图形学教案

滁州学院计算机科学与技术系课程教案课程名称：计算机图形学授课教师：杨斌学习对象：2008网络工程任课时间：2011年2月-2011月7日滁州学院计算机科学与技术系2011年2月《计算机图形学》教学大纲（ComputerGraphics）课程代码：学时：36+16学分：一、课程简介本大纲根据2009版应用型人才培养方案制订。（一）教学对象：计算机科学与技术、网络工程专业本科学生（二）开课学期：第六学期（三）课程类别：专业选修课（四）考试：考试（五）参考教材：SteveCunningham.计算机图形学[M].北京：机械工业出版社，2008.主要参考书目：[1]DaveShreiner.OpenGL编程指南（第五版）[M]，北京：人民邮电出版社，2006.[2]邓郑祥译．OpenGL编程指南（第四版）[M].北京：人民邮电出版社，2005.[3]陆枫，何云峰．计算机图形学基础（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2008.本课程的先修课程是高等数学、线性代数、高级程序设计语言、数据结构。二、教学基本要求与内容安排（一）教学目的与要求通过本课程的学习，要求学生能够对计算机图形学的研究内容及其应用方向有一个全面的认识和了解，了解计算机图形学的研究内容及其与相关学科的关系，掌握一些基本的图形生成方法和图形显示的基本原理，掌握三维实体的基本表示方法、以及三维真实感图形显示方法等内容，为以后学习其他相关课程和从事计算机图形学方面的深入研究及应用打下坚实的基础。（二）教学内容安排教学内容教学要求教学方法重点(☆)难点(Δ)学时分配备注讲课实验上机其他第一部分绪论41图形学基本概念B2图形学发展历史C3图形学应用与研究前沿C4图形学研究内容简介C5OpenGL的简介及历史C6OpenGL数据类型A☆7VC++6.0下运行OpenGL的配置B☆第二部分变换和投影431视图变换A☆Δ2模型变换A☆Δ3投影变换A☆Δ4正投影A☆5透视投影A☆6程序实例B☆第三部分几何图元的绘制2211点的绘制A☆2线的绘制)A☆3多边形的绘制A☆Δ第四部分坐标变换2311平移变换、旋转变换和缩放变换A☆2投影变换和视口变换B☆3程序实例B第五部分数学基础41坐标系，四象限和八象限B2点，直线和直线段B☆3参数化曲线和曲面B☆Δ4点和直线的距离B☆5向量的数乘运算B☆6反射向量，变换BΔ7点到平面的距离B☆8多面体和凸面B☆Δ9极坐标、柱面坐标和球面坐标BΔ10碰撞检测BΔ第六部分颜色及其混合41颜色的基本原理A☆Δ2混合的基本原理A☆Δ3程序实例B第七部分光照和着色处理4421光照处理A☆Δ2材质A☆Δ3光源属性B4顶点法向量的计算A☆5程序实例B第八部分事件和交互式编程21事件的定义B2事件的实现A☆3拾取的实现A☆Δ第九部分纹理映射441纹理的定义B☆22D纹理映射,3D纹理映射A☆Δ3纹理映射程序实例B（教学要求：A—熟练掌握；B—掌握；C—了解）三、实验内容序号实验项目内容提要实验学时实验类型每组人数实验要求1三维投影变换自定义一个三角形，实现正投影和透视投影。3设计1必做2基本图形绘制绘制点，线，多边形和曲面2验证1必做3几何变换已知某三角形的三顶点坐标为{50.0,25.0},{150.0,25.0},{100.0,100.0}。要求：（1）创建一个长宽分别为600、600的窗口，窗口的左上角位于屏幕坐标（100，100）处。（提示：请试着修改gluOrtho2D函数参数，使得绘制的三角形尽可能居中显示）（2）绘制一个由上述顶点所描绘的三角形，实现该三角形进行下列的几何变化：首先使三角形沿着其中心的x轴，y轴方向缩小50%;然后沿着初始中心旋转90度；最后沿着y轴平移100个单位。3设计1必做4光照绘制OpenGL程序，显示一个圆环，点光源设在圆环的中心位置，通过键盘操作实现光源的移动，观察光源移动时圆环的显示效果。4设计1必做5纹理绘制一个几何图形，其表面帖上纹理，并使用点光源照射。4综合1必做制订人（签字）：杨斌审核人（签字）：教学进度表2010～2011学年第二学期授课教师姓名杨斌职称讲师授课专业网络工程班级2008级课程名称计算机图形学教材名称计算机图形学出版社机械工业出版社周次日期周学时其中教学内容摘要（章节名称、讲述的内容提要、实验的名称、课堂讨论的题目等）讲课实验课习题课课堂讨论其他环节第一周2月21日至2月27日22第一讲：绪论（一）。内容包括：图形学基本概念，图形学发展历史，图形学应用与研究前沿，图形学研究内容简介。第二周2月28日至3月6日22第二讲：绪论（二）。内容包括：OpenGL数据类型，VC++6.0下运行OpenGL的配置。第三周3月7日至3月13日422第三讲：变换和投影(一)。内容包括：视图变换，模型变换，投影变换。实验一：三维投影变换。第四周3月14日至3月20日22第四讲：变换和投影(二)。内容包括：正投影，透视投影，程序实例。第五周3月21日至3月27日422第五讲：几何图元的绘制。内容包括：点的绘制，线的绘制，多边形的绘制。实验一：三维投影变换。第六周3月28日至4月3日22第六讲：坐标变换。内容包括：平移变换、旋转变换和缩放变换，投影变换和视口变换，程序实例。第七周4月4日至4月10日422习题课，主要讲解几何图元的绘制和坐标变换这两讲的程序题。实验二：基本图形绘制。第八周4月11日至4月17日22第七讲：数学基础(一)。内容包括：坐标系，四象限和八象限；点，直线和直线段；参数化曲线和曲面；点和直线的距离；向量的数乘运算；反射向量，变换。第九周4月18日至4月24日422第八讲：数学基础(二)。内容包括：点到平面的距离，多面体和凸面，极坐标、柱面坐标和球面坐标，碰撞检测。实验三：几何变换。周数18周计划学时52学时讲课30学时课堂讨论学时实验课16学时习题课4学时其他环节2学时教研室主任签名：系主任签名：年月日年月日说明：1．本教学进度表由主讲教师负责填写，于每学期开学第一周内送交教师所在系，经领导审定、签字后备查。2．此表一式三份，其中，任课教师一份，教师所在系一份，教务处一份。周次日期周学时其中教学内容摘要（章节名称、讲述的内容提要、实验的名称、课堂讨论的题目等）讲课实验课习题课课堂讨论其他环节第十周4月25日至5月1日22第九讲：颜色及其混合（一）。内容包括：设置几何物体的颜色，RGB立方体，亮度和色弱，颜色深度，颜色混合与α通道，使用混合达到透明效果。第十一周5月2日至5月8日422第十讲：颜色及其混合（二）。内容包括：OpenG中的颜色，颜色定义，使用混合，代码实例。实验三：几何变换。第十二周5月9日至5月15日22第十一讲：光照和着色处理（一）。内容包括：光照处理，环境光、漫反射光和镜面反射光，表面法向，材质，光源属性，光源颜色，位置光等。第十三周5月16日至5月22日422第十二讲：光照和着色处理（二）。内容包括：计算每个顶点的法向，法向的解析计算，全局光照，局部光照和OpenGL，指定和定义光源，代码实例。实验四：光照。第十四周5月23日至5月29日22习题课程，主要讲解光照和着色处理这两讲教材后面的程序题。第十五周5月30日至6月5日422第十三讲：事件和交互式编程。内容包括：事件的定义，事件的实现，拾取的实现实验四：光照。第十六周6月6至6月12日22第十四讲：纹理映射(一)。内容包括：纹理图，纹理坐标与空间坐标的对应关系，对象颜色与纹理图颜色的关系，场景图中的纹理映射，创建纹理图，从图像创建纹理图。第十七周6月13至6月19日422第十五讲：纹理映射(二)。OpenGL中的纹理映射，纹理环境，纹理参数获取及定义纹理图，代码实例。实验五：纹理。第十八周6月20至6月26日22复习课，回顾大纲要求的重要知识点。备注第一讲：绪论（一）一、教学目标1.理解图形学基本概念2.了解图形学应用与研究前沿3.了解图形学研究内容二、重点与难点分析1.重点：2.难点：无三、教学内容与教学过程自我介绍(4分钟)姓名，联系方式，专业方向。介绍本学期课程的内容及安排（6分钟）介绍课程的学习目标、参考书及资料、课程教学目标和内容框架、学习方法、作业与实验、考核方式、上课时间与地点等情况,研究性学习的安排。强调本课程与相关课程的关系。成绩考核方式为：期末成绩+平时成绩，其中期末成绩占60%，平时成绩占40%，平时成绩为：作业成绩+出勤率+上机成绩。演示本次PPT课件,进入主题。按顺序介绍以下内容（80分钟）[教学提示]：介绍计算机图形学课程的发展以及与其他课程之间的关系。计算机图形学及其相关概念定义：计算机图形学（ComputerGraphics）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。IEEE定义：Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.计算机图形学与传统理论关系：计算几何,计算数学,微分几何,形态学,混沌学,小波理论。计算机图形学的研究对象－图形：通常意义上的图形－－能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象都称为图形，包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法描述的图形等等计算机图形学上的图形－－从客观世界物体中抽象出来的带有颜色及形状信息的可见图形以及不可见的数学/几何描述。图形在计算机中的表示：点阵法是用具有颜色信息的点阵来（枚举）表示图形的一种方法，它强调图形由哪些点组成，并具有灰度或色彩。参数法－－是以计算机中所记录图形的形状参数与属性参数来表示图形的一种方法。形状参数（几何要素）－－方程或分析表达式的系数，线段的端点坐标等属性参数（非几何要素）－－颜色、材质、线型等发展历史二十世纪50年代（酝酿期）60年代（萌芽期）70年代（发展期）80年代（普及期）90年代（深入发展）应用与研究前沿1图形用户界面介于人与计算机之间，人与机器的通信，人机界面（HCI）：软件＋硬件发展：由指示灯和机械开关组成的操纵界面→由终端和键盘组成的字符界面（80年代）→由多种输入设备和光栅图形显示设备构成的图形用户界面（GUI）（90年代）：PC，工作站，WIMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-pointingdevices)界面，所见即所得→VR技术（发展方向）2计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）3科学计算可视化(ScientificVisualization)海量的数据使得人们对数据的分析和处理变得越来越难，用图形来表示数据的迫切性与日俱增1986年，美国科学基金会（NSF）专门召开了一次研讨会，会上提出了“科学计算可视化（VisualizationinScientificComputing）”科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元分析、气象分析当中4虚拟现实（VirtualReality简称VR）虚拟现实是用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。5真实感图形实时绘制物体网格模型的面片简化：对网格面片表示的模型，在一定误差的精度范围内，删除对结果图像贡献小的点、边、面，从而简化所绘制场景的复杂层度，加快图形绘制速度；基于图象的绘制(IBR，ImageBasedRendering)：不先建立几何模型；它直接从一系列已知的图象中生成未知视角的图象，适用于野外极其复杂场景的生成漫游6野外自然景物的模拟野外场景远远复杂于室内场景，绘制难度更大，方法更趋多样化，主要绘制山、水、云、树、草、火等等，绘制火的粒子系统（ParticleSystem），基于生理模型的绘制植物的方法，绘制云的细胞自动机方法等。计算机图形学的研究内容在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法，以及科学计算可视