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1电子信息工程专业《计算机图形学》教学设计卢迪王鹏张开玉哈尔滨理工大学电气与电子工程学院2006年9月21课程的基本描述课程名称：计算机图形学ComputerGraphics课程性质：学科基础必修课适用专业：电子信息工程教材选用：陈传波，陆枫.计算机图形学基础.北京：电子工业出版社，2002总学时：60理论学时：48实验学时：12课程设计：无学分：3.5开课学期：第六学期前导课程：高等数学、线性代数、C语言程序设计后续课程：数字图像处理2教学定位2.1能力培养目标本课程主要培养学生以下三个方面的能力：1.认知和理解能力理解计算机图形学的基本概念、图形的表示与数据结构、曲线曲面的基本概念。2.逻辑思维能力理解基本图形的生成算法，并能对现有的算法进行改进，理解图形的变换和裁减算法。3.程序设计能力能够根据图形生成算法、裁剪算法设计相应的实现程序。2.2课程的主要特点计算机图形学是研究怎样利用计算机来显示、生成和处理图形的原理、方法和技术的一门学科。是一门复杂的综合性的新兴学科，内容丰富，涵盖的知识面较广。既有具体的图形软硬件，又有抽象的理论和算法。为学生以后从事图形图像处理工作打下坚实的基础。2.3教学定位计算机图形学是一门应用广泛的新兴学科，主要介绍图形标准、图形硬件、图形的表示、基本图形的生成算法，以及图形的变换和观察等。通过本课程的学习，学生可以了解图形系统的框架及其涉及的软件、硬件技术；了解图形学的基本问题，掌握图形学的基本概念、方法与算法；对于图形相关的应用及当前的研究热点有一个初步认识；具有一定实践体会和相关的编程能力。33知识点与学时分配3.1计算机图形学及其相关概念计算机图形学及其相关概念、计算机图形系统（学时：0.5学时）计算机图形学、图形的要素、图形的表示方法（理解、核心）计算机图形学与相关学科间的关系（了解、推荐）计算机图形系统的功能（理解、核心）计算机图形系统的结构（了解、推荐）计算机图形学的发展、应用、研究动态（学时：1.5学时）计算机图形学的发展、计算机图形学的应用、计算机图形学的研究动态（了解、推荐）共2学时3.2图形设备图形输入设备（学时：1.5学时）键盘、鼠标、光笔、触摸屏、图形扫描仪（理解、核心）操纵杆、跟踪球、数据手套、数字化仪、声频输入系统（了解、可选）图形显示设备（学时：2学时）阴极射线管、CRT图形显示器（理解、核心）平板显示器、三维观察设备（了解、可选）图形显示子系统（学时：2学时）显示子系统的结构（理解、核心）分辨率、像素与帧缓存、颜色查找表、显示长宽比（理解、核心）PC图形显示卡（了解、可选）图形绘制设备（学时：0.5学时）打印机、绘图仪（理解、推荐）共6学时3.3图形的表示与数据结构基本图形元素与段（理解、推荐）几何信息与拓扑信息、坐标系、几何元素（理解、核心）实体、正则集合运算（了解、可选）共2学时3.4图形的生成、变换和观察基本图形生成算法（学时：12学时）直线的扫描转换（数值微分法、中点Bresenham算法、改进的Bresenham算法）（运用、核心）圆的扫描转换（简单方程产生圆弧、中点Bresenham画圆）（运用、核心）椭圆的扫描转换（椭圆的中点Bresenham画圆）（运用、核心）多边形的扫描转换与区域填充（X扫描线算法、改进的有效边表算法、边缘填充算法、边界填充算法、泛填充算法）（运用、核心）4字符处理、属性处理（了解、推荐）反走样（过取样、简单的区域取样、加权区域取样）（理解、核心）二维变换及二维观察（学时：10学时）基本概念（齐次坐标、几何变换、二维变换矩阵）（理解、核心）基本几何变换（平移变换、比例变换、旋转变换、对称变换、错切变换、二维图形几何变换的计算）（运用、核心）二维观察（基本概念、用户坐标系到观察坐标系的变换、窗口到视区的变换）（运用、核心）裁减（点的裁减、直线段的裁减、多边形的裁减、其他裁减）（运用、核心）三维变换及三维观察（学时：4学时）基本概念（三维齐次坐标变换矩阵、几何变换、平面几何投影、观察投影）（理解、核心）三维几何变换（三维基本几何变换、三维复合变换）（理解、核心）共26学时3.5曲线和曲面基本概念（学时：2学时）曲线曲面数学描述的发展（了解、推荐）曲线曲面的表示、插值和逼近样条、样条描述（理解、核心）三次样条（学时：2学时）自然三次样条、三次Hermite样条（理解、核心）Bezier曲线曲面（学时：2学时）Bezier曲线定义和性质（理解、核心）Bezier曲线的生成（了解、可选）B样条曲线曲面（学时：2学时）定义、性质（理解、核心）B样条曲面（了解、可选）共8学时3.6其它学时习题课(学时：4学时)实验(学时：12学时)3.7课程覆盖的知识领域和知识单元汇总涵盖的知识体系知识领域知识单元知识点计算机图形学及其相关概念计算机图形学及其相关概念计算机图形系统计算机图形学的发展、应用、研究动态计算机图形学、图形的要素、图形的表示方法（理解、核心）计算机图形学与相关学科间的关系（了解、推荐）计算机图形系统的功能（理解、核心）计算机图形系统的结构（了解、推荐）计算机图形学的发展、计算机图形学的应用、计算机图形学的研究动态（了解、推荐）5图形设备图形输入设备图形显示设备图形显示子系统图形绘制设备键盘、鼠标、光笔、触摸屏、图形扫描仪（理解、核心）操纵杆、跟踪球、数据手套、数字化仪、声频输入系统（了解、可选）阴极射线管、CRT图形显示器（理解、核心）平板显示器、三维观察设备（了解、可选）显示子系统的结构（理解、核心）分辨率、像素与帧缓存、颜色查找表、显示长宽比（理解、核心）PC图形显示卡（了解、可选）打印机、绘图仪（理解、推荐）图形的表示与数据结构基本概念基本图形元素与段（理解、推荐）几何信息与拓扑信息、坐标系、几何元素（理解、核心）实体、正则集合运算（了解、可选）图形的生成、变换和观察基本图形生成算法二维变换及二维观察三维变换及三维观察直线的扫描转换（数值微分法、中点Bresenham算法、改进的Bresenham算法）（运用、核心）圆的扫描转换（简单方程产生圆弧、中点Bresenham画圆）（运用、核心）椭圆的扫描转换（椭圆的中点Bresenham画圆）（运用、核心）多边形的扫描转换与区域填充（X扫描线算法、改进的有效边表算法、边缘填充算法、边界填充算法、泛填充算法）（运用、核心）字符处理、属性处理（了解、推荐）反走样（过取样、简单的区域取样、加权区域取样）（理解、核心）基本概念（齐次坐标、几何变换、二维变换矩阵）（理解、核心）基本几何变换（平移变换、比例变换、旋转变换、对称变换、错切变换、二维图形几何变换的计算）（运用、核心）二维观察（基本概念、用户坐标系到观察坐标系的变换、窗口到视区的变换）（运用、核心）裁减（点的裁减、直线段的裁减、多边形的裁减、其他裁减）（运用、核心）基本概念（三维齐次坐标变换矩阵、几何变换、平面几何投影、观察投影）（理解、核心）三维几何变换（三维基本几何变换、三维复合变换）（理解、核心）曲线和曲面基本概念三次样条Bezier曲线曲面曲线曲面数学描述的发展（了解、推荐）曲线曲面的表示、插值和逼近样条、样条描述（理解、核心）6B样条曲线曲面自然三次样条、三次Hermite样条（理解、核心）Bezier曲线定义和性质（理解、核心）Bezier曲线的生成（了解、可选）定义、性质（理解、核心）B样条曲面（了解、可选）4讲授提示及方法4.1计算机图形学及其相关概念重点：计算机图形学的定义、图形的要素、图形的表示方法、计算机图形系统的功能。难点：如何使学生正确区分图形和图像、计算机图形系统结构的理解。讲授提示与方法：计算机图形学研究的对象是图形，是利用计算机来处理图形的一门学科。参数法描述的图形叫做图形；而把点阵法描述的图形叫图像。从表示方法的不同区分图像和图像概念的不同。对计算机图形系统的结构的理解要讲清楚各个组成部分的分类。4.2图形设备重点：阴极射线管的结构和工作原理、图形显示器的分类、工作原理和优缺点、相关概念。难点：阴极射线管的工作原理、各类显示器的工作原理、三种分辨率的分辨和理解。讲授提示与方法：阴极射线管由电子枪、偏转系统、荧光屏三部分组成。其中电子枪由灯丝、阴极、栅极、加速机、第二阳极（第四阳极）和聚焦极组成。阴极射线管的工作原理、各类显示器的工作原理可通过动画演示帮助学生理解。图形显示技术中的分辨率概念有3种：屏幕分辨率、显示分辨率和图形的存储分辨率。屏幕分辨率是显示系统最大可能的分辨率；显示分辨率是计算机显示控制器所能够提供的显示模式分辨率；图形的存储分辨率是指帧缓冲区的大小。4.3图形的表示与数据结构重点：几何信息与拓扑信息、坐标系、几何元素等概念的理解。难点：如何理解段、实体、正则集合运算等概念。讲授提示与方法：对基本概念要注重理解，段、实体、正则集合运算等概念比较抽象，要结合具体的例子（比如图形）来讲解。4.4图形的生成、变换和观察重点：直线的中点Bresenham算法、圆的中点Bresenham算法、椭圆的生成算法、改进的有效边表算法、基本几何变换、直线段的裁减。难点：椭圆的生成算法、改进的有效边表算法、反走样技术、复合变换。讲授提示与方法：这部分主要介绍基本图形的生成算法、图形的变换和观察。基本图形的生成算法比较抽象，要详细推导每种算法的具体过程，并通过动画帮助学生理解，加深学生的印象。对图形的变换和观察要讲清与之对应的数学运算过程，并用图形来演示变换前后的效果。74.5曲线和曲面重点：插值和逼近样条、Bezier曲线定义和性质、B样条的定义、性质。难点：样条描述、自然三次样条、三次Hermite样条、Bezier曲线定义和性质、B样条的定义、性质。讲授提示与方法：拟和、逼近都是构造曲线和曲面的方法，不同之处在于：用拟和方法构造的曲线和曲面必须通过给定的型值点；而用逼近方法构造的曲线和曲面不必通过控制点列。对自然三次样条、三次Hermite样条、Bezier曲线、B样条等的讲解首先要详细介绍他们的数学定义，以及在定义式中每个符号的具体含义。性质的推导都是从定义出发，推导过程要详细介绍，让学生明白来龙去脉，这样才容易理解。5习题与实验设计5.1习题设计本门课程主要讲授的是如何利用计算机来显示、生成和处理图形，基本图形的生成算法、图形的变换和观察是其中最重要的内容，所以习题的设置主要集中并涵盖这些内容。在习题设计的时候本着循序渐进的原则，由浅入深，由单一到综合，最后使学生能够灵活运用所学知识。学生通过完成这些作业，能够加深对基本图形生成算法、图形裁减算法的理解，掌握图形变换的方法，并提高程序设计能力。5.2实验设计1.图形设备的认识与使用。（2学时）了解各种图形输入设备和输出设备的功能和使用方法。2.直线生成算法的程序设计。（2学时）加深对直线生成算法的理解，能够分析不同算法的效率，掌握直线生成算法的程序实现方法。3.圆生成算法的实现。（2学时）加深对圆生成算法的理解，掌握圆生成算法的程序实现方法，并能够灵活运用圆的生成算法设计显示更复杂图形的程序。4.椭圆生成算法的实现。（2学时）加深对椭圆生成算法的理解，掌握椭圆生成算法的程序实现方法。5.直线的编码裁减算法的高级语言实现。（2学时）理解编码裁减算法的基本思想，掌握编码裁减算法的高级语言实现方法，提高程序设计能力。6.AUTOCAD的学习应用（2学时）了解计算机图形学在计算机辅助设计上的应用，加深对图形的几何要素、非几何要素、8线型、线宽等概念的理解，掌握AUTOCAD软件的使用方法，并能够绘制简单的图形。6考核与成绩记载6.1考核的方式及成绩的评定。学生成绩的构成：平时成绩占总成绩的30％，期中成绩占总成绩的20％，期末成绩占总成绩的50％。1.平时成绩上课出勤：满分30分。缺席次数超过1/3，则取消其参加考试的资格。如学生在课堂上有影响教师讲课或其他同学听课的违纪行为，教师可根据情节对该学生在这部分中酌情扣分，直致取消其考试资格。作业：满分35分，少完成一次扣7分。要求作业步骤详细，字迹工整。实验：满分35分，每次实验7分，共5