Компьютерная графика

Бакалавриат 2020/2021

Лучший по критерию «Полезность курса для расширения кругозора и разностороннего развития»

Лучший по критерию «Новизна полученных знаний»

Статус: Курс по выбору (Программная инженерия)

Направление: 09.03.04. Программная инженерия

Кто читает: Кафедра информационных технологий в бизнесе (Пермь)

Где читается: Факультет экономики, менеджмента и бизнес-информатики

Когда читается: 3-й курс, 1, 2 модуль

Формат изучения: с онлайн-курсом

Преподаватели: Мухин Олег Игоревич

Язык: русский

Кредиты: 5

Контактные часы: 56

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Курс посвящен изучению современных методов компьютерного синтеза сложных графических объектов и сцен из них, а также универсальных способов оперирования с ними при написании интерактивных программ. Освоение курса позволяет успешно работать в сфере индустриального производства программного обеспечения компьютерной графики. В курсе изучаются технология геометрического 2D и 3D моделирования; методы манипулирования графической информацией и разработки графических интерфейсов и систем; принципы и средства формализации, алгоритмизации и реализации графических моделей; способы компьютерного представления графических объектов и операций.

Цель освоения дисциплины

понимание места и роли компьютерной графики в современной программной инженерии, направлений ее развития
обеспечение базовых знаний и навыков в области программной инженерии, дающих возможность выпускнику успешно работать в сфере индустриального производства программного обеспечения
способность выполнять разработки программного обеспечения в области визуализации сложных систем

Планируемые результаты обучения

Создает компьютерные иллюстрации
Проектирует математические, алгоритмические и программные графические модели
Разрабатывает программное обеспечение, включающее визуализацию свойств сложных систем

Содержание учебной дисциплины

Раздел 1 Иллюстративная компьютерная графика
Тема 1. Основные понятия, термины и определения. Предмет курса, цели и задачи дисциплины. Области применения компьютерной графики. Особенности иллюстративной графики. Машинная графика. Общие положения, концепция, структура данных и функции ядра графической системы. Системы базовых примитивов. Графический вывод. Растровые и векторные модели графических данных. Особенности, достоинства, недостатки моделей. Особенности программного обеспечения, реализующих векторную и растровую графику.
Раздел 2. Компьютерная графика и геометрия
Тема 2. Модели базовых операций компьютерной графики. Математический аппарат двухмерной и трехмерной компьютерной графики. Системы координат. Однородная система координат. Матричное представление в форме однородных координат. Способы представления графической информации в компьютере. Понятие аффинных преобразований. Основные системы координат (мировая, видовая, экранная), способы преобразования, адресность. Основные графические операции (смещения, масштабирования, вращения, проецирования, зеркалирования), их обобщения в рамках аффинных преобразований. 2D и 3D моделирование в рамках графических систем. Проблемы геометрического моделирования; виды геометрических моделей их свойства, геометрические операции над моделями. Тема 3. Проецирование. Проблема изображения трехмерного пространства на двухмерной плоскости. Классические и специальные проекции (параллельная, центральная, стереографическая, проецирование на плоскость, сферу, цилиндр). Классификация отражений и преобразований. Математические способы исчисления проекций. Изометрическая, диметрическая, триметрическая проекции. Связь проецирования и систем координат в программах компьютерной графики. Задача нахождения точек схода и следов точек схода. Тема 4. Преобразования графических объектов. Типы преобразований графической информации. Важнейшие формулы преобразований и нахождения параметров основных геометрических объектов (линия, плоскость, кривая, окно). Формулы влияния, фазирования, смешения изображений объектов. Морфинг. Преобразованиях графических объектов в пространствах различности мерности и различной кривизны. Понятие топологии объекта. Тема 5. Повышение реалистичности синтезируемых компьютерных изображений. Математический аппарат для сглаживания ломаных линий и поверхностей (сплайн двухмерный, сплайн трехмерный, В-сплайны, кубическая интерполяция, метод сглаживания поверхностей Кунса). Тема 6. Способы представления и хранения графической информации. Способы представления и хранения графической информации. Параметризация моделей. Форматы графической информации. Способы формирования интерфейса графических систем. Принципы построения “открытых” графических систем. Тема 7. Аппроксимация непрерывного пространства в дискретной реализации. Аппроксимации непрерывного пространства в дискретной реализации, способы представления (методы Брезенхама, Флойда-Стейнберга). Связь качества изображения с параметрами методов. Тема 8. Методы повышения реалистичности изображения. Способы создания фотореалистических изображений. Фрактальные методы повышения реалистичности изображения. Понятие фрактала. Методы фрактальной геометрии для формирования ландшафта и растительности (на примерах). Пример рекурсивного алгоритма формирования фрактала. Тема 9. Отображение пространства на плоскости. Понятие размерности, кривизны пространства, топологии фигур, их характеристик. Свойства пространства. Типы изображений на плоскости (рисунок, чертеж, схема). Представление о видах геометрий и проекций, классификация.Связь искажений и точности изображения пространства на плоскости (прямая перспектива, аксонометрия, обратная перспектива). Причина возникновения и роль иллюзий для восприятия пространства на экране компьютера. Тема 10. Методы удаления невидимых линий. Классификация алгоритмических методов удаления невидимых линий. Алгоритмы визуализации: отсечения, развертки, удаления невидимых линий и поверхностей, закраски. Методы z-буфера, плавающего горизонта, «художника». Сравнительная характеристика методов удаления невидимых линий. Ресурсы, необходимые методу удаления невидимых линий. Тема 11. Модели цвета и света. Введение в физиологию восприятия света и цвета. Понятие о характеристиках светового потока. Понятие об отражении и прозрачности. Типы отражений (диффузное, зеркальное). Закон Ламберта, формула Фонга. Методы Фонга и Гуро для сглаживания освещенности поверхностей. Основные цветовые системы RGB и CMY. Классификация цветовых систем, используемых в технике. Оперирование цветом, алгебра смешения цветов. Диаграмма МКО. Вычисление теней. Нанесение фактур.
Раздел 3. Разработка графических приложений
Тема 12. Методы реализации алгоритмов компьютерной графики. Классификация и обзор современных графических систем. Применение компьютерной графики. Основные функциональные возможности современных графических систем. Перспективы развития и использования средств геометрического моделирования.

Элементы контроля

Аудиторная работа
Самостоятельная работа
Экзамен
Оценка за экзамен ставится: 0.2*coursera+0.5*лабораторные (накоплено)+0.3экзамен в форме эссе на время (2 часа - 10 вопросов и (или) задач) по ссылке https://bigbluebutton.pstu.ru/b/oim-qyo-d32-0tu
Аудиторная работа
Самостоятельная работа
Экзамен

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (2 модуль)
0.5 * Аудиторная работа + 0.2 * Самостоятельная работа + 0.3 * Экзамен

Программа дисциплины