Рабочая программа по дисциплине «Компьютерная графика» для специальности АСУ

Факультет — электротехнический
Курс — 3
Семестр — 5
Лекции — 16 час
Лабораторные занятия — 16 час
Аудиторных — 32 час
Самостоятельная работа — 32 час
Курсовая работа — 5 семестр
Всего — 64 час
Экзамен — 5 семестр

Разработал доцент кафедры АСУ — Мухин О. И.

1. Цели и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе

   Задачей дисциплины «Компьютерная графика» является освоение методологии и технологии выполнения графических работ на компьютере и разработка пользовательского графического интерфейса.

   После изучения курса КГ студент должен:

   • знать математические, алгоритмические, технические основы формирования изображений;
   • знать методы и способы формализации (представления и оперирования) графических объектов;
   • знать принципы психологического восприятия изображений на плоскости.

   Требования:

   • владеть технологией моделирования пространства и предметов в нем (движение и статика);
   • уметь составить математическую модель графических объектов;
   • уметь представить модель в алгоритмическом виде;
   • уметь показать теоретические основания модели.

2. Содержание дисциплины

   2.1. Наименование тем лекционных занятий, содержание и объем

   2.1.1. Введение. Предмет курса, его цели и задачи. Понятие о интерфейсе. Математические основы двухмерной графики. Представление графических объектов. Операции с графическими объектами. (2 часа).
   2.1.2. Математические основы трехмерной графики. Представление графических объектов. Операции с графическими объектами. Проецирование. Системы координат. (2 часа).
   2.1.3. Пространство и его свойства — размерность, топологические характеристики, кривизна, заполненность. Аппроксимация непрерывного пространства в дискретной реализации. (2 часа).
   2.1.4. Психофизиологические аспекты восприятия и воспроизведения пространства на плоскости. Иллюзии и графическое восприятие. Виды перспектив. Признаки глубины. (2 часа).
   2.1.5. Фрактальная геометрия. Построение реалистических изображений методами фрактальной геометрии. Генерация элементов ландшафта. (2 часа).
   2.1.6. Алгоритмические основы компьютерной графики. Отрисовка линий и поверхностей. Сглаживание. Графические тесты. Алгоритмы удаления невидимых линий (плавающего горизонта, z-буфера). (2 часа).
   2.1.7. Цвет и свет. Психофизиологические аспекты восприятия цвета и света. Отражение (диффузное, зеркальное), прозрачность, тени, фактура, смешение цветов. (2 часа).
   2.1.8. Аппаратные вопросы компьютерной графики. Физические принципы работы и основные графические устройства. Организация и взаимодействие ресурсов в компьютерной графике. Технические устройства (расчет и согласование). (2 часа).

   2.2. Лабораторные занятия (1 занятие — 2 часа)

   2.2.1. Изучение основ интерактивного интерфейса. Построение конструктора графических объектов.
   2.2.2. Проектирование базовых операций над графическими объектами.
   2.2.3. Морфинг графических объектов. Анимация. Влияние.
   2.2.4. Проектирование системы управления графическими кадрами.
   2.2.5. Методы фрактальной математики для построения реалистических объектов.
   2.2.6. Построение изображения поверхности функции z = f(x, y).
   2.2.7. Алгоритмы построения изолиний. Операции с поверхностью.
   2.2.8. Взаимодействие источника света и трехмерного объекта.

   Лабораторные работы предназначены для усвоения обучаемым основ алгоритмизации, навыкам построения графических инструментов. Работы выполняются на языках программирования, рекомендуется язык Pascal. В случае выбора другого языка учащемуся следует иметь в виду, что объем проектирования должен соответствовать расчетному.

   2.3. Курсовая работа

   Цель. Курсовая работа является самостоятельно выполняемым заданием, предназначена для усвоения обучаемым современных графических технологий и графических инструментов, требует разработки учащимся целостного законченного проекта.

   Тема. Курсовая работа выполняется по темам, указанным в приложении. Тема также может быть выбрана студентом самостоятельно, если она соответствует тематике курсовых работ дисциплины и согласована с преподавателем курса и руководителем индивидуального обучения.

   Курсовая работа выполняется студентом индивидуально. Допускается выполнение работы в составе группы — два, три человека при условии увеличения объема работ в соответствующее число раз. Защита при этом проводится с каждым студентом индивидуально по всему объему курсовой работы.

   Сроки. Курсовая работа выполняется в течение 1 семестра 3 курса. Контроль за работой производится тремя этапами:

   • Изучение литературы. Выбор метода. Написание рабочей версии алгоритма реализации. Представление рабочих материалов на бумаге (1 месяц).
   • Отлаженная система и оформление интерфейса пользователя (1 месяц).
   • Оформление, сдача и защита отчета (1 месяц).

   Язык реализации. Язык реализации должен быть согласован с преподавателем до начала работ по программированию. Рекомендуются языки Borland C++ 5, Pascal, объектная среда проектирования “Stratum”.

   Работа должна продемонстрировать умение: преобразовывать задачу в формализованное машинное представление, проектировать программное обеспечение в современной среде, реализовывать эффективный интерфейс с пользователем, оформлять документацию на программу.

   Результатом работы и содержанием отчета является:

   • математическое описание реализации, алгоритм, описание структур данных;
   • интерфейс (структурный или параметрический), позволяющий изменять ход алгоритма;
   • исходный текст реализации и работоспособный исполняемый модуль на дискете;
   • наборы данных для демонстрации работы модуля;
   • распечатка видеограмм.

   Отчет должен четко фиксировать:

   • подробное описание метода;
   • перечень элементов системы;
   • структуру элементов (переменные — входные, выходные, внутренние, параметры, диапазон изменения, кодирование, функция, графический образ, перечисление механизмов, ограничений);
   • описание связей элементов системы;
   • описание интерфейса, системы визуализации (связь образов с переменными элементов);
   • описание тестов.

   Предпочтителен отчет, подготовленный компьютерным способом. При подготовке отчета следует учитывать требования ГОСТ на техническую документацию.

   Оценка за курсовую работу учитывает: качество работы программы, стройность и ясность описания (в отчете), ритмичность выполнения работ, устойчивость программы к изменению входных параметров, функциональные возможности программы.

   Возможно написание компьютерных рефератов. Реферат выполняется только в среде «Stratum» и представляет собой электронный учебник (гиперссылки, статические и динамические иллюстрации, тексты, мультимедийные фрагменты). Частота отчетности при создании реферата — 1 раз в 2 недели. В качестве курсовой работы по согласованию с преподавателем засчитывается выполнение работ по заказу ОЦНИТ, ГКОН, ЦРО по изготовлению электронных обучающих сред дисциплин школьного и ВУЗовского цикла.

   Темы курсовых работ

   1. Отображение баз данных на карту местности. Взаимодействие графического объекта и его описания.
   2. Система отображения статистических данных.
   3. Формирование трехмерного вида с различным разрешением с перемещающейся точки взгляда в трехмерном пространстве.
   4. Конструирование и визуализация: дома, интерьеры, мосты, ажурные конструкции, геометрия обтекания тела средой.
   5. Фракталы (визуальная математика).
   6. Начертательная и аналитическая геометрия (конструктор).
   7. Интерпретатор синтаксического описания динамической картинки.
   8. Формирование среды (туман, пламя, снег, салют, облака, видеоэффекты, дождь, вода, смывка и так далее) и взаимодействие ее с битовой картой.
   9. Лаборатория мультипликации (взаимодействие карт, управление лентой).
   10. Создатель образов (стиля) мультипликации.
   11. Трехмерный конструктор-аниматор скелетных объектов.
   12. Управление элементами поверхности (человеческое тело, лицо).
   13. Построения в неэвклидовых геометриях.
   14. Имитация нетрадиционных графических курсоров (например, грифель, пушок, мазок, размыв и так далее).
   15. Эволюция вида растений, животных.
   16. Синтез элементов ландшафта.
   17. Выделение контура образа на динамической сцене и слежение за ним.
   18. Обработка растровых картинок.
   19. Построение объектов в проекции (прямая, обратная, стерео, рыбий глаз, цилиндрическая).
   20. Конструктор фактур.
   21. Синтезатор двухмерных композиций.
   22. Векторизатор растровых картинок.
   23. Построитель теней в 3D.
   24. Конструктор 3D-фигур.
   25. Сглаживание поверхностей различными методами.
   26. Реализация технологии “Третий глаз”.
   27. Преобразователь классических картин.
   28. Карикатура.
   29. Построение изолиний по заданной матрице различными методами.
   30. Построение компактного тела (кластера) в 3D.
   31. Проекции 4D-тел.
   32. Построение топологических фигур.
   33. Виртуальный город.
   34. Слайд-эффекты (шторки, листание, взрыв, морфинг, просвечивание, лупа, кривые зеркала).
   35. Методы морфинга растровых картин.
   36. Жанровые движения в 2D.
   37. Создание компьютерного ролика.
   38. Графическая панель управления технологическим процессом.
   39. Тестирование психофизиологического состояния человека графическими образами.
   40. Управляемая анимация технического объекта в 3D.

   Темы рефератов

   1. Способы представления пространства на плоскости (историческая ретроспектива).
   2. Иллюстрация парадоксов графики.
   3. Структура и работа вычислительной системы.
   4. Графическая реконструкция исторических материалов.
   5. Физические основы цвета и света.
   6. Основы композиции.
   7. Пиктографический ряд и его ключ.
   8. Графика в рекламе.
   9. Современные компьютерные технологии кино и телевидения.
   10. Виртуальность и графика.

3. Учебно-методические материалы

   3.1. Основная литература

   3.1.1. Роджерс Д., Адамс Дж. Математические основы машинной графики: М., Машиностроение, 1980.
   3.1.2. Роджерс Д. Алгоритмические основы машинной графики: М., Мир, 1989.
   3.1.3. Аммерал Л. Программирование графики на Турбо Си. Машинная графика на персональных компьютерах. Интерактивная трехмерная машинная графика. Принципы программирования в машинной графике (в 4 т.), М., Солсистем, 1992.
   3.1.4. Баяковский Ю. М. Графор. Графическое расширение Фортрана. М., Наука, 1985.
   3.1.5. Яншин В., Калинин Г. Обработка изображений на языке СИ для IBM PC. Алгоритмы и программы. М., Мир, 1994.
   3.1.6. Фокс А., Прат М. Вычислительная геометрия. Применение в проектировании и на производстве М., Мир, 1982.

   3.2. Дополнительная литература

   3.2.1. Павлидис Т. Алгоритмы машинной графики и обработки изображений. М., Радио и связь, 1986.
   3.2.2. Ньюмен У., Скрулл Р. Основы интерактивной машинной графики. М., Мир, 1976.
   3.2.3. Фоли Дж., вэн Дэм А. Основы интерактивной машинной графики (в 2 т.): М., Мир, 1985.
   3.2.4. Робертс Л. Автоматическое восприятие трехмерных объектов. — Интегральные роботы. М., Мир, 1973.
   3.2.5. Джад Д., Внишецки Дж. Цвет в науке и технике. М., Мир, 1978.
   3.2.6. Проектирование пользовательского интерфейса на персональных компьютерах. Стандарт фирмы IBM / Под ред. М.Дадашева. М., DBS Ltd, 1991.
   3.2.7. Франсис Дж. Книжка с картинками по топологии. М., Мир, 1991.
   3.2.8. Болтянский В. Г. Наглядная топология. М., Мир, 1990.
   3.2.9. Мартинес Ф. Синтез изображений. Принципы, аппаратное и программное обеспечение. М., Радио и связь, 1990.
   3.2.10. Гилой В. Интерактивная машинная графика. М., Мир, 1981.
   3.2.11. Наттерер Ф. Математические аспекты компьютерной томографии. М., Мир, 1990.