清华大学：《计算机图形学基础》课程教学大纲 Fundamental of Computer graphics（负责人：胡事民）

一、课程基本情况 课程编号 40240422 学分 2 总学时 32 课程名称 中文名称 计算机图形学基础 英文名称 Fundamental of Computer graphics 教学目的与重 点 （一）、课程的重要性 计算机图形学是计算机系本科生的一门重要课程，计算机图 形学时计算机学科中最活跃的一个分支之一，是虚拟现实、计算 机动画、可视化等课程的基础，在 ACM/IEEE 的计算机科学教学 大纲中有这门课的要求。 （二）、课程在内容安排及教学过程中的特色 本课程以课堂教学、上机实践、课后作业相结合的方式进行 教学。上机题和作业题在上完相关内容后布置。上机作业在学期 结束前，交上机实验结果和实验报告。 （三）、通过该课程学习学生应掌握的知识、达到的水平或能力 既向学生传授图形学的经典方法和最新成果，也注重培养学 生动手实践能力。初步掌握光栅图形学、几何造型和真实感图学 绘制的知识。能够编程实现大部分的光栅算法，和简单的真实感 绘制算法，和简单的 Bezier 曲线的几何计算。 课程类型 □文化素质课 □公共基础课 □学科基础课 专业基础课 □专业课 □其它 教学方式 讲授为主 □实验/实践为主 □专题讨论为主 □案例教学为主 □自学为主 □其它 授课语言 □中文  中文＋英文（英文授课>50%） □英文 □其他外语 考核方式及成 绩评定标准 考核方式：阅读报告+作业+课程大作业 成绩评定标准：论文阅读报告(20%),作业(20%),课程大作业(60%) 教材及主要参 考书  教材 孙家广 胡事民，计算机图形学基础教程，清华大学出版社，2005 年；  主要参考书 3D Computer Graphics: A Mathematical Introduction with OpenGL, by Samuel R. Buss, June 2003； Computer Graphics (C version), Donald Hearn, M ， Pauline Baker, 清华大学出版社， Prentice Hall 出版社， 1998

先修要求、适 用院系及专业  先修课程 数据结构  适用院系及专业 计算机系 二、课程内容简介 本课程是为清华大学计算机系本科生开设的选修课，旨在介绍计算机图形学 的基本概念、理论、方法和系统，主要内容包括：颜色模型、曲线曲面造型，光 照模型，明暗处理，纹理，光线跟踪算法等。 This course introduces basic concepts, elements, algorithms and systems of computer graphics. The main contents include color model, curve and surface modeling, solid modeling, illumination model (Phong model, Cook-Torrance model), phong shading and Gouraud shading, texture mapping, ray tracing, etc. 三、课程主要教学内容 第一章 图形学简介 (2 学时) 1.1 计算机图形学的研究内容 1.2 发展的历史回顾 1.3 应用及研究前沿 1.4 图形设备 第二章 颜色模型、图像基本知识、Phong 光照模型 (2 学时) 2.1 颜色模型 2.1.1 颜色模型的视觉基础 2.1.2 RGB 颜色模型 2.1.3 HSV 颜色模型 2.1.4 其它颜色模型 2.2 图像基本知识 2.3 Phong 光照模型 第三章 视图模型变换 (2 学时) 3.1 视图模型变换和视点的意义 3.2 视图变幻 3.3 齐次坐标 3.4 视点变换 第四章 材质反射属性模型 BRDF (2 学时)

4.1 BRDF 基础知识 4.2 BRDF 的定义和性质 4.3 BRDF 模型 4.4 BRDF 度量 第五章 光线跟踪 (4 学时) 5.1 光线跟踪简介 5.2 光线求交 5.3 阴影 5.4 透明和镜面反射 5.5 纹理 第六章 Bezier 曲线曲面 (4 学时) 6.1 参数曲线和曲面的基本概念 6.2 Bezier 曲线：概念与性质 6.3 Bezier 曲面：矩形的和三角形的 6.4 矩形和三角形 Bezier 曲面的转换 第七章 B 样条曲线曲面 (2 学时) 7.1 样条曲线简介 7.2 B 样条曲线及其性质 7.3 B 样条曲面 7.4 NURBS 曲线和曲面 第八章 网格 (4 学时) 8.1 网格基本知识 8.2 网格简化 8.3 细分 8.4 参数化 第九章 光线跟踪加速 (4 学时) 9.1 包围和技术 9.2 均匀格点法 9.3 四叉树，八叉树 9.4 空间二分树 第十章 纹理 (2 学时) 10.1纹理简介 10.2纹理合成

10.3纹理映射 10.4纹理前沿技术 第十一章 阴影生成 (2 学时) 11.1阴影概述 11.2硬阴影和软阴影 11.3平面阴影 11.4曲面阴影 11.5阴影图 11.6高级技术 第十二章 图形学前沿讲座 四、实验及大作业内容 实验（一）：实现一个室内场景的 Phong 模型+Ray Casting 绘制  实验目的： 掌握模型绘制的方法  实验内容： 基本要求 能渲染一个复杂的场景，包括： 1. 基本几何体：立方体，多面体，球面等 2. 效果：phong 光照模型，纹理，反射，透明，纹理，阴影 3. 不允许使用任何 OpenGL 相关的库。 命令行程序只需要输出图片就可以了。最好能给出一个在场景中视点变化的 漫游视频。 选做部分： 1. 其他的 BRDF 模型 2. 光线跟踪加速技术：需要在场景中渲染复杂的几何体（例如读入一个大 的 obj 文件），给出程序的运行时间 3. 高维纹理 4. 软阴影 5. 场景中支持任意的二次曲面 6. 你能想到的其他扩展  实验类型： 综合设计型实验 实验（二）：实现网格简化算法  实验目的： 理解和实现网格简化方法  实验内容： 基本要求

1. 实现边坍塌的网格简化方法。 2. 能够用 OpenGL 进行网格的显示：推荐使用 VC 自带的 glaux 库 3. 程序能指定输入输出的 obj 文件，以及面数的简化比（输出面数占输入面 数的百分比），例如命令行程序可以支持如下参数 mesh_simp.exe 输入.obj 输出.obj 简化比（一个小数，例如 0.3） 4. Obj 文件的格式比较简单，需要能够自己读取，其格式见第 8 部分或者网 络学堂上的 OBJ File Format.pdf。 选做部分： 1. 显示 mesh 的时候可以考虑支持鼠标控制的旋转，平移和缩放 2. 实现第 6 讲介绍的顶点去除方法 3. 其他你能想到的一些扩展，最好是对现有方法的改进  实验类型： 综合设计型实验 五、课程知识单元与知识点

CG1：颜色模型  颜色模型的视觉基础  RGB 颜色模型  HSV 颜色模型  其它颜色模型. CG2：视图模型变换  视图变换  齐次坐标  视点变换 CG 3：材质反射属性模型 BRDF  BRDF 模型  BRDF 度量 CG 4：光线跟踪  光线求交  阴影  透明和镜面反射  纹理 CG 5：曲线曲面  Bezier 曲线  Bezier 曲面  B 样条曲线  B 样条曲面 CG 6：网格  网格表示  网格简化  细分  参数化 CG 7：光线跟踪加速  包围和技术  均匀格点法  四叉树，八叉树  空间二分树 CG 8：纹理和阴影  纹理合成

 纹理映射  硬阴影和软阴影  平面阴影和曲面阴影