计算机图形学课程教学大纲

《计算机图形学》课程教学大纲一、课程基本信息

课程代码：110053

课程名称：计算机图形学

英文名称：Computer Graphics

课程类别：专业课

学时：72

学分：

适用对象：信息与计算科学专业本科生

考核方式：考试（平时成绩占总成绩的30%）

先修课程：高级语言程序设计、数据结构、高等代数

二、课程简介

中文简介：

计算机图形学是研究计算机生成、处理和显示图形的学科。它的重要性体现在人们越来越强烈地需要和谐的人机交互环境：图形用户界面已经成为一个软件的重要组成部分，以图形的方式来表示抽象的概念或数据已经成为信息领域的一个重要发展趋势。通过本课程的学习，使学生掌握计算机图形学的基本原理和基本方法，理解图形绘制的基本算法，学会初步图形程序设计。

英文简介：

Computer Graphics is the subject which concerned with how computer builds， processes and shows graphics. Its importance has been shown in people’s more and more intensively need for harmony human-machine interface. Graphics user interface has become an important part of software. It is a significant trend to show abstract conception or data in graphics way. Through the learning of this course, students could master Computer Graphics’basic theories and methods，understand graphics basic algorithms and learn how to design basic graphics program.

三、课程性质与教学目的

《计算机图形学》是信息与计算科学专业的一门主要专业课。通过本课程的学习，使学生掌握基本的二、三维的图形的计算机绘制方法，理解光栅图形生成基本算法、几何造型技术、真实感图形生成、图形标准与图形变换等概念和知识。学会图形程序设计的基本方法，为图形算法的设计、图形软件的开发打下基础。

四、教学内容及要求

第一章绪论

(一)目的与要求

1.掌握计算机图形学的基本概念；

2.了解计算机图形学的发展、应用；

3.掌握图形系统的组成。

(二)教学内容

第一节计算机图形学的概念

1．主要内容

计算机图形学的概念及其与其它学科之间的关系。

2．基本概念和知识点

计算机图形学的概念。

3. 问题与应用（能力要求）

理解计算机图形学的概念。

第二节计算机图形学的发展

1．主要内容

计算机图形学的发展过程。

2．基本概念和知识点

计算机图形学的发展过程。

3. 问题与应用（能力要求）

了解计算机图形学的发展过程。

第三节计算机图形学的应用

1．主要内容

计算机图形学的应用。

2．基本概念和知识点

计算机图形学的应用。

3. 问题与应用（能力要求）

了解计算机图形学的应用。

第四节常用的图形输入/输出设备

1．主要内容

常用的图形输入/输出设备。

2．基本概念和知识点

常用的图形输入/输出设备。

3. 问题与应用（能力要求）

了解常用的图形输入/输出设备。

第五节计算机图形系统

1．主要内容

计算机图形系统。

2．基本概念和知识点

计算机图形系统。

3. 问题与应用（能力要求）

了解计算机图形系统。

(三)实践环节与课后练习

无。

(四)教学方法与手段

课堂板书结合PowerPoint电子教案讲授。

第二章光栅图形学

（一）目的与要求

1．理解三个常用直线生成算法；

2．理解圆的特征、掌握中点画圆法；

3．理解和掌握多边形的扫描转换、区域填充算法；

4．了解点阵字符、矢量字符、字符属性；

5．理解直线段裁剪、多边形裁剪、字符裁剪；

6．了解提高分辨率、区域采样、加权区域采样技术；

7．了解消隐的分类、消除隐藏线、消除隐藏面算法。

（二）教学内容

第一节直线段的扫描转换算法（3学时）

1．主要内容

三个常用直线生成算法。

2. 基本概念和知识点

三个常用算法：数值微分法（DDA(Digital differential

analyzer)）、中点画线法、Bresenham 算法。

3.问题与应用（能力要求）

理解三个常用直线生成算法。

第二节圆弧的扫描转换算法

1．主要内容

圆的特征、中点画圆法。

2．基本概念和知识点

圆的特征、中点画圆法。

3.问题与应用（能力要求）

理解圆的特征、掌握中点画圆法。

第三节多边形的扫描转换算法与区域填充

1．主要内容

多边形的扫描转换、区域填充算法。

2．基本概念和知识点

多边形的扫描转换、区域填充算法。

3.问题与应用（能力要求）

理解和掌握多边形的扫描转换、区域填充算法。

第四节字符

1．主要内容

点阵字符、矢量字符、字符属性。

2．基本概念和知识点

点阵字符、矢量字符、字符属性。

3．问题与应用（能力要求）

了解点阵字符、矢量字符、字符属性。

第五节裁剪

1．主要内容

直线段裁剪、多边形裁剪、字符裁剪。

2．基本概念和知识点

直线段裁剪、多边形裁剪、字符裁剪。

3．问题与应用（能力要求）

理解直线段裁剪、多边形裁剪、字符裁剪。

第六节反走样

1．主要内容

提高分辨率、区域采样、加权区域采样。

2．基本概念和知识点

提高分辨率、区域采样、加权区域采样。

3．问题与应用（能力要求）

了解提高分辨率、区域采样、加权区域采样技术。

第七节消隐

1．主要内容

消隐的分类、消除隐藏线、消除隐藏面。

2．基本概念和知识点

消隐的分类、消除隐藏线、消除隐藏面。

3．问题与应用（能力要求）

了解消隐的分类、消除隐藏线、消除隐藏面算法。

（三）课后练习

此部分应布置一至两次至少四道题的课后习题，内容可覆盖直线和圆弧DDA算法、直线段裁剪、多边形裁剪。

（四）教学方法与手段

课堂板书结合PowerPoint电子教案讲授。

第三章几何造型技术

（一）目的与要求

1.理解Bézier曲线的定义和性质、掌握二、三次Bézier曲线、n

次Bézier曲线应用及变型；

2.理解和掌握数据拟合与最小二乘法、多项式插值及参数化；

3.了解参数连续和几何连续概念、二次参数样条曲线、三次参数样

条曲线；

4.理解B样条曲线定义与性质、了解二次和三次B样条曲线及其应

用、非均匀B样条曲线、参数曲线段的一般递推式；

5.了解矩阵域上的 Bézier 曲面、三角域上的 Bézier 曲面、Bé

zier 曲面拼接应用；

6.了解双三次Coons曲面、布尔和形式的Coons曲面；

7.了解B样条曲面一般形式、三种双三次参数曲面片等价表示。（二）教学内容

第一节 Bézier 曲线

1．主要内容

Bézier曲线的定义和性质、二、三次Bézier曲线、n次Bé

zier曲线应用及变型。

2．基本概念和知识点

Bézier曲线的定义和性质、二、三次Bézier曲线、n次Bézier 曲线应用及变型。

3．问题与应用（能力要求）

理解Bézier曲线的定义和性质、掌握二、三次Bézier曲线、n次Bézier曲线应用及变型。

第二节拟合、插值与样条概念

1．主要内容

数据拟合与最小二乘法、多项式插值及参数化。

2．基本概念和知识点

数据拟合与最小二乘法、多项式插值及参数化。

3．问题与应用（能力要求）

理解和掌握数据拟合与最小二乘法、多项式插值及参数化。第三节二、三次参数样条曲线

1．主要内容

参数连续和几何连续概念、二次参数样条曲线、三次参数样条曲线。

2．基本概念和知识点

参数连续和几何连续概念、二次参数样条曲线、三次参数样条曲线。

3．问题与应用（能力要求）

了解参数连续和几何连续概念、二次参数样条曲线、三次参数样条曲线。

第四节 B样条曲线

1．主要内容

B样条曲线定义与性质、二次和三次B样条曲线及其应用、非均匀B样条曲线、参数曲线段的一般递推式。

2．基本概念和知识点

定义与性质、二次和三次B样条曲线及其应用、非均匀B样条曲线、参数曲线段的一般递推式。

3．问题与应用（能力要求）

理解B样条曲线定义与性质、了解二次和三次B样条曲线及其应用、非均匀B样条曲线、参数曲线段的一般递推式。

*第五节 Bézier 曲面及其拼接（自学）

1．主要内容

矩阵域上的 Bézier 曲面、三角域上的 Bézier 曲面、Bézier 曲面拼接应用。

2．基本概念和知识点

矩阵域上的 Bézier 曲面、三角域上的 Bézier 曲面、Bézier 曲面拼接应用。

3．问题与应用（能力要求）

了解矩阵域上的 Bézier 曲面、三角域上的 Bézier 曲面、B ézier 曲面拼接应用。

*第六节 Coons 曲面（自学）

1．主要内容

双三次Coons曲面、布尔和形式的Coons曲面。

2．基本概念和知识点

双三次Coons曲面、布尔和形式的Coons曲面。

3．问题与应用（能力要求）

了解双三次Coons曲面、布尔和形式的Coons曲面。

*第七节 B样条曲面（自学）

1．主要内容

B样条曲面一般形式、三种双三次参数曲面片等价表示，NURBS

曲线与曲面。

2．基本概念和知识点

B样条曲面一般形式、三种双三次参数曲面片等价表示。

3．问题与应用（能力要求）

了解B样条曲面一般形式、三种双三次参数曲面片等价表示。（三）实践环节与课后练习

此部分应布置一至两次至少四道题的课后习题，内容可覆盖Bézier曲线、B样条曲线、Bézier 曲面、B样条曲面等。

（四）教学方法与手段

课堂板书结合PowerPoint电子教案讲授。

第四章真实感图形学

（一）目的与要求

1.理解颜色的基本概念、三色学说、CIE色度图、掌握常用的颜色

模型；

2.掌握光照相关知识、Phong光照明模型、增量式光照明模型、阴

影的生成；

3.了解局部光照明的理论基础、局部光照明模型；

4.了解纹理相关概念、二维纹理域的映射、三维纹理域的映射、几

何纹理；

5.了解透明效果的简单模拟、Whitted 光透射模型、Hall 光透射

模型、简单光反射透射模型；

6.了解光线跟踪算法，辐射度方法、实时真实感图形学技术。（二）教学内容

第一节颜色视觉

1．主要内容

颜色的基本概念、三色学说、CIE色度图、常用的颜色模型。

2．基本概念和知识点

基本概念、三色学说、CIE色度图、常用的颜色模型。

3．问题与应用（能力要求）

理解颜色的基本概念、三色学说、CIE色度图、掌握常用的颜色

模型。

第二节简单光照明模型

1．主要内容

光照相关知识、Phong光照明模型、增量式光照明模型、阴影的

生成。

2．基本概念和知识点

光照相关知识、Phong光照明模型、增量式光照明模型、阴影的

生成。

3．问题与应用（能力要求）

掌握光照相关知识、Phong光照明模型、增量式光照明模型、阴

影的生成。

第三节局部光照明模型

1．主要内容

局部光照明的理论基础、局部光照明模型。

2．基本概念和知识点

局部光照明的理论基础、局部光照明模型。

3．问题与应用（能力要求）

了解局部光照明的理论基础、局部光照明模型。

第四节纹理及纹理映射

1．主要内容

纹理相关概念、二维纹理域的映射、三维纹理域的映射、几何纹

理。

2．基本概念和知识点

纹理概述、二维纹理域的映射、三维纹理域的映射、几何纹理。

3．问题与应用（能力要求）

了解纹理相关概念、二维纹理域的映射、三维纹理域的映射、几

何纹理。

*第五节光透射模型（自学）

1．主要内容

透明效果的简单模拟、Whitted 光透射模型、Hall 光透射模型、

简单光反射透射模型。

2．基本概念和知识点

透明效果的简单模拟、Whitted 光透射模型、Hall 光透射模型、

简单光反射透射模型。

3．问题与应用（能力要求）

了解透明效果的简单模拟、Whitted 光透射模型、Hall 光透射模

型、简单光反射透射模型。

*第六节整体光照明模型（自学）

1．主要内容

光线跟踪算法，辐射度方法、实时真实感图形学技术。

2．基本概念和知识点

光线跟踪算法，辐射度方法、实时真实感图形学技术。

3．问题与应用（能力要求）

了解光线跟踪算法，辐射度方法、实时真实感图形学技术。（三）实践环节与课后练习

此部分应布置至少二道题的课后习题，内容至少覆盖纹理映射以及光线跟踪。

（四）教学方法与手段

课堂板书结合PowerPoint电子教案讲授。

第五章图形标准

（一）目的与要求

熟悉OpenGL程序结构、基本几何元素、坐标变换和光照处理；了解

VRML。

（二）教学内容

第一节 OpenGL

1．主要内容

OpenGL概述、OpenGL程序结构、基本几何元素、坐标变换和光

照处理、VRML。

2．基本概念和知识点

OpenGL概述、OpenGL程序结构、基本几何元素、坐标变换和光

照处理、VRML。

3．问题与应用（能力要求）

熟悉OpenGL程序结构、基本几何元素、坐标变换和光照处理；

了解VRML。

（三）实践环节

VC下OpenGL运行框架的搭建，光源和材质的设定。

（四）教学方法与手段

课堂板书结合PowerPoint电子教案讲授。

第六章图形变换

（一）目的与要求

1.掌握图形变换中的数学方法；

2.理解平移变换、比例变换、旋转变换、对称变换、错切变换、基

本图形元素变换；

3.理解三维图形的几何变换。平行投影、透视投影、透视投影技巧。（二）教学内容

第一节图形变换中的数学方法

1．主要内容

图形变换中的数学方法。

2．基本概念和知识点

图形变换中的数学方法。

3．问题与应用（能力要求）

掌握图形变换中的数学方法。

第二节二维图形的几何变换

1．主要内容

平移变换、比例变换、旋转变换、对称变换、错切变换、基本图

形元素变换。

平移变换、比例变换、旋转变换、对称变换、错切变换、基本图

形元素变换。

3．问题与应用（能力要求）

理解平移变换、比例变换、旋转变换、对称变换、错切变换、基

本图形元素变换。

第三节三维图形的几何变换

1．主要内容

三维图形的几何变换。

2．基本概念和知识点

三维图形的几何变换。

3．问题与应用（能力要求）

理解三维图形的几何变换。

第四节投影变换

1．主要内容

平行投影、透视投影、透视投影技巧。

2．基本概念和知识点

平行投影、透视投影、透视投影技巧。

3．问题与应用（能力要求）

平行投影、透视投影、透视投影技巧。

（三）实践环节与课后练习

用矩阵实现基本图形的对称、平移、旋转等变换。

（四）教学方法与手段

课堂板书结合PowerPoint电子教案讲授。

第七章图形计算与图形的数据结构

（一）目的与要求

1.掌握求二直线段的交点、直线段与曲线段的交点、曲线与曲线的

交点、直线与平面的交点、直线与曲面的交点算法；

2.掌握平面与曲面的交线、曲面与曲面的交线计算方法；

3.理解包含与重叠相关概念；

4.理解凸包的计算；

5.理解轮廓线概念；

6.了解等值线与网格的边相交的条件，等值线的起点、终点于分枝；

7.了解图形数学表示的若干方法、其它表示方法；

8.理解图形的数据结构；

9.了解图形数据库。

（二）教学内容

第一节交点的计算方法

1．主要内容

二直线段的交点、直线段与曲线段的交点、曲线与曲线的交点、

直线与平面的交点、直线与曲面的交点。

二直线段的交点、直线段与曲线段的交点、曲线与曲线的交点、直线与平面的交点、直线与曲面的交点。

3．问题与应用（能力要求）

掌握求二直线段的交点、直线段与曲线段的交点、曲线与曲线的交点、直线与平面的交点、直线与曲面的交点算法。

第二节交线的计算方法

1．主要内容

平面与曲面的交线、曲面与曲面的交线。

2．基本概念和知识点

平面与曲面的交线、曲面与曲面的交线。

3．问题与应用（能力要求）

掌握平面与曲面的交线、曲面与曲面的交线计算方法。

第三节包含与重叠

1．主要内容

包含与重叠相关概念。

2．基本概念和知识点

包含与重叠。

3．问题与应用（能力要求）

理解包含与重叠相关概念。

第四节凸包的计算

1．主要内容

凸包的计算。

2．基本概念和知识点

凸包的计算。

3．问题与应用（能力要求）

理解凸包的计算。

第五节轮廓线

1．主要内容

轮廓线概念。

2．基本概念和知识点

轮廓线。

3．问题与应用（能力要求）

理解轮廓线概念。

*第六节等值线（自学）

1．主要内容

等值线与网格的边相交的条件，等值线的起点、终点于分枝。2．基本概念和知识点

等值线与网格的边相交的条件，等值线的起点、终点于分枝。3．问题与应用（能力要求）

了解等值线与网格的边相交的条件，等值线的起点、终点于分枝。第七节图形的表示法

图形数学表示的若干方法、其它表示方法。

2．基本概念和知识点

数学表示的若干方法、其它表示方法。

3．问题与应用（能力要求）

了解图形数学表示的若干方法、其它表示方法。

第八节图形的数据结构

1．主要内容

图形的数据结构。

2．基本概念和知识点

图形的数据结构。

3．问题与应用（能力要求）

理解图形的数据结构。

*第九节图形数据库（自学）

1．主要内容

图形数据库。

2．基本概念和知识点

图形数据库。

3．问题与应用（能力要求）

了解图形数据库。

（三）实践环节与课后练习

编程实现凸包的计算算法。

（四）教学方法与手段

课堂板书结合PowerPoint电子教案讲授。

*第八章图形系统的总体设计（选学）

（一）目的与要求

1.掌握图形系统设计原则；

2.理解图形系统设计的基本问题；

3.了解图形系统软、硬件配置；

4.掌握图形要素及图形运算；

5.理解用户接口形式、用户接口的设计、基本交互任务组合、用户

接口软件。

（二）教学内容

第一节图形系统设计原则

1．主要内容

图形系统设计原则。

2．基本概念和知识点

图形系统设计原则。

3．问题与应用（能力要求）

掌握图形系统设计原则。

第二节图形系统设计的基本问题

图形系统设计的基本问题。

2．基本概念和知识点

图形系统设计的基本问题。

3．问题与应用（能力要求）

理解图形系统设计的基本问题。

第三节图形系统软、硬件配置

1．主要内容

图形系统软、硬件配置。

2．基本概念和知识点

图形系统软、硬件配置。

3．问题与应用（能力要求）

了解图形系统软、硬件配置。

第四节图形要素及图形运算

1．主要内容

图形要素及图形运算。

2．基本概念和知识点

图形要素及图形运算。

3．问题与应用（能力要求）

掌握图形要素及图形运算。

第五节人机交互功能

1．主要内容

用户接口形式、用户接口的设计、基本交互任务组合、用户接口

软件。

2．基本概念和知识点

用户接口形式、用户接口的设计、基本交互任务组合、用户接口

软件。

3．问题与应用（能力要求）

理解用户接口形式、用户接口的设计、基本交互任务组合、用户

接口软件。

（三）实践环节与课后练习

设计一个Windows下GUI的图形系统，实现绘制，删除，保存线，圆弧等图元功能。

（四）教学方法与手段

课堂板书结合PowerPoint电子教案讲授

六、推荐教材和教学参考资源

推荐教材：

1、罗笑南、王若梅，计算机图形学（第三版），广州：中山大学出版社，。

2、李东、孙长嵩、苏小红，计算机图形学实用教程，北京：人民邮电出版

社，。

教学参考资源：

1、孙家广、胡事民，计算机图形学基础教程，北京：清华大学出版社，。

2、唐荣锡、汪嘉业、彭群生等，计算机图形学教程（修订版），北京：科

学出版社，2000。

3、杨钦、徐永安、翟红英，计算机图形学，北京：清华大学出版社，2005。

七、其他说明

大纲修订人：吴东庆修订日期：大纲审定人：胡小健审定日期：