计算机图形学复习大纲-2015

2014-2015（2）计算机图形学复习大纲
《计算机图形学》复习提纲
考试时间：2015年6月29日下午7，8节（4:00-5:40）
考试地点：D座-205，206
考试形式：开卷
试题类型：简答题（30分），综合题（计算题，分析题，程序题（50分））
参考教材：《交互式计算机图形学——基于OpenGL的自顶向下方法》（第五版）
复习重点：
第一讲、计算机图形学概述
【知识点】
1、什么是计算机图形学，计算机图形学的研究内容，计算机图形学与其他学科的关系
2、什么是图形，构成图形的要素，计算机中表示图形的方法（点阵表示，参数表示）
3、图形学之父：Ivan.E.Sutherland。

1962 年，MIT 林肯室验室Ivan.E.Sutherland 的博士论文：Sketchpad: A Man-Machined Graphical Communication System奠定了图形学成为一个学科分支。

4、计算机如何生成图像：图像生成的三要素，虚拟照相机模型，计算机图像生成的原理与基本过程。

【考试要求】
掌握：计算机图形学的基本概念（什么是计算机图形学，计算机图形学的研究内容，计算机图形学与其他学科的关系，什么是图形，构成图形的要素，计算机中表示图形的方法（点阵表示，参数表示））、图像生成的三要素，虚拟照相机模型，图形学生成图像的过程
了解：了解计算机图形学的历史发展以及主要的应用领域
第二讲、计算机图形系统
【知识点】
1、计算机图形系统的组成（软件，硬件）
2、图形硬件系统的组成
3、图形显示设备（显示设备类型，CRT的原理，刷新率，平板显示器的类型，硬拷贝设备的类型）
4、图形输入设备（操作输入设备的类型，图像输入设备）
5、图形处理设备（像素，光栅，帧缓存，流水线体系结构）
6、三维图像生成的流水线过程（各个步骤的作用和含义）（具体也可见第十二讲）
7、计算机图形软件系统（建模和渲染，常用三维API）
【考试要求】
掌握：像素，光栅，帧缓存的概念，理解流水线体系结构，掌握三维图像生成流水线过程的各个步骤的作用，流水线方法与物物理方法（光线跟踪）的对比
了解：图形系统的组成及常用的图形设备
第三讲、OpenGL编程基础
1、图形API提供的内容
2、 OpenGL 基本API（函数名的构成方式等语法，图元和属性，颜色，观察投影）
3、 GLUT 程序的基本流程
【考试要求】
掌握：Op enGL 基本API, OpenGL中几何体定义的基本方法
了解：图形API提供的内容，GLUT 程序的基本流程
第四、五讲、向量代数与变换
【知识点】
1、几何基本元素（标量，向量，点）的概念和运算
2、线性向量空间和仿射空间的概念
3、直线，射线，线段，平面，三角形的参数形式
4、凸性、仿射和、凸包的概念
5、向量的点积、叉积的概念、性质、用途
6、坐标系和标架的概念引入，齐次坐标的概念作用
7、标准变换（旋转，平移，缩放，剪切）
8、标准变换的齐次坐标变换矩阵（二维，三维）
9、矩阵表达式和齐次坐标
10、变换的作用顺序（公式最右边的变换最先应用，最左的变换最迟应用）
11、例子：模型变换的分解；例子：绕任意轴旋转
12、在OpenGL中处理变换，OpenGL矩阵模式(具体到OpenGL编程如何实现)
【考试要求】
掌握：几何基本元素（标量，向量，点）的概念和运算，线性向量空间和仿射空间的概
射线，线段，平面，三角形的参数形式，向量的点积、叉积的概念、性质、用途，坐标系和标架的概念引入齐次坐标的概念作用，变换的数学表示（缩放，旋转，平移变换的矩阵表示方法）；基本二维变换与基本三维变换的矩阵；复合变换和作用顺序，变换分解的例子；OpenGL 中的变换矩阵及变换堆栈的使用方法（以及OpenGL编程）；多边形建模的数据结构（顶点列表，边列表以及OpenGL编程实现）
第六讲、投影和视图变换
1、经典观察方法分类，每种观察方法的优缺点
2、观察的三个方面（照相机，镜头，裁剪）
3、 OpenGL中的默认投影和观察
4、简单透视投影的投影方程，投影算法
5、投影的规范化
6、 OpenGL中正交投影，斜平行投影，透视投影的实现
【考试要求】
掌握：视图变换和投影变换的作用，OpenGL中投影变换的类型和设置方法（包括OpenGL编程实现），投影的规范化的作用，OpenGL中正交投影，斜平行投影，透视投影的方程
了解：经典观察方法分类，视口变换，
第七、八讲、曲线与曲面几何造型
【知识点】
(1)形状数学描述的基本要求
(2)插值、逼近、拟合，自由曲线曲面、规则曲线曲面
(3)参数表示、隐式表示、网格表示
(4)参数曲线（曲面）段（片）；样条的概念以及样条曲线曲面的概念
(5)Beizier曲线、曲面的定义以及几何造型性质
(6)B-Spline曲线、曲面的定义以及几何造型性质
(7)Bezier曲线升阶算法、Beizier曲线的细分实现算法也即de Castelja u算法
【考试要求】
(1)掌握：形状数学描述的基本要求，参数曲线（曲面）段（片）；样条的概念以及样条曲
线曲面的概念，三次Beizier曲线、三次B-Spline表达式以及造型特点了解：Bezier曲线升阶算法、Beizier曲线的细分实现算法也即de Castelja u算法
第九讲、光照模型与明暗处理
【知识点】
1、真实感图形的特点，影响观察者看到的表面颜色的因素
2、光照模型的概念（模拟物体表面的光照物理现象的数学模型），局部光照模型与全局关照模型的区别
3、环境光、漫反射光、镜面反射光的概念与计算公式
4、 Phong 反射模型的公式，优点，缺点
5、着色处理的概念：在计算出顶点的颜色后，用于计算多边形内部颜色的方法称为着色方法
6、常用的着色方法（明暗绘制）：平面（均匀）着色，Gourand 着色（颜色插值），Phong 着色方法（法向插值）；它们的优缺点
7、在OpenGL场景中增加光照的步骤
8、光线跟踪算法原理
掌握：光照模型的概念，环境光、漫反射光、镜面反射光的概念与计算公式，Phong 反射模型的公式，光线跟踪算法原理，OpenGL如何实现光照模型的(是局部还是全局的？)。

了解：着色处理的概念，常用的着色方法，在OpenGL场景中增加光照的步骤
第十讲、纹理映射(贴图)
【知识点】
1、纹理以及纹理映射的作用，为什么需要纹理映射
2、纹理映射的分类
3、纹理获取
4、纹理映射：给定一个模型和一个纹理图像，映射图像到模型上的过程；纹理映射的方法，纹理坐标的指定
5、纹理过滤：纹理在显示时需要解决的问题，纹理的放大和缩小，常用过滤方法（最邻近滤波，双线性滤波等）
6、OpenGL中的纹理映射实现
【考试要求】
掌握：在OpenGL中使用纹理的方法（纹理的定义，指定纹理坐标，纹理重复，纹理滤波等）理解：纹理以及纹理映射的作用，纹理过滤的类型
了解：纹理映射的分类，纹理获取的方法
第十一章、几何建模与表示（也可参考第四、五讲内容，多边形建模的数据结构）
【知识点】
1、什么是建模
2、实例变换表建模法
3、 OpenGL中实现建模：变换栈的使用，显示列表
4、层次建模：用树作为数据结构，存储场景中的物体，表示物体之间的关系
5、利用变换栈实现建模
6、层次树的数据结构和遍历方法
7、场景图的概念
8、多边形建模的数据结构（顶点列表，边列表），特别注意其OpenGL的一种实现。

【考试要求】
掌握：理解层次建模的思想，掌握课件中的建模实例；OpenGL中实现建模的方法，
多边形建模的数据结构（顶点列表，边列表），特别注意半边结构以及特别注意其OpenGL的一种实现。

了解：基本几何图元的类型，几何压缩工具的类型，以及它们在OpenGL中的使用方法，场景图的概念
第十二讲、图形绘制流水线的实现（2,3,4的具体算法不考，仅供了解）
【知识点】
1、图形绘制流水线的模型，每个阶段的工作（特别是OpenGL的实现机制）
2、裁剪的概念，线段裁剪算法（Cohen-Sutherland算法，Liang-Barsky裁剪算法），多边形裁剪的流水线体系
3、光栅化的概念，线段的扫描转换算法（DDA，Bresenham算法），多边形的填充算法（奇偶填充，种子填充，扫描线填充），走样和反走样
4、隐藏面消除：对象空间方法（背面剔除，画家算法，深度排序），图像空间方法（Z缓冲区算法）
【考试要求】
熟练掌握：图形绘制流水线的模型（特别是OpenGL的实现机制）
了解：线段裁剪算法，线段光栅化算法，图形绘制流水线流程，每个阶段的工作；走样与反走样方法，z-buffer算法。