Компьютерная графика

Министерство образования Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА дисциплины КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА Для подготовки дипломированных специалистов по направлению 654600 - “Информатика и вычислительная техника” по специальности 220100 - “Вычислительные машины, комплексы, системы и сети ”.

Санкт-Петербург 2002

2

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” “УТВЕРЖДАЮ” Проректор по учебной работе проф. ___________ Ушаков В.Н. “_____”_______________2002 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА дисциплины КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА Для подготовки дипломированных специалистов по направлению 654600 - “Информатика и вычислительная техника” по специальности 220100 - “Вычислительные машины, комплексы, системы и сети ”. Факультет Компьютерных технологий и информатики Кафедра Вычислительной техники Курс 4 Семестр 7 Лекции

64 ч.

Экзамен

семестр 9

Лабораторные занятия

32 ч.

Зачет

семестр 9

Аудиторные занятия Самостоятельные занятия Всего часов

96 ч. 94 ч. 190 ч. 2002

3

Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры Вычислительной техники “____”_______________2002г., протокол №______. Рабочая программа согласована с рабочими программами изученных ранее дисциплин: 1) Программирование; 2) Информатика; 3) Базы данных; 4) Технология программирования. Рабочая программа одобрена методической комиссией факультета Компьютерных технологий и информатики “____”_____________2002г.

4

Цель и задачи дисциплины Целью дисциплины является изучение математических и алгоритмических основ компьютерной графики, ориентированое на решение задач по синтезу и обработке цифровых изображений. Требования к уровню освоения дисциплины В результате изучения дисциплины студенты должны: 1.Знать математические и алгоритмические основы компьютерной графики, возможности аппаратных и программных средств. 2.Уметь использовать изученные алгоритмы для решения конкретных задач по синтезу и обработке изображений. 3.Иметь опыт работы в программировании графики на персональном компьютере. 4.Иметь представление о способах решения и перспективах развития аппаратного и программного обеспечения для решения задач компьютерной графики. Содержание рабочей программы Введение. Тема 1. Предмет дисциплины, ее объем, содержание и связь с другими дисциплинами учебного плана. Задачи, решаемые в компьютерной графике. Синтез двухмерных и трехмерных статических и динамических графических объектов. Задачи обработки цифровых изображений. Области использования. Проблемы проектирования специализированных графических систем. Раздел 1. Математические и алгоритмические основы синтеза изображений. Тема 2. Представление цифровых изображений, растры. Алгоритмы растровой графики для формирования прямых линий (отсечение, интерполяция) и окружностей. Заполнение областей. Растровая развертка многоугольников (отсечение, интерполяция). Тема 3. Геометрические преобразования. Двухмерные и трехмерные преобразования. Однородные координаты и матричное представление преобразований. Композиция преобразований. Центральное проецирование. Параллельное проецирование. Отсечение относительно видимого объема.

5

Тема 4. Алгоритмы удаления скрытых линий и поверхностей. Трассировка лучей и проективный метод. Метод экранов для формирования контурных изображений. Сравнение по глубине при удалении скрытых поверхностей. Алгоритм, использующий буфер глубины (Z, W - буфер). Тема 5. Методы создания реалистических трехмерных изображений методом нанесения текстур (текстуры с разной степенью детализации, циклические, динамические, прозрачные и полупрозрачные текстуры, рельефные и проективные текстуры). Тема 6. Законы отражения света (диффузное, зеркальное отражение и рассеянный свет) и алгоритмы закраски (объекты с гладкими формами и плоскими гранями, интерполяции методом Гуро и Фонга). Тема 7. Алгоритмы учета теней (метод теневого объёма и алгоритм с использованием дополнительного буфера глубины). Тема 8. Методы создания спец-эффектов для моделирования погодных условий (туман, осадки). Тема 9. Представление пространственных форм параметрических кубических кривых и поверхностей.

с

помощью

Тема 10. Представление пространственных форм на триангулированных (регулярных и нерегулярных) сетках. Триангуляция Делоне. Рельефы и объекты. Алгоритмы упрощения представлений рельефов и объектов при синтезе изображений в зависимости от положения наблюдателя (камеры). Тема 11. Методы стереоизображений.

наблюдения

и

способы

формирования

Тема 12. Цвет в компьютерной графике. Особенности цветового восприятия. Аксиомы Грассмана. Цветовой график и его свойства. Раздел 2. Математические и алгоритмические основы обработки изображений. Тема 13. Амплитудные преобразования изображений, их классификация (пространственно независимые и зависимые, поточечные и с обработкой по окрестности). Обработка на основе преобразования гистограмм. Медианный фильтр. Фильтрация импульсных помех.

6

Тема 14. Использование операции свёртки при обработке изображений, фильтрация изображений с использованием преобразования Фурье и их взаимосвязь. Частотный спектр изображения. Быстрый алгоритм преобразования Фурье. Теоретико - числовое преобразование для быстрого вычисления свёртки. Сравнительная оценка эффективности амплитудной обработки изображений в пространстве сигнала и с использованием преобразований. Тема 15. Геометрические преобразования изображений, их классификация (амплиудно независимые и зависимые, линейные и нелинейные). Схемы прямого и обратного пересчета при геометрических преобразованиях. Методы интерполяции. Способы представления геометрических искажений (карты смещений, деформаций и операции на них). Типовая задача коррекции геометрических искажений путем построения карты смещений с использованием полиномиальной аппроксимации искажений по методу наименьших квадратов. Тема 16. Классификация алгоритмов сжатия и восстановления изображений (по времени, по степени сжатия, по качеству восстаноления, по методам). Основные форматы представления изображений (простые и со сжатием, с использованием преобразований (JPEG)). Сжатие видеоданных (MPEG). Заключение. Тема 17. Перспективы развития графических систем. Достижения в области компьютерной графики и обработки изображений. Перечень лабораторных работ. Типовой перечень: № Наименование работы 1 Алгоритмы растровой графики (линии, многоугольники) - 6 ч. 2 Геометрические преобразования (получение контурного изображения) - 2 ч. 3 Синтез простого трехмерного графического объекта (один из методов удаления невидимых элементов) - 8 ч. 4 Нанесение текстур (один из способов) - 4 ч. 5 Методы закраски (один из методов) - 4 ч. 6 Создание реалистической трехмерной сцены (на основе комплексного объединения ранее проделанной работы в единую программу с интерактивным управлением местоположения наблюдателя (камеры)) (к темам 2-8) – 8 ч.

Номер темы 2 3 4 5 6 2-8

7

По желанию студента и с согласия преподавателя возможна замена работ из типового перечня на работы из дополнительного. Дополнительный перечень: № 1 2 3 4 5 6 7 8

Наименование работы Учет теней - 6 ч. Создание спец-эффекта – 2-6 ч Параметрические кубические кривые или поверхности - 4-6 ч Упрощение представлений рельефов или объектов - 8 - 16 ч Формирование стереоизображения – 2-4 ч Амплитудные преобразования изображений (один из методов) – 2-6 ч. Геометрические преобразования изображений (один из методов) – 2-8 ч. Сжатие и восстановление изображений (один из методов) – 4 - 16 ч.

Номер темы 7 2-8 9 10 11 13-14 15 16

8

Расчет учебных часов по видам занятий № темы

Название разделов и тем

1

Введение Раздел 1. Математические и алгоритмические основы синтеза изображений. Алгоритмы растровой графики. Геометрические преобразования. Алгоритмы удаления скрытых линий и поверхностей. Нанесения текстур. Алгоритмы закраски. Алгоритмы учета теней. Создание спецэффектов. Параметрические кубические кривые и поверхности. Алгоритмы упрощения представлений рельефов и объектов. Формирование стереоизображений. Цвет в компьютерной графике.

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17

Лекции

Раздел 2. Математические и алгоритмические основы обработки изображений. Амплитудные преобразования изображений. Фильтрация изображений. Геометрические преобразования изображений. Алгоритмы сжатия и восстановления изображений. Заключение. ИТОГО:

Лаборат. занятия

Объем учебных часов Практич. Аудитор. Самост. занятия занятия работа

1

Всего

Семестр

1

8

5

6

4

8

2

4

6

8

4

8

6

8

4 4 4 2 4

4 4 4 2

6 6 6 4 8

8 8 8 8

6

12

8

2

2

8

2

4

8

8

6

8

8

10

8

4

6

8

2

6

8

2 64

32

96

1 94

8 190

9

ЛИТЕРАТУРА Основная

№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Название, библиографическое описание Шикин Е.В., Боресков А.В. Компьютерная графика. Динамика, реалистические изображения. - М.: ДиалогМИФИ, 1995. Виктор Порев: «Компьютерная графика.» учебное пособие Спб 2002г. (Дюссельдорф – Киев – Москва –Спб.) Майкл Ласло, Вычислительная геометрия и компьюте графика на С++. - М.: БИНОМ, 1997. – 304 с. Аммерал Л. Машинная графика на языке С. В 4-х книгах. Систем, 1992. Фоли Дж., вэн Дэм А. Основы интерактивной машинной графики. В 2-х т. - М.: Мир 1985.- 736 с. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. В 2-х т. -М. : Мир, 1982. Рабинер Л., Гоулд В. Теория и применение цифровой обработки сигналов М., Мир, 1978. Ярославский Л. П. Введение в цифровую обработку изображений. М., "Наука", 1979. Фролов А.В., Фролов Г.В. Программирование видеоадаптеров CGA, EGA и VGA.- М.: "Диалог- МИФИ", 1992.- 288 с.- (Библиотека системного программиста; Т 3.)

Л

Лр

К-во экз. в библ. (на каф.)

9

9

Ф/Б

9

0

9

9

0

9

9

0 т.1 89 т.2 91

9 9

9

т.1 10 т.2 9

9

0

9 9

26 9

Ф/б

Гриф

10

Дополнительная № 1 2

Название, библиографическое описание

Гилой В. Интерактивная машинная графика. - М.: Мир 1981.- 384 с. Котов И.И. Алгоритмы машинной графики. - М.: Машиностроение, 1977.- 231 с. 3 Ньюмен У., Спрулл Р. Основы интерактивной машинной графики. М.: Мир, 1976.- 573 с. 4 Павлидис Т. Алгоритмы машинной графики и обработки изображений. - М.: Радиосвязь, 1986.- 398 с. 5 Роджерс Д., Адамс А. Математические основы машинной графики. М.: Машиностроение, 1980.- 240 с. 6 Уокер Б. Интерактивная машинная графика. - М.: Машиностроение, 1980.- 171 с. 7 Энджел И. Практическое введение в машинную графику. - М.: Радио и связь, 1984.- 135 с. 8 Баяковский Ю.М., Галактионов В.А., Михайлова Т.Н. Графор. Графическое расширение фортрана. - М.: Наука, 1985.- 288 с. 9 Иванов В.П., Батраков А.С. Трехмерная компьютерная графика. - М.: «Радио и связь», 1995. 10 Ахмед Н., Рао К. Р. Ортоганальные преобразования при обработке цифровых сигналов. Пер. с англ. под ред. И. Б. Фоменко. М., Связь, 1980.

К-во экз. в библ. (на кафедре) 13 0 0 0 0 16 33 0 Ф/Б

0

11

Автор: к.т.н., доц.

Шах В.В.

Рецензент д.т.н., проф

Куприянов М.С.

Зав. кафедрой Вычислительной техники д.т.н., проф

Пузанков Д.В.

Декан факультета Компьютерных технологий и информатики д.т.н., проф.

Герасимов И.В.

Программа согласована: Зав. кафедрой Вычислительной техники д.т.н., проф.

Пузанков Д.В.

Зав. отделом учебной литературы

Смирнова О.Н.

Председатель методической комиссии факультета Компьютерных технологий и информатики к.т.н., доц.

Чугунов Л.А.

Руководитель методического отдела, к.т.н., доцент

Марасина Л.А.