计算机图形学

教学大纲:计算机图形学(OpenGL)

厦门大学计算机科学系信息库

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1 "计算机图形学"课程教学大纲和教学规程 1.1 课程基本信息 1.2 课程性质、类别与任务 1.3 课程教学的基本要求（教学内容和教学重点） 1.4 教学目标、教学内容的初步论证和教学过程中应该注意的事项 1.5 课外教学要求 1.6 课程的实验教学 1.7 考核的方式方法

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"计算机图形学"课程教学大纲和教学规程

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课程基本信息

课程编号：

课程名称（中文）：计算机图形学

课程名称（英文）：Computer Graphic

开课学期：见培养方案与教学计划

课程类别：研究生选修课程，本科生专业课

总学时数与学分： ？？学时（3学分，含实验课时，5学时/周）

先修课程：高级语言程序设计、线性代数、数据结构

教学形式：课堂讲授 +项目积分教学(实验教学)

使用教材：李胜睿等编著，《计算机图形学实验教程》，机械工业出版社，2004年10月第1版。

教学参考书：

1. Richard S. Wright Jr., Michael R. Sweet等编著. OpenGL SuperBible. 第二版. Pearson Education, 1999年12月16日
2. Dave Shreiner等编. OpenGL Programming Guide: The Official Guide to Learning OpenGL. 第四版. Wesley Pub Co, 2003年11月14日
3. NEHE的OPENGL教程 http://nehe.gamedev.net
4. OPENGL官方站点 http://www.opengl.org/
5. glut库相关站点 http://www.opengl.org/resources/libraries/glut.html
6. fmod音频库 http://www.fmod.org

大纲制定者： 李胜睿（厦门大学计算机科学系）

大纲审定者：

此外，在本课程中，学生应以项目实际开发能力提升为主线，实践立足于理论，理论联系实践，相辅相成，增强对理论的理解，同时具备进一步开发3D工程的能力。

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课程性质、类别与任务

"计算机图形学"是一门专业基础课程，知识覆盖面广，其应用包括3D的实时绘制（视频游戏）、视频捕捉和视频重建、动画特效处理（电影和电视）、图像处理、建模（工程和医学领域）等等，目前属于本系的选修课程。本课程的教学任务是介绍2D图形学和3D图形学的基本理论，了解各种图形学基本算法，结合OpenGL建立对底层系统的认识，同时重点培养学生运用OpenGL开发图形工程的能力。通过大量的OpenGL项目，进一步提升学生对图形学基本理论的理解和运用能力。同时为后继的高级课程，如虚拟现实，3D游戏开发，动画特效处理提供必要的理论和工程基础。此外，图形学的后继课程对学生的空间想象力、开发创造力都有较严格的要求，课程设计的OpenGL项目应具有较大的灵活性，注意培养学生的想象力和创造力。

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课程教学的基本要求（教学内容和教学重点）

"计算机图形学"的内容是介绍2D和3D图形学的基本理论和基本的图形生成算法，各种重要的3D图形生成技术以及该领域的相关研究课题。重点是培养学生运用理论，掌握优秀的3D图形开发库。课程的基本要求是通过教学活动，使学生具有开发简单图形学工程的能力，能够用图形学的技术解决相应的实际问题。(技术知识点暂以OpenGL为例)。基本概念：计算机图形学的基本定义；2D图形学和3D图形学的介绍；图形系统的结构框架；图形APIS简介；流行的图形工具简介。

2D元素的绘制: 点；直线，直线扫描算法；椭圆，圆扫描算法；曲线的参数表示；贝塞尔曲线；样条曲线的定义；NURBS曲线。基于扫描线的边缘填充；基于边的边缘填充；绘制实心的2D图形(三角形，矩形，圆形)。 3D元素的绘制：立方体；球体；圆柱体；椎体； 扇形盘；茶壶；贝塞尔曲面；NURBS曲面。

3D坐标系：空间点的向量表示；坐标系的定义；透视投影原理；透视投影的实现；OpenGL中透视投影的运用；正射投影原理；正射投影的实现；OpenGL中正射投影的运用；正射投影同透视投影的区别和适用范围；世界坐标系同屏幕坐标系的双向转换。

图形的几何变换：平移的原理；旋转的原理；缩放的原理；OpenGL中平移的运用；OpenGL中旋转的运用；平移和旋转的混合运用；OpenGL中缩放的运用。

光照和材质：RGBA色彩的表示；点光源；聚光源；平行光源； OpenGL中的光源；OpenGL中的光照(全局光，漫射光，反射光)；Phong光照模型； OpenGL中的材质(全局光属性，漫射光属性，反射光属性，辅射光属性)；OpenGL中的颜色材质；平滑阴暗处理；光滑阴暗处理模型；3D场景中的多光源绘制技术。

3D图形技术：3D复杂物体建模；面消隐；OpenGL中的切割技术(投影视装体切割，自定义面切割)；深度测试；混合技术；OpenGL中透明的实现；表面法线和纹理。

3D动画技术和人机交互：双缓存原理；OpenGL中3D动画的实现；纹理动画；摄像机投影原理；视点控制（第一人称场景漫游）；OpenGL的选择机制；OpenGL的拣选技术；OpenGL的反馈机制；反馈技术；时间控制技术。

自然景物模拟:雾；粒子系统；物理建模；水波的模拟；天空的模拟；户外地形的模拟；植物的模拟；

3D图形工程技术：英文字体；中文字体；glut平台框架；多粒子系统技术；Obj模型；3DS模型；Stencil测试原理；透视技术；OpenGL中的多视口技术；音频引擎。

高级图形工程技术：ode物理引擎的运用；OGRE图形引擎的运用； sdl框架的使用；

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教学目标、教学内容的初步论证和教学过程中应该注意的事项

本课程作为专业基础课，必须涵盖图形学基本理论的教学，同时重点培养学生图形工程开发的能力。由于计算机图形学知识覆盖面广，涉及大量的算法，国内传统的图形学教学普遍集中于底层算法，学生缺乏实践的经验，同时教学同实际的运用严重脱节，学生只见树叶不见森林，无法学以致用。在有限的教学学时内，本课程另辟蹊径，提倡从实践入手，通过大量的涵盖理论知识点的图形项目的训练，在提高学生工程开发能力的同时也加深了学生对理论的理解和运用。另外，图形工程的设计必须灵活，严谨，分层次。灵活指的是工程的评价标准灵活，用一个工程可以允许学生根据自身的特点设计出不同的作品，充分强调创造力；严谨指的是工程的设计必须有一定的理论依据，考察学生对特定知识点的掌握，充分体现学生的水平; 分层次指的是项目之间有难度的区分，至少分为简单，中等，难3个等级，既有难度较小，考察知识点单一，又有难度较大考察综合能力的项目，适应学生层次不同的需求。

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课外教学要求

本课程的课外教学形式主要由学生看资料，学习优秀代码，开发项目，任课老师辅导等几个部分构成。任课教师（包括助教）每周安排1次辅导、上机答疑，每次2小时，主要帮助解决学生图形工程开发中遇到的困难。每次辅导、答疑至少应有一位教师参加，学生人数较多的时候可以合并执行。主讲教师应审查全班学生工程项目的30%以上，便于控制项目进度和难度，参加辅导、答疑的次数不少于总次数的1/2，以掌握教学的效果，调控教学进度。课程对学生项目质量要求是：有创意，图形表现优美，技术使用得当，概念理解正确。

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课程的实验教学

课程的实验教学将根据教学进度，本着从浅入深的原则，安排4次以上的实验课，介绍典型技术范例。学生应按照要求掌握相应的技术，并且将其进一步运用于自己的项目。同时实验课的主要内容安排为项目的一对一"面试"考核。在项目的截止日期前，学生讲解项目技术要点和设计思路，任课教师结合知识点提问，考察学生的掌握情况，最后给学生量分。面试考核一方面杜绝抄袭，锻炼学生的表达能力； 另一方面任课老师也可以准确完整地评价学生的真实水平，掌握教学效果。期末阶段要求学生根据整个学期的项目情况作一个综合报告，在回顾中巩固知识，发现不足。

实验室的实践环节拟安排30学时（10次共10*3= 30学时）,实验室考核成绩计入课程考核成绩。

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考核的方式方法

课程结束考核方式： 积分制

积分制：期末成绩= 项目积分*70%+期末笔试*30%+学期综合报告(5)

项目积分(70%):

1. 每个项目按照难度的区别分为3等级，分值不同(10,20,30)
2. 每个项目都有截至日期，超期的项目分值减半。
3. 通过面试获得该项目的积分
   

特别的规定:

1. 项目积分>=80分则不需要参加上机课，项目积分满分。
2. 项目积分>=100分免试.(笔试以80分计)
3. 项目积分>=120分免试.(笔试和项目积分以满分计) 期末成绩满分。
4. 积分超过120的部分可以有条件转送，但最多可以分给两个人。

期末笔试(30%):

期末项目积分大于10分的同学才可参加。

学期综合报告(5分):

对整个学期学习和项目情况的总结和分析。

项目考核的方式： 通过一对一面试，任课教师对学生知识的掌握情况，项目的创意，项目的图形表现和项目所使用的技术进行评估，项目得分分为4等，实际得分为等级*项目分值。其中，优（85%分），良（75%），及格（60%），不及格（56%及以下）

考试命题： 任课教师命题，研究所分管该课程的负责人和分管教学的系副主任审题；

课程考试的命题内容要从大纲的要求出发，围绕本课程的教学内容、知识点和教学要求，着重从知识、能力、素质三个方面对学生进行全面的考核，重点考核学生运用知识解决问题的能力，同时考察学生的综合素质。考核范围为除了最后一周教学的内容外，其他大纲确定的知识点都在考试范围之内。试卷中不少于85%的内容应来自课程重点内容的范围，不少于10%的内容应来自课程非重点内容的范围，要求学生全面复习，以达到系统掌握，全面考核的目的。试卷的题型要力戒避免文科标准化试卷的题型，避免出现简单概念问答题和简答题。试卷题目数量一般为5、6、7题，以优秀学生在全部会做的情况下正常书写速度能够在120分钟内完成为宜。试卷题目数量的减少与全面考核的目的并不矛盾。由于考核的范围是明确的，只要教师不透露题型和范围，学生就必须全面复习，这样，即使题目不覆盖某些教学内容，也不会影响实际的教学效果。

随堂监考授权： 主讲教师和助教

期中考试：不安排，以项目积分为参考值。

口试：任课教师有权根据需要，安排学生进行口试。

积分制考核说明:

1. 积分制可以达到分层次培养学生的目的。优秀的学生可以通过自己的努力完成难度较大的项目，提前完成课程的学习；中等和水平比较一般的同学可以选择难度较小的项目循序渐进。
2. 积分制可以相当准确的评价学生的水平，允许任课教师更合理把握教学效果，调整教学进度。
3. 积分制在暴露差距的同时可以在教学过程中形成良性的竞争，激励学生为了在竞争中取得优势，充分发挥其主观能动性，巩固理论，提高技术。并在学生中形成水平不同的梯队，各梯队之间相互促进，带动整体水平的提高。
4. 积分制提供了合理的激励机制，能够培养学生挑战自我超越自我的精神，提高在压力下的学习和项目开发能力。
5. 积分制赋予了特别优秀的学生额外的特权（积分赠送），让他们也参与到课程的建设上来，可以更直接的辅导，帮助较落后的同学。
6. 对于积分超过积分上限的同学，积分的评价已经足够，不需要参加期末笔试。