一、 教材编写的指导思想
本教材围绕“实现三维图形显示的基本方法是程序设计和计算机仿真”这一命题， 在“可计算性的实现前提可计算性的实现前提是指待解问题被模型与系统形式化方法所描述， 这种描述要转换成算法， 算法要有合理的复杂度（即程序的使用有明确的边界范围限制）。形式化方法描述指用数学模型、 流程图与逻辑符号进行描述， 且这种描述要遵从逻辑上的一致性（一致性事物的基本特征或特性相同， 其他特性或特征相类似， 不能有矛盾）。”与“计算机仿真理论架构原理计算机仿真理论架构原理包括系统、 建模、 仿真算法与评估。系统指由相互联系、 相互作用的要素或部件组成的具有一定结构和功能的有机整体， 它决定了被研究任务与考察对象的组成与边界范围。大型复杂的系统一般由多个相对简单的子系统构成， 具有多样性、 层次性、 动态性、 智能性与关联性等特征。”思想指导下， 以3D动画与图形标准为教学目标， 用系统分析与综合的方法系统分析与综合的方法： 如为实现三维图形的自动显示这一目标， 本教材先把这一总任务分解成多个相对独立的各个子任务形成各章的教学内容， 并提出各章要解决的基本问题。最后， 将各章解决问题方法进行集合， 构成一个自动运行并完成指定任务的完整系统， 以达到设定的教学目标。组织教材内容的编写。教材中先用二维图形建立软件系统的概念； 然后根据仿真原理建立描述可视物体、 灯光、 照相机等物理模型所需多个数学模型为主线， 构建了仿真光线在计算机场景与照相机模型中传播并在照相机镜头中生成3D动画图形的教学方法， 使读者能在物理仿真、 数学建模与软件系统概念的指引下， 编程实现三维图形软件系统， 以此实现三维动画图形的自动显示。因计算机动画设计中包含了图形标准， 所以同时讲解了OpenGL图形标准绘图工具， 便于读者应用各种可视化编程软件开发应用程序， 做到与国内外目前计算机图形学课程的教学现状[32,34-41]相接轨。本课程可作为软件工程课程的教学实习对象， 并期待能用计算机图形学课程解决传统的软件工程课程中存在的教学困惑侠义的软件工程包括两个步骤： （1）用一组规则约定并经抽象形成理论或工具等方法； （2）以此规范并协调多人分工协作编写程序源代码与程序测试等开发过程， 即用第二步加强对第一步的理解。这是避免大型程序系统开发走弯路并取得成功的基本保证。在该课程教学中， 若仅进行讲授而不进行实习， 那么该课程教学并不完备。广义的软件工程包括大型工程应用中所涉及具体软件的整体开发技术与实现等过程。传统的课程教学中， 并没有明确是否应包含复杂大系统的数学建模与系统仿真等要求（实际应用软件的开发过程有这些要求， 但其教科书往往没有这些内容）， 也不清楚以什么问题作为教学案例以达到该课程设定的教学目标。这导致该课程的实习部分不易进行， 使其课程教学出现了教学困惑——即不能把一门理论与实践并重的课程， 仅当作一门纯理论课程来传授。。
二、 授课所用的教学模式与教学方法
用3D动画系统案例的形式培养读者熟悉科学研究的工作方法， 并以此使读者掌握计算机程序设计的基本方法。科学研究的工作方法遵循以下原则： 
（1）开发选题。找任务、 检索阅读资料、 提出问题或自由选题并并为此命名是开发选题的基础。自由选题要确立研究问题（应是国际上目前受关注、 有发展前途的重要领域或方向或疑难问题）的创新性（如填补空白或修改传统的理论， 新技术、 新方法的发明创造； 或在前人工作基础上进行补充完善等）、 科学性（对自然现象提出疑问和假设， 并通过科研实践证明、 演绎、 显示答案。科研实践是一个试错的过程， 即通过不断犯错而逐渐揭示事物的本来面目）、 目标性（设定所期望的结果）、 可行性（有能力与条件达到所设定的目标）， 并理顺课题的申报渠道。如计算机图形学的学科（教学科目与知识类别）属性与教学内容， 是目前国际计算机图形学教育界多年（从1999年-2011年）关注的疑难问题[32,33,1,104]。
（2）分析问题。真实照片由物体、 灯光与照相机3个主要因素决定， 由此提炼描述这些物理模型所需多个教学基本点。如用几何模型、 材质模型、 纹理模型描述可视物体模型； 用点光源的光线几何模型、 颜色模型、 照明模型、 光线跟踪算法与辐射度算法等描述灯光模型（点发光体）； 根据照相机的观察参数， 用几何模型的几何变换、 裁剪、 投影、 多边形填充与纹理映射、 图像融合等算法描述照相机模型； 对光线跟踪算法需重构照相机模型。
（3）提出解决问题的方法（提出假说）。教材中先用二维图形建立软件系统的概念， 然后以建立描述可视物体、 灯光、 照相机等物理模型所需多个数学模型为主线， 建立仿真光线传播生成三维图形的概念。注意： 选定的研究问题、 解决问题的方法是否创新或有意义， 以及研究人员的实力是取得创新成果的基础。
（4）做实验解决问题（寻找证据支持假说）。在物理仿真、 数学建模与软件系统概念的指引下， 选择数据结构、 设计算法、 编写程序源代码并调试、 测试运行程序， 以构建三维图形软件系统。向该运行软件输入各种图形模型的描述数据与命令， 计算机能自动生成像照片一样效果的三维真实感图形。物体运动或变形、 灯光变幻、 照相机运动， 可形成计算机动画。 
（5）取得新成果（用查新方法验证）。对学科已有的系统理论与方法进行渐进改进或更新， 发表学术论文、 推广该成果， 直至论证申报新开发项目或教学改革项目， 推动学科不断向前发展。当我们在国内外率先界定计算机图形学的学科内涵、 论证计算机图形学是可视化与物理仿真应用程序后[1,104]， 为健全、 理顺、 提炼本教材（第3版）的教学内容奠定了理论基础。
由此构建计算机程序设计教学的完整过程（计算机应用程序设计的基本规律与基本方法， 详见0.4节的最后结论）， 并形成了面向科学思维的教学方法。该教学方法要求把科学研究的工作方法、 系统分析与综合的方法、 思考问题的方法、 查找资料与抽象的方法等知识产生的方法（简称方法论）引入课程教学中， 有效讲解学科专业知识是如何根据需求并通过研究各种问题产生的原因， 进而形成本学科的理论体系（计算机图形学的理论体系， 用可计算性的现实前提与计算机仿真理论架构原理有效描述）与其学科结构（详见导论）， 这是科学思维产生的结果。掌握这种方法， 将为人们日后取得创新成果打下基础。
三、 教材的适用对象、 教学安排与修订情况
教材中的例题均是在Windows环境中编程实现的。学习本课程， 要求读者具有C++语言的编程基础与数据结构方面的知识， 并对基础物理学有一个基本的了解。
本教材可作为高等院校计算机、 信息处理、 数学、 物理、 机械、 地理、 建筑、 园林、 纺织、 工艺美术、 土木工程等专业的本科生， 正确认识图形数学模型的构建与显示规律、 掌握计算机程序设计的基本方法、 计算机仿真入门的重要教科书。

本次修订重写了教材的导论与各章小结， 每章先通过提出基本问题来介绍各章的教学要点， 精简了相关教学内容， 对于一批重要术语（黑体字标明）的基本含义进行了诠释， 改变国外目前以图形标准为主的计算机图形学教学模式[32,34-40]不能概括计算机图形学的研发成果与发展规律等被动局面， 有效解决国内外计算机图形学教育界长期对本课程的教学困惑[1,104]。
感谢浙江大学的彭群生教授对本教材写作的大力支持与亲切指导； 感谢厦门大学的赵致琢教授、 上海交大的何援军教授， 空军预警学院（原空军雷达学院）的杨瑞娟、 鲁汉榕、 吴彩华、 高燕、 戴志平、 俞志强、 周焰（他们参与了教材的策划讨论、 试用、 审稿、 校对、 画图、 实例设计等工作）、 熊家军、 徐毓、 肖兵、 魏忠、 蔡益朝、 宾雪莲、 代科学、 郭乐江、 李嵩斌老师和参考文献作者的帮助； 感谢关心、 使用本教材的所有读者； 这些支持与帮助使作者能顺利完成本教材的修订工作。对于书中不妥之处， 恳切读者批评指正。
本教材的修订， 受到空军预警学院“十二五”国家级规划教材出版基金的资助。
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