3D图形程序设计刘云根南昌大学本科课程教学大纲.pdf

1 南昌大学本科课程教学大纲 课程名称 3D 图形程序设计 课程英文名称 3D Graphics Programming 课程编码 Z6110X0038 课程性质（用表示）类通识教育课程 类通识教育课程 学科基础课程 专业主干课程 专业选修课程 创新创业类课程 学分 总学时 理论 实验学时 实践(学时/周数)课内学时 课外学时 3 48 48 开课院系 信息工程学院计算机系 面向专业 计算机科学与技术 先修课程 高级语言程序设计，计算机图形学 课程关键词 图元、几何变换、纹理、光照 授课教师基本信息 课程负责人 姓名 教师工号 性别 出生年月 职称 学历/学位 刘云根 004881 男 1971 讲师 博士 其他主讲教师 教材及参考资料 必含信息：教材名称，作者，出版社，出版年份，版次，ISBN号等：1 付飞,李艳辉,译,OpenGL超级宝典(第 5版),人民邮电出版社,2012-5 2 李军,徐波,译,OpenGL编程指南(第 8版),机械工业出版社,2014-10 2 课程简介（中文）含课程性质、培养目标等，其中着重描述课程教学在培养学生知识、能力、素质等方面的贡献，具体请参考专业培养方案知识、能力、贡献等内容：3D 图形程序设计是当前计算机应用技术的主要发展方向之一，是实现3D 场景构造、动漫游戏、虚拟现实和增强现实等应用的基础核心技术，在众多领域都有着广泛的应用前景。本课程以OpenGL图形编程 API为基础，介绍 3D 图形绘制、几何变换、纹理贴图、光照效果、模型加载等基础 3D 图形编程技术与方法，从固定功能管线与着色器两个不同角度讲解 OpenGL的具体功能。知识贡献：A4、专业知识 能力贡献：B2、发现问题、分析问题、解决问题能力，B3、逻辑思维能力，素质贡献：C6、人际交往，C7、团队合作 课程简介（英文）含课程性质、教学目标等，其中着重描述课程教学在培养学生知识、能力、素质等方面的贡献，具体请参考专业培养方案知识、能力、贡献等内容：教学目的 本课程的目的是让学生了解 3D 程序设计的基本原理与实现方法，掌握OpenGL的相关功能与技术，具备 3D 图形程序的设计与实现能力。课程内容 以章、节形式排序，含课程教学基本内容、教学重点及难点等（可多页）：第 1 章 概述 1.1 课程介绍 教学内容的总体介绍，相关基础，现状和发展趋势，推荐参考资料 1.2 3D程序设计概述 图形编程接口（OpenGL、DirectX3D），3D 数学基础 1.3 重点和难点 OpenGL图形编程接口，3D 数学基础 第 2 章 OpenGL简介 2.1 什么是 OpenGL 图形 API，包括 gl 和 glu库，工作顺序：几何建模、设置视点、计3 算颜色、光栅化 2.2 OpenGL函数语法 函数前缀与后缀、函数名单词首字母大写、常量用大写字母单词间下划线相连 2.3 OpenGL流水线 OpenGL是一个状态机，可查询并设置工作状态 2.4 编程实例 安装 glut工具包，OpenGL程序的基本结构 2.5 重点和难点 OpenGL程序的基本结构，OpenGL流水线的工作机制 第 3 章 几何图元 3.1 绘图工具箱 3 种基本的绘图操作：清除窗口、绘制几何图形、绘制光栅对象 3.2几何图元简介 OpenGL的10种几何图元，指定图元的开始和结束 3.3 基本状态管理 OpenGL的常用状态变量，状态的打开、关闭和查询 3.4 绘制几何图元 点、线、面的绘制，抗锯齿和多重采样 3.5 法线向量 给顶点指定法线，法向量方向与表面的外侧，法向量的规范化 3.6 顶点数组 顶点数组的作用，顶点数组的使用步骤，混合顶点数组 3.7 索引数组 索引数组的作用，索引数组的使用方法 3.8 重点和难点 绘图工具箱的使用，常用几何图元的绘制。顶点数组的使用方法，缓冲区对象的使用方法 第 4 章 着色器 4.1 着色器简介 可编程管线、着色器程序结构 4.2 创建着色器 顶点着色器、片段着色器、着色器代码文件的加载、着色器对象的创建与编译、着色器程序的创建与链接 4.3 加载数据 顶点数组对象、顶点缓冲对象和索引缓冲对象的作用与使用方法 4.4 着色语言 基本数据类型、容器类型、attribute变量、uniform变量、in 变量和 out变量、4.5 编程实践 基于着色器的几何图形绘制，着色器代码文件的加载方法，着色器类的设计与实现 4 4.6 重点和难点 顶点着色器、片段着色器和着色器程序的创建、编译与链接。顶点数组对象、顶点缓冲对象和索引缓冲对象的使用方法 第 5 章 纹理贴图 5.1 纹理简介 真实感绘制的实现方法，纹理贴图的作用，纹理贴图的基本原理 5.2 环绕方式 四种常用的纹理环绕方式，纹理环绕的设置方法 5.3 纹理过滤 纹理坐标与纹理像素的对应关系，近邻过滤和线性过滤的原理，纹理过滤的设置方法，多细节层次纹理的作用与使用方法 5.4 纹理的使用 纹理图像的加载方法，申请纹理对象 ID，绑定纹理对象，创建纹理，纹理对象的使用 5.5 纹理单元 多重纹理，定义多重纹理，激活纹理，使用多重纹理 5.6 重点和难点 纹理环绕和纹理过滤的设置方法，纹理的创建与使用，纹理贴图的实现原理，纹理过滤的实现方法 第 6 章 几何变换 6.1 原理简介 利用照相过程说明 OpenGL从 3D 场景变换到屏幕显示的实现原理 6.2 坐标系统 五种空间的坐标系：局部空间，世界空间，视点空间，裁剪空间，屏幕空间 6.3 模型变换 缩放矩阵，平移矩阵，旋转矩阵，组合变换，模型变换的次序 6.4 视点变换 摄像机的位置、观察方向、右侧和上侧向量，摄像机坐标系与视点变换矩阵 6.5 投影变换 视景体与观察范围，透视投影与正投影，透视投影矩阵与投影变换 6.6 视口变换 显示窗口的大小与视口变换，深度缓存区域深度测试 6.7 重点和难点 OpenGL几何变换的实现原理，五大空间与四大变换，几何变换、视点变换、投影变换、视口变换的变换矩阵构造方法 第 7 章 颜色与光照 7.1 颜色基础 颜色的感知，计算机中颜色的表示，RGBA模式和颜色索引模式，OpenGL着色模式，单调着色和平滑着色 5 7.2 光照模型 冯氏光照模型，环境光及实现、漫反射及其实现，镜面光及其实现 7.3 材质与光源 物体的材质属性：环境光、漫反射、镜面光的反射属性和镜面指数，光源属性：光源位置和环境光、漫反射光、镜面反射光的亮度 7.4 光照贴图 漫反射贴图：用纹理像素表示物体各像素点的漫反射颜色，镜面贴图：用纹理像素表示物体各像素点的镜面反射颜色 7.3 光源类型 定向光源，点光源与光的衰减，聚光光源，内光锥与外光锥，光锥边缘的软化，多种光源的混合使用 7.4 重点和难点 冯氏光照模型的原理与光照效果的实现，冯氏光照效果的计算方法 第 8 章 模型加载 8.1 模型加载库 模型加载库 Assimp，Assimp的主要数据结构。8.2 网格 模型网格与Mesh类；Mesh类的设计；Mesh成员函数的实现。8.3 模型 模型解析与 Model类；Model类的设计；模型的解析与加载。8.4 重点和难点 Mesh类的设计与实现；Model类的设计与实现。Assimp的主要数据结；模型的解析与加载。周教学进度安排及学时分配 周次 教学内容简要说明 学时 教学方式 作业 1 OpenGL简介：函数语法，函数库，渲染流水线。3 多媒体 2 几何图元的绘制：点、线、三角形、四边形的绘制。3 多媒体 3 基于固定管线的绘制：遮挡剔除、缓冲区的使用，顶点数组，缓冲区对象，顶点数组对象，属性组 3 多媒体 4 着色器基础：顶点着色器、片段着色器、着色器对象的创建与编译、着色器程序的创建与链接 3 多媒体 5 基于着色器的绘制：顶点缓冲对象、顶点数组对象、索引缓冲对象、着色器类 3 多媒体 6 6 纹理贴图：纹理简介、环绕方式、纹理过滤。3 多媒体 7 纹理贴图：纹理的创建和应用、多重纹理。3 多媒体 8 几何变换：几何变换原理介绍、OpenGL的五种坐标系。3 多媒体 9 几何变换：模型变换、视点变换、投影变换、视口变换 3 多媒体 10 几何变换：摄像机的工作原理，摄像机类的实现。3 多媒体 11 颜色与光照：颜色基础，光照模型 3 多媒体 12 颜色与光照：材质属性，光源属性，光照贴图 3 多媒体 13 颜色与光照：定向光源、点光源和聚光光源。3 多媒体 14 模 型 加 载：模 型 加 载 库Assimp，模型网格与Mesh类。3 多媒体 15 模型加载：模型解析与Model类，模型加载。3 多媒体 16 期末复习 3 多媒体 课程考核方式 分类 考核方式 考核内容 成绩比重 过程考评 课堂表现 20%期中考评 大作业或笔试 20%期末考评 大作业或笔试 60%备注 执笔人：刘云根 完成日期：2016年 12 月 30 日 审核人：审核日期：