本课程的要求是:学习者应掌握计算机图形学的基础理论、基本方法和实用算法,如:基本图形设备,交互技术与用户接口,直线和圆的扫描转换和绘制算法,区域填充,裁减,反走样,曲线和曲面的绘制,图形的几何变换,形体的投影变换等.并掌握一定的科学研究方法与技能,为有潜力成为研究型人才的学生打下一定基础.

先修课程要求:C程序设计,空间解析几何,数学分析,高等代数.

本课程计划:36学时课堂教学+36学时实验,3学分,每周2+2个课时.

选用教材:孙家广等编著,计算机图形学(第三版),清华大学出版社,1998

教学手段:课堂讲授为主,习题课,试验为辅.

考核方法:考试.

 

教学进程安排表

周次

学时数

教学方法

备注

1

2

计算机图形学的基本概念,计算机图形学研究的基本问题,计算机图形学的相关开发技术.

计算机图形学的发展及应用,图形输入设备,图形设备.

讲课

 

2

2

简单先容并演示计算机图形接口(CGI),计算机图形元文件(CGM),图形核心系统(GKS),计算机图形参考模型(CGRM),窗口系统.

讲课

 

3

2

简单先容交互技术与用户接口.包括用户接口常用形式,交互设备、交互任务和交互技术,输入控制,以及如何构造一个交互系统.并对一个简单的交互式用户接口进行演示.

讲课

 

4

2

直线扫描转换的数值微分算法和中点画线算法.

讲课

 

5

2

直线扫描转换的Bresenham 画线算法.

讲课与习题课相结合

 

6

2

圆的扫描转换.Bresenham 画圆算法.

讲课

 

7

2

椭圆的扫描转换.

讲课与习题课相结合

 

8

2

多边形域的填充.边填充算法.种子填充算法.

讲课

 

9

2

区域填充图案.圆域的填充.

讲课

 

10

2

直线线宽的处理.圆弧线宽的处理.线形的处理.

讲课

 

11

2

矢量字符.点阵字符.字型技术.字符输出.先容一种绘制矢量字符或符号的方法.

讲课

 

12

2

先容线段裁剪.包括用Cohen-Sutherland Liang_Barsky 算法裁剪直线.

讲课与习题课相结合

 

13

2

先容多边形状的裁剪.包括用Sutherland-Hodgman算法裁剪多边形

讲课

 

14

2

说明两种走样现象.简单先容提高分辨率的两中方案,简单区域取样和加权区域取样的方法.

讲课

 

15

2

简略回顾曲线、曲面参数表示的基本常识.先容三次Bezier曲线的表示形式,生成算法和连续性.

讲课

 

16

2

重点先容B样条曲线的表示形式,生成算法和连续性.简单先容非均匀有理B样条、圆锥曲线、等距线、过渡线、等值线等常用参数曲线的有关内容.

讲课

 

17

2

先容常用曲面的表示、性质及其有关的构造算法.

讲课与习题课相结合

 

18

2

回顾图形变换的数学基础,包括矢量运算、矩阵运算和齐次坐标.先容二维、三维和参数图形的几何变换.

讲课

 

19

2

形体投影变换.三维物体的三视图、斜平行投影图和透视投影图.用户坐标系到观察坐标系的变化.

讲课与习题课相结合

 

20

2

三维图形的裁剪.总体回顾本学期所学常识,并对计算机图形学前沿研究进行先容和分析.

讲课

 

 

 

第一章  图形设备、系统和应用

一、学习目的

通过本章的学习,使学生对本书要先容的计算机图形学有关内容有概括性了解,使学生对计算机图形学所设计的有关硬件有较为全面的认识,从而正确地选择合适的设备开展计算机图形学的研究及其应用工作.本章计划2学时.

二、课程内容

§1.1  计算机图形学的发展及应用

简要地先容计算机图形学的发展及应用.

§1.2  图形输入设备

先容几种常用的图形输入设备.包括鼠标器、光笔、触摸屏、坐标数字化仪、图形扫描仪.

§1.3  图形显示设备

先容多种技术的显示器.包括阴极射线管、彩色阴极射线管、随即扫描的图形显示器、存储管式的图形显示器、光栅扫描式图形显示器、液晶显示器、等离子显示器.

§1.4  图形绘制设备

先容喷墨打印机.激光打印机.静电绘图仪.笔式绘图仪

§1.5  图形处理器

先容简单图形处理器.单片图形处理器.个人计算机图形卡.图形并行处理器.

§1.6  图形系统和工作站

图形系统的选择和应用是学习和掌握计算机图形学的前提,图形系统的设计和研制是计算机科学和工程领域中的重要内容,只有通过图形系统大家才能开拓、利用计算机图形学的潜力.

§1.7  虚拟现实系统

虚拟西安市系统,是计算机生成的一个实时三维空间.拥护在其中可以“自由”地运动,随意观察周围的景物,并可以通过一些特殊的设备和虚拟物体进行交互操作.

三、重点、难点提示和教学手段

(一)重点、难点

1图形输入设备

2、图形处理设备;

3、虚拟现实系统.

(二)教学手段

课堂讲授与习题课相结合.

四、思考与练习

(注:思考与练习的形式有教师自行确定)

 

第二章  计算机图形的标准化和窗口系统

一、学习目的

本章节以自学为主,主要使学生了解计算机图形接口技术及功能.图形系统标准化的方法和要求.简单先容计算机图形系统及其相关应用系统中各个界面之间进行数据传诵和通信的接口标准,以及供图形应用程序调用的子程序功能和格式标准.本章计划2课时.

二、课程内容

§2.1 计算机图形接口(CGI

控制功能集,输出功能集,图段功能集,输入和应答功能集,光栅功能集.

   §2.2  计算机图形元文件(CGM

 图形元文件,图形元文件的说明,CGM的组成.

§2.3 图形核心系统(GKS

 GKS的功能,图形输入与输出,工作站,坐标系,图段,GKS的文件接口,GKS的分级管理,GKS3D

   §2.4 程序员层次交互式图形系统(PHIGS

模块化的功能结构,动态的结构、元素管理,GKS3DPHIGS的比较,PHIGS的扩充版本PHIGS,网络窗口环境下的,PHIGSP EX,图形程序库GL

   §2.5 基本图形转换规范(IGES

IGES 的作用,IGES 的实体,IGES 的文件结构,IGES 的出错处理.

   §2.6 产品模型数据转换标准(STEP

STEP的产品模型数据, STEP的概念模式,STEP中特征的定义,STEP的基本组成.

§2.7 计算机图形参考模型(CGRM

基本概念.CGRM的外部关系.CGRM的环境模型.CGRM的数据元素.

   §2.8 窗口系统

窗口系统的特点.几种常用的窗口系统.窗口系统的输入处理.窗口系统的输出处理.窗口系统工具箱.流行的图形用户接口.从窗口系统Windows到窗口操作WindowsNT.如何用窗口系统编应用程序.

三、重点、难点提示和教学手段

(一)重点、难点


无.


(二)教学手段

课堂讲授与习题课相结合.

四、思考与练习

(注:思考与练习的形式有教师自行确定)

 

第三章  交互技术与用户接口

一、学习目的

本章讨论用户接口的常用形式以及有关交互技术、交互任务和交互系统的概念和方法.本章节简单有关概念和技术之后引导学生自学,结合学生已有的常识和已熟悉的App,使学生对交互相技术有一定的了解,对图形绘制有直观的感知.本章计划2学时.

二、课程内容

§3.1  用户接口的常用形式

先容常用的面向应用的拥护接口,包括子程序库、专用语言和交互命令.

§3.2  交互设备、交互任务和交互技术

交互设备是实现交互技术,完成交互任务的基础.交互技术是完成交互任务的手段,交互技术的实现在很大程度上依赖于交互设备及其支撑环境.

§3.3  输入控制

交互输入过程中,常用的控制方式是请求、采样、事件及其组合等四种形式.

§3.4  如何构造一个交互系统

本节就构造交互系统所设计到的用户接口表现形式、工作方式、用户命令集的描述、人机对话序列的设计、用户接口的描述、交互过程的驱动方式等内容进行讨论.最后给出一个用GIL库函数构造的交互系统实例.

§3.5  基于常识的用户接口设计环境

近年来人们基于常识工程的概念,力图开发一个自动构造用户接口管理系统的环境.

三、重点、难点提示和教学手段

(一)重点、难点


1交互设备、交互任务和交互技术.

2、如何构造一个交互系统.


(二)教学手段

课堂讲授与习题课相结合

四、思考与练习

(注:思考与练习的形式有教师自行确定)

 

第四章  基本图形生成算法

一、学习目的

本章是该课程的重点.主要讨论一些基本图形的扫描转换问题,如一维线框图形直线、圆、椭圆的扫描转换问题,二维图形的填充问题,字符的表示及输入、输出问题,以及图形的裁剪和反走样问题.通过学习,学生应该能自主上机实现所先容的算法,并结合实际绘制出所需要的简单图形.本章计划22个课时.

二、课程内容

§4.1  直线的扫描转换

本节先容了画一个象素宽的直线的三个常用算法:数值微分法、中点画线法和Bresenham算法.

§4.2  圆和椭圆的扫描转换

中点画圆法.Bresenham画圆法.椭圆的中点转换画法.

§4.3  区域填充

本节讨论如何利用一种颜色或者一个图案来填充一个二维区域.区域填充可以分两步进行,第一步先确定需要填充哪些象素,第二步确定用什么颜色值来填充.先容了边填充、种子填充等算法.

§4.4  线宽与线型的处理

熟练掌握直线、圆弧线宽的处理.以及线型的处理.

§4.5  字符

这里讨论的字符是指数字、字母、汉字等符号,用于图形的标注和说明.本节先容矢量字符、点阵字符、字型技术、字符输出.并且提供一种绘制矢量字符或符号的方法.

§4.6  裁剪

在使用计算机处理图形信息时,往往计算机内部存储的图形比较大,而屏幕显示只是图的一部分.所以在放大显示一幅图像的一部分区域时,必须确定图形中哪些部分落在显示区之内,哪些落在显示区之外,以便显示落在显示区外的那部分图形.这个选择处理过程就是裁剪.

§4.7  反走样

用离散量表示连续量引起的失真叫做走样.用于减少或者消除这种效果的技术叫做反走样.

三、重点、难点提示和教学手段

(一)重点、难点

1直线和圆的绘制;

2区域填充

(二)教学手段

课堂讲授与习题课相结合,计算机试验.

四、思考与练习

(注:思考与练习的形式有教师自行确定)

 

第六章        曲线和曲面

一、学习目的

曲线和曲面是计算机图形学中研究的重要内容之一.它们在实际工作中有广泛的应用.本章基于实际应用对曲线和曲面的需求,先容曲线和曲面的常用表示形式和其理论基础.本章计划6学时.

二、课程内容

§6.1  曲线、曲面参数表示的基础常识

曲线和曲面有显式、隐式和参数三中表示,但是从计算机图形学和计算几何的角度看,还是参数表示比较好.本节围绕参数曲线和曲面的基础问题进行讨论.

§6.2  常用的参数曲线

先容三次Bezier曲线和B样条曲线的表示形式,生成算法和连续性.简单先容非均匀有理B样条、圆锥曲线、等距线、过渡线、等值线等常用参数曲线的有关内容.

§6.3  常用的参数曲面

曲面在汽车、飞机、船舶、家用电器、建筑物、玩具等多种产品和工程的设计和动画、影视的制作中有着广泛应用.本节讨论常用曲面的表示、性质及其有关的构造算法.

三、重点、难点提示和教学手段

(一)重点、难点

1常用的参数曲线;

2常用的参数曲面

(二)教学手段

课堂讲授与习题课相结合

四、思考与练习

(注:思考与练习的形式有教师自行确定)

 

第七章        图形变换

一、学习目的

图形变换是计算机图形学的基础内容之一.通过图形变换,可由简单图形生成复杂图形,可用二维图形表示三维图形,甚至可对静态图形经过快速变换而获得图形的动态显示效果.本章主要通过一定图形变换的数学基础,对二维、三维图形进行平移、旋转、变化、对称等几何变换,以及投影、透视变化等.这些内容学生应该熟练掌握.本章计划6学时.

二、课程内容

§7.1  图形变换的数学基础

在图形变换大量需要矢量、矩阵表示及其运算.本节对有关内容进行简要回顾.

§7.2  窗口视图变换

说明进行窗口视区变换的理由,并能求出窗口视区变换矩阵.

§7.3  图形的几何变换

图形变换一般是对图形的几何信息经过几何变换后产生新的图形.图形变换既可以看作是坐标系不动而图形变动,也可以反过来.但是二者本质是一样的.本节先容几何变换属于后一种.对于线框图的变换,通常以点变换作为基础,把图形的一系列顶点做几何变换之后,连接新的定点系列即可产生新的图形.

§7.4  形体的投影变换

把三维物体变为二维图形表示的过程称为投影变换.本节先容包括三视图、斜平行投影图和透视投影图.用户坐标系到观察坐标系的变化.

§7.5  三维线段的裁剪

三维窗口经过规格化变换后,在平行投影时为立方体,透视投影为四棱台.三维线段的裁剪就是要显示一条三维线段落在三维窗口内的部分线段.

三、重点、难点提示和教学手段

(一)重点、难点

1图形的几何变换;

2形体的投影变换

(二)教学手段

课堂讲授与习题课相结合

四、思考与练习

(注:思考与练习的形式有教师自行确定)

 

阅读书目(或参考文献)

[1] 孙家广等,计算机图形学(第三版),清华大学出版社,北京,19983

[2] Foley JDam A VFundamentals of Interactive Computer GraphicsAddison-Wesley1982

[3] Foley JDam A VFeiner SHughes Jphillips R.Computer GraphicsPrinciples and Practice.2nd Edition.Addison-Wesley1990

[4] Morteson M. Geometric ModelingNewYorkWiley1985

[5] Donald Hearn & M. Pauline Baker,蔡士杰等译.,计算机图形学.,电子工业出版社,2002

[6] 唐荣锡,计算机图形学教程,科学出版社,20001

 

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