программа кг ульянов

Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"
Факультет информационных технологий и вычислительной техники
Программа дисциплины компьютерная графика
для направления/ специальности 230104 «Системы автоматизированного
проектирования» подготовки бакалавра/ магистра/ специалиста
Автор программы:
Ульянов Н.Г., к.т.н., доцент, электронный адрес: ulyanovnik @inbox.ru
Одобрена на заседании кафедры ИТАС
Зав. кафедрой Тумковский С.Р.
«___»____________ 20 г
Рекомендована секцией УМС [Введите название секции УМС] «___»____________ 20 г
Председатель [Введите И.О. Фамилия]
Утверждена УС факультета ИТиВТ
«___»_____________20 г.
Ученый секретарь [Введите И.О. Фамилия] ________________________ [подпись]
Москва, 201_
Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями
университета и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.
1. Цели и задачи дисциплины:
Целью дисциплины является изучение и практическое освоение
методов и алгоритмов создания плоских и трехмерных реалистических
изображений в памяти компьютера и на экране дисплея. В процессе изучения
дисциплины рассматриваются теоретические и прикладные вопросы
применения современных систем компьютерной графики.
В результате изучения дисциплины студенты должны знать:
- методы визуального представления информации;
- математические основы компьютерной графики и геометрического
моделирования;
- особенности; восприятия растровых изображений;
- методы квантования и дискретизации изображений
- системы кодирования цвета
- алгоритмы двумерной и трехмерной растровой графики
- геометрические преобразования;
- уметь применять на практике алгоритмы компьютерной графики при
создании изображений двух- и трехмерных объектов, моделировании
процессов, создании пакетов программ.
- иметь представление о методах геометрического моделирования,
моделях графических данных и технических средствах компьютерной
графики.
2. Место дисциплины в структуре ООП:
Дисциплина относится к базовой части раздела ООП «Профессиональный
цикл» и является частью профессионального учебного цикла в структуре
ООП
На входе от cтудента требуются компетенции по следующим областям
знаний:
 Основы линейной алгебры;
 Математическая логика;
 Основы информатики и ИКТ;
 Программные и аппаратные средства информатики;
 Информатика и программирование.
Компетенции, полученные в результате изучения данной дисциплины,
необходимы для изучения следующих дисциплин и выполнения видов
деятельности:
 ОПД.Ф1 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации
 ОПД.Ф3 Программная инженерия
 Б3.Ф4 Информационные системы и технологии
 Б3.Ф7 Базы данных
 СД.Ф.7 Разработка САПР
 Б3.Ф8 Информационная безопасность
 Учебная и производственная практики
3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
В результате изучения дисциплины студенты должны:
знать методы визуального представления информации, математические
основы
компьютерной графики и геометрического
моделирования,
особенности восприятия растровых изображений, методы квантования и
дискретизации изображений, системы кодирования цвета, алгоритмы
двумерной и трехмерной
растровой графики,
геометрические
преобразования;
уметь применять на практике алгоритмы компьютерной графики при
создании изображений двух- и трехмерных объектов, моделировании
процессов, создании пакетов программ.
владеть представлением о методах геометрического моделирования,
моделях графических данных и технических средствах компьютерной
графики.
4. Объем дисциплины и вид учебной работы.
Всего
часов
Вид учебной работы
Аудиторные занятия (всего)
51
В том числе:
Семестры
6
51
-
Лекции
-
34
34
Лабораторные работы (ЛР)
17
17
Самостоятельная работа (всего)
72
2
-
-
-
-
-
-
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
В том числе:
-
Курсовой проект (работа)
-
34
34
Домашняя работа
68
68
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен)
Зач.
З
Общая трудоемкость
123
123
Расчетно-графические работы
Реферат
часы
5. Содержание дисциплины
5.1 Разделы дисциплины
№п/п
Раздел дисциплины
1
Введение
2
Принципы компьютерной
графики
Содержание раздела
Цель, задачи и структура курса.
Предмет компьютерной графики.
Роль компьютерной графики,
сферы применения, назначение
компьютерной графики.(2)
Типы графических
устройств. Графические дисплеи
на запоминающей трубке.
Векторные дисплеи с
регенерацией изображения.
Растровые графические дисплеи
с регенерацией изображения.
Буфер кадра, создание чернобелых и цветных изображений.
Системы с телевизионным
растром. Основные принципы
управления видеомонитором.
Графические адаптеры,
плоттеры, принтеры, сканеры.
Графические процессоры,
аппаратная реализация
графических функций. Понятие
конвейера ввода и вывода
графической информации.
Диалоговые устройства
(логические), применяемые в
графике: локатор, валюатор,
селектор, кнопка.
Системы координат,
применяемые в машинной
графике. Модели
геометрических объектов,
применяемые в машинной
графике. Способы задания
геометрических объектов.
Основные функции базовой
графики. Точки, линии,
полигоны. Методы заполнения
площади. Видовые операции.
Геометрические преобразования
графических объектов.
Графические библиотеки в
языках программирования. BGIграфика. Виртуальные
графические устройства (CGI).
Международный графический
стандарт GKS. Система
управления GKS. Понятие
рабочего места.
Понятие структуры диалога.
Интерактивные устройства.
Базовые методы диалога. Методы
создания и редактирования
изображений. Обьектноориентированный диалог.
Способы реализации
интерактивных графических
систем. Применение
интерактивных графических
систем.(4)
3
Основы растровой графики
Алгоритмы
вычерчивания
отрезков. Простой пошаговый
алгоритм разложения отрезка в
растр. Разложение в растр по
методу
цифрового
дифференциального анализатора.
Алгоритмы
Брезенхема
вычерчивания отрезков.Простой
алгоритм
Брезенхема.
Целочисленный
алгоритм
Брезенхема. Общий алгоритм
Брезенхема.
Вычерчивание
кривых.
Алгоритм Брезенхема и средней
точки
для
генерации
окружностей.
Способы
генерации
растровых
изображений
(формирование буфера кадра).
Растровая развертка в реальном
времени.
Групповое
кодирование,
клеточное
кодирование.
Изображение
отрезков. Изображение литер.
Растровая развертка сплошных
областей
Заполнение
многоугольников.
Простой
алгоритм
с
упорядоченным
списком
ребер.
Алгоритмы
заполнение по ребрам,
с
перегородкой, со списком ребер
и
флагом,
с
затравкой,
построчный алгоритм заполнения
с затравкой.
Основы методов устранения
ступенчатости.
Устранение
лестничного эффекта (алгоритм
Брезенхема,
фильтрация,
отсечение,
аппроксимация
полутонами).(10)
4
Отсечение
Алгоритмы
вычерчивания
отрезков. Простой пошаговый
алгоритм разложения отрезка в
растр. Разложение в растр по
методу
цифрового
дифференциального анализатора.
Алгоритмы
Брезенхема
вычерчивания отрезков.Простой
алгоритм
Брезенхема.
Целочисленный
алгоритм
Брезенхема. Общий алгоритм
Брезенхема.
Вычерчивание
кривых.
Алгоритм Брезенхема и средней
точки
для
генерации
окружностей.
Способы
генерации
растровых
изображений
(формирование буфера кадра).
Растровая развертка в реальном
времени.
Групповое
кодирование,
клеточное
кодирование.
Изображение
отрезков. Изображение литер.
Растровая
развертка
сплошных областей. Заполнение
многоугольников.
Простой
алгоритм
с
упорядоченным
списком
ребер.
Алгоритмы
заполнение по ребрам,
с
перегородкой, со списком ребер
и
флагом,
с
затравкой,
построчный алгоритм заполнения
с затравкой.
Основы
методов
устранения
ступенчатости.
Устранение лестничного эффекта
(алгоритм
Брезенхема,
фильтрация,
отсечение,
аппроксимация полутонами).
Двумерное
отсечение.
Простой алгоритм определения
видимости
и
двумерное
отсечение.
Алгоритм
СазерлендаКоэна, основанный на разбиении
отрезка. Алгоритм разбиения
средней точкой.
Обобщение
алгоритма
двумерного
отсечения
выпуклым окном произвольного
положения. Алгоритм КирусаБека.
Внутреннее и внешнее
отсечение (стирание). Отсечение
невыпуклым окном.
Трехмерное
отсечение.
Алгоритм отсечения средней
точкой. Трехмерный алгоритм
Кируса-Бека.
Отсечение
многоугольников.
Последовательное
отсечение
многоугольника
(алгоритм
Сазерленда-Ходжмена).
Отсечение
невыпуклыми
областями (алгоритм ВейлераАзертона). Отсечение литер.(6)
5
Удаление невидимых линий и
поверхностей (трехмерная
графика)
постановка
задачи синтеза
сложного
трехмерного
изображения. Этапы синтеза
изображения,
их основное
содержание и решаемые задачи.
Преобразования
в
трехмерном
пространстве.
Задача удаления невидимых
линий и поверхностей. Ее место
и роль в машинной графике.
Классификация алгоритмов по
способу
выбора
системы
координат
(объектное
пространство,
пространство
изображений).
Трехмерное
представление
функций.
Алгоритм
плавающего
горизонта.
Приближение
и
воспроизведение поверхностей.
Методы
аппроксимации
поверхностей.
Использование
поверхностей
Кунса,
Безье,
поверхностей, построенных с
помощью сплайнов.
Задача
удаления
невидимых линий в объектном
пространстве.
Алгоритм
Робертса.
Удаление
невидимых
линий
в
пространстве
изображений. Алгоритм Варнока
(разбиение окнами).
Удаление
невидимых
поверхностей.
Алгоритм
Вейлера-Азертона
(для
объектного пространства).
Алгоритм, использующий
Z-буфер.
Алгоритм, использующий
список приоритетов.
Алгоритмы
построчного
сканирования.
Алгоритмы
построчного сканирования для
криволинейных поверхностей.
Алгоритмы
определения
видимых поверхностей путем
трассировки лучей.
6
Построение реалистических
изображений
*
Физические и психологические
факторы,
учитываемые
при
создании
реалистичных
изображений. Простая модель
освещения.
Метод Гуро
закраски
поверхностей
(получение
сглаженного
изображения).
Закраска
Фонга (улучшение
аппроксимации
кривизны
поверхности). Модель освещения
со специальными эффектами:
учет
направления
и
концентрации света, ограничение
области, освещаемой источником
света.
Модель
освещения,
учитывающая отражение. Учет
прозрачности и преломления.
Алгоритмы создания теней и
учета фактуры поверхности.
Глобальная модель освещения с
трассировкой лучей.
Прикладное использование
трехмерной машинной графики и
реалистических
изображений:
автоматизированное
проектирование, распознавание
образов, восстановление форм
скрытых объектов в медицине,
тренажеры,
реклама,
мультипликация (8)
5.2.
Разделы
дисциплины
и
междисциплинарные
связи
с
обеспечиваемыми(последующими) дисциплинами
№
п/
п
Наименование обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
1.
Б3.Ф1 Вычислительные системы, сети и
телекоммуникации
2.
Б3.Ф3 Программная инженерия
Б3.Ф4 Информационные
системы
и
технологии
Б3.Ф5 Проектирование информационных
систем
3.
4.
5.
Б3.Ф6 Проектный практикум
6.
Б3.Ф7 Базы данных
7.
Б3.Ф8 Информационная безопасность
8.
Учебная и производственная практики
№ № разделов данной
дисциплины, необходимых
для изучения
обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
1
2
3
4
5
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
5.3 Разделы дисциплины и виды занятий
№п/
п
1
2
3
4
5
6
Раздел дисциплины
Введение
Принципы компьютерной графики
Основы растровой графики
Отсечение
Удаление невидимых линий и
поверхностей (трехмерная
графика)
Построение реалистических
изображений
Аудиторные занятия
лекции
ПЗ (или С)
ЛР
1
2
4
4
3
1
1
1
3
1
6. Лабораторный практикум.
№п/п
1
2
3
4
№ раздела
Наименование лабораторных работ
дисциплины
2
Реализация алгоритмов преобразования на плоскости
3
Реализация алгоритмов отсечения отрезков
4
Реализация алгоритма отсечения многоугольников
произвольным выпуклым отсекателем
5
Построение криволинейных поверхностей как функции
двух переменных
7. Примерная тематика домашних работ и реферата





Для домашних работ можно использовать следующие темы:
Знакомство с одним из графических пакетов
Процессы в графической системе.
Форматы файлов для передачи графической информации
Сравнительный анализ графических систем
Преобразование описания объекта при обработке
8. Учебно–методическое обеспечение дисциплины.
а) Основная литература:
1.Роджерс Д. Алгоритмические основы машинной графики.-М.: Мир, 2001.604с.
2.Роджерс Д., Адамс Дж. Математические основы машинной графики. М.:Машиностроение, 2001.-604 с.
б) Дополнительная литература:
Шикин Е.В., Боресков А.В.Компьютерная графика.Полигональные модели. М.:ДИАЛОГ-МИФИ, 2000.-464 с.
9. Материально – техническое обеспечение дисциплины
Для успешного освоения дисциплины необходимо следующее
материально-техническое обеспечение:
1. Дисплейный класс, оборудованный современными персональными
компьютерами.
2. Интерактивная доска и/или проектор с экраном.
10. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины
В учебном процессе помимо чтения лекций проводятся практические
занятия, которые составляют около 50% аудиторных занятий. На них широко
используются интерактивные формы взаимодействия со студентами для
обсуждения отдельных разделов дисциплины, защиты домашних заданий,
демонстрации работы современных графических систем систем. В сочетании
с внеаудиторной работой это способствует формированию и развитию
профессиональных навыков обучающихся.
Разработчики:
МИЭМ, каф. ИТАС
Ульянов Н.Г.
Эксперты:
____________________
____________
(место работы)
(занимаемая должность)
фамилия)
____________________
(место работы)
фамилия)
____________________
(занимаемая должность)
(инициалы,
______________
(инициалы,