МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УТВЕРЖДАЮ

Руководител Департамента образовательных

программ и стандартов

профессионального образования

____________Л. С. Гребнев

“___”_____________ 2001 г.

ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

“КОМПЬЮТЕРНАЯ ГЕОМЕТРИЯ И ГРАФИКА”

Рекомендуется Министерством образования РФ для направления подготовки

дипломированных специалистов 654700 “Информационные системы”

по специальности 071900 “Информационные системы и технологии”

2001 г.
1. Цели и задачи дисциплины

Целью и задачами изучения дисциплины “Компьютерная геометрия и графика”

является приобретение фундаментальных и прикладных знаний и выработка умений построения и исследования геометрических моделей объектов и процессов, привитие навыков использования графических информационных технологий, двух- и трехмерного геометрического и виртуального моделирования для компьютерного моделирования в науке и технике, создания графических информационных ресурсов и систем во всех предметных областях.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины

(требования к знаниям, умениям и навыкам, приобретенным в результате изучения дисциплины)

В результате изучения дисциплины “Компьютерная геометрия и графика” студентом должны быть приобретены следующие знания, умения и навыки по основам вычислительной

геометрии, включая компьютерные геометрические модели объектов, процессов и преобразований. Предикатные, параметрические и интерполяционные представления кривых, поверхностей и объемов с единой топологической точки зрения. Математические понятия о моделях структур тел и конструкций. Методы и средства построения 2D и 3D каркасных, поверхностных и твердотельных геометрических моделей, операции и преобразования над ними. Программные средства компьютерной графики. Понятие лицензионного программного продукта. Инструментальные функции базового графического пакета. Стандарты и форматы хранения графической информации. Инструментальные средства разработки графических приложений. Технические средства компьютерной графики (графические процессоры, устройства записи и хранения графической информации, мониторы, графические адаптеры, плоттеры, принтеры, сканеры, цифровые камеры, презентационное оборудование и др.). Основные принципы и методы построения современных графических информационных ресурсов и систем с использованием технологий мультимедиа, виртуального моделирования, создания фотореалистических изображений и анимации, компьютерного дизайна, видео- и презентационной графики, интернет-технологии. Понятие о принципах построения и возможностях геоинформационных систем.

3. Объем дисциплины и виды учебной работы

Вид учебной работы	Всего часов	Семестры
Общая трудоемкость дисциплины	85	1
Аудиторные занятия	51	51
Лекции	34	34
и (или) другие виды аудиторных занятий
Самостоятельная работа	34	34
Курсовой проект(работа)		итоговый курсовой проект
Расчетно-графические работы

Реферат и (или) другие виды самостоятельной работы
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)			Экзамен

(в первой графе таблицы указываются виды аудиторных и самостоятельных занятий студентов. Во второй графе указывается общая трудоемкость дисциплины в часах в соответствии с ГОС ВПО, объем аудиторных и объем самостоятельных занятий - в соответствии с примерным учебным планом. В третьей графе указываются номера семестров, в которых предусматривается каждый вид учебной работы и вид итогового контроля по дисциплине)
4. Содержание дисциплины

4.1. Разделы дисциплины и виды занятий

(допускается название п.4.1. “Тематический план”)

№ п/п	Раздел дисциплины	Лекции	ПЗ (или С)	ЛР
4.1.1	Предмет "Компьютерная геометрия и графика". Математические основы.	2
4.1.2.5	Геометрическое и виртуальное моделирование.	4		2
4.1.2.6	Компьютерный дизайн.	4		2
4.1.2.8	Архитектура компьютерно-графических аппаратно-программных комплексов. Основные принципы и методы построения современных графических информационных систем	4		2

4.2. Содержание разделов дисциплины

4.2.1. Компьютерная геометрия и графика

4.2.1.1.Предмет "Компьютерная геометрия и графика". Математические основы.

Множества, отображения, группы, композиции и свойства, понятие прямого произведения, геометрические преобразования. Геометрия и топология многообразий.

4.2.1.2.Группы преобразований.

Преобразования аффинные, проективные, нелинейные. Матричное представление преобразований. Двумерные и трехмерные линейные преобразования.

Аффинные и проективные преобразования. Аксонометрические преобразования.

4.2.1.3.Перспектива.

Параллельная и линейная перспектива. Матрица проективного преобразования. Матрицы изометрии и диметрии. Полюс и точки схода. Приведение к экрану. Нелинейная перспектива.

4.2.1.4.Элементы дифференциальной геометрии. Интерполяция кривых и поверхностей.

Общие сведения из дифференциальной геометрии на плоскости и в пространстве.

Плоские и пространственные кривые. Аппроксимация и интерполяция кривых. Понятие базисных функций. Разбиение единицы. Интерполяция Лагранжа и Эрмита. Интерполяция Кунса. Сплайны. В-сплайны. Интерполяция Безье. Составные кривые. Поверхности. Классификация поверхностей. Аппроксимация и интерполяция поверхностей. Линейчатые, билинейные и бикубические поверхности. Сплайн-интерполяция поверхностей. Составные поверхности.
4.2.1.5.Геометрическое и виртуальное моделирование.

Понятие геометрической модели. Основные виды моделей. 2D и 3D модели. Основные понятия трехмерной графики. Требования к трехмерному моделированию. Мировая система координат. Ввод координат (декартовы, сферические и цилиндрические координаты). Управление трехмерными видами. Пользовательская система координат. Виды пиктограмм.

Каркасное моделирование. Ограничения каркасных моделей. Формирование каркасных моделей. Трехмерная полилиния. Редактирование трехмерной полилинии. Работа с различными видами рисунка и видовыми экранами. Установка и изменение общих свойств примитивов. Понятие Уровень и Высота в трехмерном пространстве. Пример построения каркасной модели.

Поверхностное моделирование. Типы поверхностей. Преимущества и недостатки поверхностного моделирования. Трехмерная грань. Поверхности соединения, сдвига, вращения и Кунса.

Твердотельное моделирование. Преимущества твердотельных моделей. Методы представления твердотельных моделей. Твердотельные примитивы. Булевы операции. Создание твердотельных объектов путем выдавливания, объединения, вычитания. Редактирование твердотельных объектов. Формирование разрезов и сечений твердотельных объектов. Пример выполнения твердотельной модели с построением разрезов и сечений. Отображение твердотельных объектов на экране: удаление скрытых линий на изображениях, тонирование изображений. Создание фотореалистического изображения. Конструирование деталей. Основные понятия. Построение эскизов: контуров, траекторий, линий сечения.

Понятие о виртуальных моделях.
4.2.1.6.Компьютерный дизайн.

Роль графического языка дизайна в системе визуальной коммуникации на современном уровне: информационное и рекламное обеспечение деятельности предприятий; визуальная информация диалоговых систем. Проблемы визуализации. Пакеты компьютерного дизайна.

Закономерности и средства композиции. Терминология структуры теории композиции в технике: категории композиции; свойства и качества композиции; закономерности композиции; средства композиции; приемы и методы работы над композицией. Свойства и качества композиции. Целостность формы. Соподчиненность элементов. Композиционное равновесие. Симметрия. Асимметрия. Динамичность. Статичность. Средства композиции. Пропорции и пропорционирование. Масштаб и масштабность. Контраст. Нюанс. Метрический повтор. Ритм. Цвет. Тени и пластика. Категории композиции. Тектоника. Объемно-пространственная структура.

Стадии проектирования. Эргономический анализ. Художественно-конструкторский анализ. Проектно-графическое моделирование. Проектно-графическое моделирование как способ выражения проектного замысла. Средства передачи фактуры материалов. Технические приемы обработки поверхностей; особенности отделки или строения поверхности материалов. Принципы дизайна: художественный, социологический, эргономический, инженерно-экологический, экономический.

Средства графического дизайна в создании изделий. Закономерности воздействия цвета: физическое, оптическое, психофизиологическое. Объект и его цветографический текст. Объекты-носители. Работа с моделью. Образ и стиль.

4.2.1.7. Геоинформационные системы.

Инструментальные средства ГИС. Функции пространственного анализа, ввод/вывод пространственных данных, БД атрибутивной информации, разработка приложений, преобразование форматов обмена, поддержка пользователей, локализация, перспективы. Картографические проекции. Элементы и математическая основа карт. Понятие о картографических проекциях, их классификация по характеру искажений и виду нормальной сетки. Выбор проекции. Компоновка и номенклатура топографических карт. Методы создания геодезической основы карты.

Организация информации в ГИС. Модели данных, структура данных, структура файлов, форматы, организация баз данных. Метаданные. Структура данных. Структуры данных, основанные на треугольниках; структура, основанная на ребрах; реберный список с двойными связями.

Задача определения близости. Диаграмма Вороного. Свойства диаграммы Вороного. Алгоритмы построения диаграммы Вороного. Триангуляция Делоне. Динамический алгоритм Ватсона. Метод локальной оптимизации.

Моделирование рельефа. Поля. Методы цифрового моделирования рельефа. Картографическая генерализация и фракталы. Метод фракталов. Алгоритмы автоматизированной генерализации линейных объектов. Картографическая алгебра. Понятие буферной зоны. Алгебра полигонов. Анализ сетей.

4.2.1.8.Архитектура компьютерно-графических аппаратно-программных комплексов.

Технические средства компьютерной графики (графические процессоры, устройства записи и хранения графической информации, мониторы, графические адаптеры, плоттеры, принтеры, сканеры, цифровые камеры, презентационное оборудование и др.).

Графический пакет. Краткие сведения, возможности, запуск системы. Главное меню. Редактор Чертежей. Командная строка. Строка состояния графического экрана. Экранное меню, падающее меню. Ввод команд, ввод точек. Выход из редактора чертежей. Сохранение чертежа. Графические примитивы. Команды редактирования и модификации чертежа. Команды управления изображением. Свойства примитивов. Режимы рисования. Свойства слоев (имя, тип линий, цвет, замороженный - размороженный).

Диалоговые окна режимов рисования и управления. Нанесение размеров и выполнение текстовых надписей. Простановка знаков шероховатости и поверхности. Задание геометрических и размерных зависимостей.

Создание конструктивных элементов. Понятие базового элемента. Вспомогательные геометрические объекты: рабочие плоскости, рабочие оси и рабочие точки. Понятие произвольных конструктивных элементов: выдавленные элементы, элементы вращения, элементы сдвига. Построение типовых элементов: отверстий, сопряжении, фасок. Создание оболочек. Массивы конструктивных элементов. Построение элементов рассечения. Конструирование с использованием элементов рассечения. Редактирование конструктивных элементов. Использование блоков. Вывод информации о детали.

Выполнение чертежей деталей. Настройка чертежа (слои, размерные стили, стандарты оформления). Создание видов. Выполнение разрезов, выносных элементов и изометрического вида. Нанесение и редактирование размеров. Создание параметрических осевых линий. Конструирование узлов. Зависимости для узлов. Создание вхождений деталей. Использование внешних компонентов в узле. Вставка компонентов. Сборка узла. Редактирование детали внутри узла. Построение линий сборки и задание сдвигов. Редактирование и обновление конструкции узла.

Принципы растровой графики. Алгоритмы отсечения. Удаление невидимых линий. Алгоритмы освещенности и текстуры. Гибридные (векторно-растровые) технологии, сканирование и векторизация чертежей.

Понятие лицензионного программного продукта. Инструментальные функции базового графического пакета. Стандарты и форматы хранения графической информации. Инструментальные средства разработки графических приложений.

5. 
   Лабораторный практикум (Реализуется в компьютерно - графическом классе, а также в режиме самостоятельной подготовки)
   

№ п/п	№ раздела дисциплины	Наименование лабораторных работ
1	4.1.1.1. 4.1.1.4. 4.1.2.5.	Мировой стандарт в области компьютерной графики.. Краткие сведения, возможности. Запуск, главное меню, редактор чертежей, командная строка, строка состояния графического экрана. Экранное меню, падающее меню. Ввод команд, ввод точек. Управляющие клавиши редактора. Выход из редактора чертежей и сохранение чертежа. Графические примитивы. Команды редактирования и модификации чертежа.
2	4.1.2.5.	Команды управления изображением, свойства примитивов, режимы рисования, свойства слоев. Диалоговые окна режимов рисования и управления. Установка среды рисования.
3	4.1.2.5.	Выполнение деталей сборочного чертежа с простановкой только сопряженных размеров на отдельном слое и оформлением деталей как блоков. Формирование и редактирование сборочного чертежа с использованием готовых блоков.
4	4.1.2.5.	Геометрическое моделирование в базовом графическом пакете. Системы координат: МСК и ПСК. Виды пиктограмм. Управление 3-х мерными видами. Выбор точки зрения в 3-х мерном пространстве. Неперекрывающиеся видовые экраны. Формирование каркасной модели. 3-х мерная полилиния. Формирование каркасной модели одновременно в нескольких видовых экранах. Работа с ПСК. Создание каркасной модели выдавливанием. Формирование каркасной модели из заранее вычерченных объемных блоков. Удаление скрытых линий.
5	4.1.2.5.	Поверхности сдвига, вращения, заданные краями. Размещение проекций и модели в видовых экранах.
6	4.1.2.5.	Динамические 3-х мерные и поверхностные модели. 3-х мерные многоугольные сети. Тонирование и воспроизведение со скрытыми линиями.
7	4.1.2.5.	Твердотельное моделирование. Понятие тела и составного тела. Каркасное и сетевое представление твердых тел. Присвоение твердотельной модели свойства материала.
8	4.1.2.6.	Знакомство с возможностями базового пакета для компьютерного дизайна.
9	4.1.2.7.	Геоинформационные системы. Знакомство с возможностями базового программного продукта.
10	4.1.2.8.	Знакомство с векторными, растровыми и гибридными графическими технологиями. Знакомство с видеокомпьютерной и презентационной графикой. Методика создания графических информационных систем с использованием мультимедиа и интернет-технологий.

6.Учебно-методическое обеспечение дисциплины

6.1.Рекомендуемая литература.

6.1.1. Основная литература:

6.1.1.1. Роджерс Д., Адамс Дж. Математические основы машинной графики.

М. Машиностроение. 1980. 240 с.

6.1.1.2.Шенен П., Коснар М., Гардан И. и др. Математика и САПР:

В 2-х кн.-М.: Мир, 1988.

6.1.1.3. Полищук В.В., Полищук А.В. AutoCAD 2000. Практическое руководство.-М.:ДИАЛОГ-МИФИ, 2000.-448 с.

6.1.1.4. Маров М. 3D Studio MAX 3: учебный курс - СПб : Изд. ПИТЕР, 2000-640 с.
6.1.2.Дополнительная литература:

6.1.2.1.Фокс А., Пратт М. Вычислительная геометрия. М. Мир. 1982. 304 с.

6.1.2.2.Фоли Дж., Вэн Дэм А. Основы интерактивной машинной графики. в 2-х кн. М. Мир. 1985.368 с.

6.1.2.3. Гардан И., Люка М. Машинная графика и автоматизация конструирования. М. Мир. 1987. 272 с.

6.1.2.4. Аппаратные средства и мультимедиа: Справочник. Изд.2-е.СПб:Питер, 416 с.

6.1.2.5. Стразницкас М. Эффективная работа с Photoshop 5 - СПб.,Питер, 1999, 704 с.

6.1.2.6. Коновалова Н.В., Капралов Е.Г. Введение в ГИС. Москва,

ООО "Библион"1997, 160 с.

(включаются в том числе периодические издания)

6.1.3.Периодические издания:

6.1.3.1.Журнал “РС Magazine/RE”

6.1.3.2. Журнал “YARD`n`SOFT”,

6.1.3.3. Журнал “КомпьтерПресс”,

6.1.3.4. Журнал “Мир ПК”,

6.1.3.5. Журнал “Информационные технологии с ежемесячным приложением”,

6.1.3.6. Журнал “САПР и графика”,

( в том числе периодические издания)
6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины.

При изучении дисциплины "компьютерная геометрия и графика" значительный объем информации, тренировки и самоконтроля студентам целесообразно осваивать самостоятельно, используя базовые элементы дистанционного образования. В частности могут широко использоваться разработанные в Нижегородском областном центре новых информационных технологий при Нижегородском государственном техническом университете графические мультимедийные информационные системы по разделам дисциплины " компьютерная геометрия и графика", а также графические информационные ресурсы (виртуальные и анимационные модели, элементы ГИС, задания, тесты, методические пособия и т.п.).

(указывается перечень обучающих, контролирующих и расчетных компьютерных программ, диафильмов, кино- и телефильмов)
7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Лекционный зал целесообразно оборудовать демонстрационным комплексом, включающим компьютер, мультимедийный проектор, экран, звуковые колонки.

Лабораторные занятия проводятся в сетевом графическом классе, состоящем из персоналных мультимедийных компьютеров со следующими минимальными основными параметрами: Pentium II/ 350 МГц, 128-Мбайт ОЗУ, Windows 98/NT 4/0, 32-Мбайт видеоОЗУ,

150 Мбайт дискового пространства, накопитель CD-ROM, параллельный порт (для ключа базового программного пакета компьютерной графики).

В составе компьютерного класса целесообразно наличие графической периферии: сканера (минимально формата А4) и принтера или плоттера (минимально формата А3).

Одним из примерных наборов лицензионных программных продуктов (учебные версии) может быть следующий:

-AutoCAD 2000i (или AutoCAD LT 2000i)- среда автоматизированного проектирования,

-Actrix Tecnical 2000 - набор интуитивных средств создания блок-схем, диаграмм, планов, схем, эскизов и т.п.,

-Mechanical Desktop 5 - пакет параметрического 3D-моделирования,

-MechaniCS - система оформления чертежей по ЕСКД,

-Raster Arts - программные средства коррекции, редактирования и векторизации сканированных документов технического назначения,

1. 
   AutoCAD Map 2000 - средство создания, веденя и анализа картографической информации в среде AutoCAD,
   
2. 
   3D Studio VIZ R4i - программная среда для концептуального дизайна и визуализации,
   
3. 
   3D Studio MAX R3 - трехмерная адаптируемая среда интерактивного моделирования, анимации и визуализации,
   
4. 
   edit* - программное решение для нелинейного видео/аудиомонтажа,
   
5. 
   Adobe Photoshop 5.5 - среда растровой графики для обработки изображений,
   
6. 
   CorelDRAW 9 - программный пакет векторной графики для создания иллюстраций и редактирования графических образов,
   
7. 
   HyperMethod 3.0 - программный продукт для создания мультимедиа приложений, информационных систем, презентационных дисков, электронных учебников, справочников, энциклопедий
   

8. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины

Наряду с традиционными формами преподнесения материала лабораторный раздел дисциплины целесообразно сопровождать демонстрацией на экране через мультимедийный проектор, а студентам предоставить возможность на своих рабочих местах выполнять соответствующие задания. При этом группа должна быть разделена таким образом, чтобы каждому предоставлялась возможность индивидуальной работы. Выполняемый в течении одного занятия информационный ресурс должен быть надежно сохранен и продолжение его формирования осуществляется на последующих лабораторных занятиях. Итоговый контроль (зачет) может осуществляться как с экрана (информационный ресурс при этом целесообразно сохранить), так и в распечатанном виде на твердом носителе.

Из большого числа стандартных зарубежных или отечественных программных графических пакетов в качестве базового учебного может быть использован тот, который выбран в данном ВУЗе. Главными требованиями, которым он должен удовлетворять, являются его лицензионная чистота и широкое применение в организациях и на предприятиях.

Изучение дисциплины "компьютерная геометрия и графика" на первом курсе способствует тому, чтобы выполняемая в последующих дисциплинах графическая компонента лабораторных работ, курсовых и дипломных проектов и т.п. , была реализована в электронном виде и в соответствующих стандартах.

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 654700 “Информационные системы” по специальности 071900 “Информационные системы в технике и технологиях”.

Программу составили:
- заведующий кафедрой "Графические информационные системы" Нижегородского государственного технического университета, директор Нижегородского областного центра новых информационных технологий при НГТУ к.т.н., профессор Р.М.Сидорук;- зам. директора НОЦ НИТ при НГТУ, зам.зав. кафедрой ГИС к.т.н., доцент Л.И. Райкин.
Программа одобрена на заседании учебно-методической комиссии Учебно-методического объединения вузов по университетскому политехническому образованию на базе МГТУ им. Н.Э.Баумана по специальности 071900 – “Информационные системы и технологии” “___” ___________ 2001 г., протокол №____.
Председатель УМК по специальности 071900

– “Информационные системы и технологии” Б. Я. Советов

Председатель совета УМО

по университетскому

политехническому образованию И. Б. Фёдоров