图形与可视化 实验大纲

《图形与可视化》课程实验教学大纲

编号：

课程总学时：64 实验学时：24

课程总学分：3.5 实验学分：（非单独设课的实验不用填此项）

先修课程：线性代数、C++与OO程序设计

适用专业：计算机科学与技术

一、本课程实验的主要目的与任务

《图形与可视化》是计算机科学与技术专业本科教学中的一门重要的专业课。通过本课程的教学，帮助学生掌握图形与可视化的基础知识，了解该学科的前沿科技，并能运用图形软件包OpenGL，进行简单的图像处理软件代码设计。

《图形与可视化》是一门理论性和应用性很强的课程。开设实验课程有助于加深学生对图形算法的理解，培养其分析问题，解决问题的能力。

通过本课程实验要求学生基本达到如下要求：

1. 掌握OpenGL的基本语法与程序结构。

2. 掌握如何通过点、线、面、体的构造方法。

3. 掌握如何对三维物体增加光照和纹理来增强其真实感。

4. 掌握如何构建一个真实的三维场景的基本过程和实现方法。

二、本课程实验应开设项目

三、各实验项目主要实验内容和基本要求

实验1 直线绘制算法（4学时）

1．实验目的

(1) 了解OpenGL的基本的编程思想和程序结构。

(2) 了解OpenGL中绘制点、线、面的相关函数。

(3) 掌握如果通过定义空间点和构成方式来形成不同的空间物体。

2．实验内容

(1) 熟悉实验环境。

(2) 利用相关直线绘制算法绘制一条直线，建议使用DDA算法或Bresenham算法。

(3) 绘制一个颜色插值的三角形面。

(4) 综合利用所学知识，绘制分形物体。给出原理，步骤，设计绘制方案。可自己选择分形物体的类型，如分形树、Koch雪花、Sierpinski三角形（二维或三维）、Julia集、Mandelbrot集等。

3．实验要求

(1) 预习实验相关知识，了解实验目的与内容。

(2) 根据实验目的和内容，制定相关的实验方案并进行实施。

(3) 实验结束后，对相关内容进行总结和反思。

4．实验器材

(1) PC机及配套软件、一人一套。

实验2 曲线与曲面（4学时）

1．实验目的

(1) 掌握Bezier曲线和Hermite曲线的绘制方法。理解如何通过折线来近似一条曲线。

(2) 了解Bezier曲面和Hermite曲面的绘制方法。

2．实验内容

(1) 绘制一条四阶Bezier曲线或者Hermite曲线。

(2) 要求控制点、控制多边形、Bezier曲线或Hermite曲线用不同颜色表示。

(3) 掌握如何控制点、线的属性。

(4) 要求有能力的同学能够实现Bezier曲面或者Hermite曲面。

(5) 了解Utah茶壶的Bezier曲面构造方法。

3．实验要求

(1) 预习实验相关知识，了解实验目的与内容。

(2) 根据实验目的和内容，制定相关的实验方案并进行实施。

(3) 实验结束后，对相关内容进行总结和反思。

4．实验器材

(1) PC机及配套软件、一人一套。

实验3 体的表示与变换（4学时）

1．实验目的

(1) 掌握三维形体的数据表示与存储。

(2) 掌握二维和三维几何变换的矩阵形式。

(3) 掌握视图变换的矩阵表达。

(4) 理解世界坐标系与观察坐标系的相对关系。

(5) 理解几何变换的实质是矩阵操作。

(6) 掌握平行投影、透视投影。

(7) 隐藏面消除、深度测试的基本原理。

(8) 使用多边形网格建模并进行变换。

2．实验内容

(1) 建立一个正方体或球体，并建立正确的投影、隐藏面、深度测试。

(2) 对所建立的物体进行交互式旋转，放大，缩小。

(3) 利用多边形网格建立一个较为复杂的形体，并建立文件存储格式，读入并显示，并进行适当的设置，进行观察。

(4) 对所建立的物体进行合适的投影，比较不同的投影方式的不同。

(5) 利用函数和直接建立矩阵的方式进行模型变换和投影变换，比较两种方式的不同。3．实验要求

(1) 预习实验相关知识，了解实验目的与内容。

(2) 根据实验目的和内容，制定相关的实验方案并进行实施。

(3) 实验结束后，对相关内容进行总结和反思。

4．实验器材

(1)PC机及配套软件、一人一套。

实验4 光照与纹理（6学时）

1．实验目的

(1) 理解各种高级光照模型。

(2) 理解物体材质对光照效果的影响。

(3) 使用光照模型增强几何形体的真实感。

(4) 理解二维纹理映射的本质是对图像做三维映射，是对纹理矩阵进行操作。

(5) 掌握纹理映射的一般方法。

(6) 纹理映射过程中，物体光照颜色和纹理颜色的混合方式。

(7) 掌握利用OpenGL对空间形体进行纹理映射的方法和参数。

2．实验内容

(1) 选取合适的光照模型参数。

(2) 对上个实验建立的空间几何形体（如正方体，空间Sierpinski三角形），加上光照，并测试OpenGL光照模型中各个参数对最后光照效果的影响。

(3) 对空间形体，如正方体、球体等，进行纹理映射。

(4) 选择不同的映射方法，观察映射效果。

3．实验要求

(1) 预习实验相关知识，了解实验目的与内容。

(2) 根据实验目的和内容，制定相关的实验方案并进行实施。

(3) 实验结束后，对相关内容进行总结和反思。

4．实验器材

(1) PC机及配套软件、一人一套。

实验5 真实感场景生成（6学时）`