計算機圖形學1.2-發(fā)展歷史

1.2發(fā)展歷史1.2.1歷史追溯1.2.2硬件發(fā)展1.2.3軟件的發(fā)展3/8/20231蘇大計算機科學與技術學院1.2.1歷史追溯

1950’s

1960’s

1970’s

1980’s

1990’s

2000’s3/8/20232蘇大計算機科學與技術學院1950’s：醞釀期1950年，MIT旋風I號（WhirlwindI)計算機的圖形顯示器，類似于示波器的CRT來顯示簡潔圖形，主要用于圖形輸出，沒有交互功能。--CRT的出現(xiàn)為計算機生成和顯示圖形供應了可能，也就是說圖形顯示器誕生。1958年美國CALCOMP由聯(lián)機的數(shù)字記錄儀發(fā)展成滾筒繪圖儀、GERBER把數(shù)控機床發(fā)展成為平板繪圖儀。50年頭末期，MIT林肯試驗室，在Whirlwind上開發(fā)SAGE空中防衛(wèi)系統(tǒng)，通過光筆在屏幕上指引與系統(tǒng)交互。--標記著交互式圖形技術的誕生。3/8/20233蘇大計算機科學與技術學院在整個50年頭，只有電子管計算機，用機器語言編程，主要應用于科學計算，為這些計算機配置的圖形設備僅具有輸出功能。計算機圖形學處于準備和醞釀時期，并稱之為：“被動式”圖形學。生成一些簡潔圖示條形圖繪圖儀顯示設備簡潔顯示設備價格昂貴，速度很慢3/8/20234蘇大計算機科學與技術學院Whirlwind:earlygraphicsusingVectorScope(1951)3/8/20235蘇大計算機科學與技術學院firstCADsystem(IBM1959)3/8/20236蘇大計算機科學與技術學院1960’s：萌芽期線框圖形只繪制線段Sketchpad項目顯示處理器存貯設備改進3/8/20237蘇大計算機科學與技術學院Sketchpad項目1962年，MIT林肯試驗室的IvanE.Sutherland發(fā)表一篇題為“Sketchpad：一個人機交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文拉開圖形學探討的序幕；I.E.Sutherland，38年生，美國人，CMU學士、Catech碩士、MIT博士，59年博士畢業(yè)，參軍，26歲擔當國防部高級探討支配署（DARPA）信息處理技術局局長(僅中尉銜)，該局曾組織Internet前身ARPANet等重大項目。1964年起，先后在哈佛、Utah、Catech工作。為博士論文答辯，制作一部電影，答辯時，邊放映，邊講解，大獲成功，該電影廣為流傳。提出圖形學的概念，證明白交互計算機圖形學是一個可行的、有用的探討領域，從而確定了計算機圖形學作為一個嶄新的科學分支的獨立地位，成就“圖形學之父”的英名。提出的交互技術、分層存儲符號的數(shù)據結構等至今還在廣為應用。獲“圖靈”獎、IEEE計算機杰出成就獎、Coons獎Sutherland也是很多圖形學基本算法的創(chuàng)始人3/8/20238蘇大計算機科學與技術學院Sketchpad項目SketchPad:firstinteractivegraphics(1961)3/8/20239蘇大計算機科學與技術學院Spacewars:firstcomputergraphicsgame(MIT1961)3/8/202310蘇大計算機科學與技術學院1962年，法國雷諾汽車公司的工程師PierreBézier提出Bézier曲線、曲面的理論，成功地用于幾何外形設計，并開發(fā)了用于汽車外形設計的UNISURF系統(tǒng)。而成為CAGD的先驅。Bezier與deCasteljauBeizer的“天上掉下來”－到Forrest的“驀然回首”1964年MIT的教授StevenA.Coons提出了被后人稱為超限插值的新思想，通過插值四條隨意的邊界曲線來構造曲面。用小塊曲面片組合表示自由曲面，使曲面片邊界上達到隨意高階連續(xù)的理論方法，稱孔斯曲面。58年提出“CAD”概念圖形學最高獎以他名字命名。獲得第一屆（1983）和其次屆(1985)StevenA.Coons獎的，恰好是IvanE.Sutherland和PierreBézier大公司開展大規(guī)模探討（通用、AT&T、BELL）3/8/202311蘇大計算機科學與技術學院1970’s：發(fā)展期70年頭是計算機圖形學發(fā)展過程中一個重要的歷史時期，計算機圖形技術的應用進入了好用化的階段。交互式圖形系統(tǒng)在很多國家得到應用，如美國洛克德飛機公司用于飛機設計的交互式圖形處理系統(tǒng)（CAD/AM），應用計算機顯示技術和交互技術的時期到來；很多新的更加完備的圖形系統(tǒng)不斷被研制出來。除了在軍事上和工業(yè)上的應用之外，計算機圖形學還進入教化、科研以及事務管理等領域。3/8/202312蘇大計算機科學與技術學院光柵圖形學快速發(fā)展圖形軟件標準化真實感圖形學實體造型技術工作站與PC機3/8/202313蘇大計算機科學與技術學院光柵圖形學快速發(fā)展基于電視技術的光柵掃描顯示器出現(xiàn)極大地推動了計算機圖形學的發(fā)展。以點陣形式表示圖形，運用專用的緩沖區(qū)存放點陣，由視頻限制器負責刷新掃描。區(qū)域填充裁剪消隱等基本圖形概念、及其相應算法紛紛誕生起先出現(xiàn)好用的CAD圖形系統(tǒng)3/8/202314蘇大計算機科學與技術學院1974年，ACMSIGGRAPH的與“與機器無關的圖形技術”的工作會議ACM成立圖形標準化委員會，制定“核心圖形系統(tǒng)”（CoreGraphicsSystem），北美，但沒有成為三維圖形的ISO標準ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS，歐洲，成為二維圖形的ISO標準圖形軟件標準化3/8/202315蘇大計算機科學與技術學院真實感圖形學1970年，Bouknight提出了第一個光反射模型1971年Gourand提出“漫反射模型＋插值”的思想，被稱為Gourand明暗處理1975年，Phong提出了著名的簡潔光照模型-Phong模型3/8/202316蘇大計算機科學與技術學院實體造型技術1973年，英國劍橋高校CAD小組的Build系統(tǒng)美國羅徹斯特高校的PADL-1系統(tǒng)3/8/202317蘇大計算機科學與技術學院工作站與PC機雖然現(xiàn)在這兩者的差別已特別小，但歷史上它們的來源是不同的。工作站：網絡連接交互性PC機：早期的PC機把幀緩沖區(qū)作為內存的一部分3/8/202318蘇大計算機科學與技術學院1980’s：普及期80年頭，出現(xiàn)了帶有光柵圖形顯示器的個人計算機和工作站，極大地促進了計算機圖形學的發(fā)展。真實感圖形特地硬件的出現(xiàn)SiliconGraphics公司的geometryengine圖形流程的VLSI實現(xiàn)工業(yè)圖形標準的出現(xiàn)PHIGSRenderMan網絡圖形系統(tǒng)：XWindows系統(tǒng)人機交互(HCI)3/8/202319蘇大計算機科學與技術學院1980年Whitted提出了一個光透視模型-Whitted模型，并第一次給出光線跟蹤算法的范例，實現(xiàn)Whitted模型1984年，美國Cornell高校和日本廣島高校的學者分別將熱輻射工程中的輻射度方法引入到計算機圖形學中，用輻射度方法成功地模擬了志向漫反射表面間的多重漫反射效果。Greenberg-Nishita光線跟蹤算法和輻射度算法的提出，標記著真實感圖形的顯示算法已漸漸成熟。從80年頭中期以來，超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，為圖形學的飛速發(fā)展奠定了物質基礎。計算機的運算實力的提高，圖形處理速度的加快，使得圖形學的各個探討方向得到充分發(fā)展，圖形學已廣泛應用于動畫、科學計算可視化、CAD/CAM、影視消遣等各個領域3/8/202320蘇大計算機科學與技術學院真實感圖形3/8/202321蘇大計算機科學與技術學院圖形硬件和各個分支均在這個時期飛速發(fā)展，出現(xiàn)了帶有光柵圖形顯示器的個人計算機和工作站3/8/202322蘇大計算機科學與技術學院1990’s：提高增加期微機和軟件系統(tǒng)的普及使得圖形學的應用領域日益廣泛。技術上，朝著標準化、集成化、智能化的發(fā)向發(fā)展。多媒體技術、人工智能、科學計算可視化、虛擬現(xiàn)實的結合?？茖W計算的可視化、虛擬現(xiàn)實環(huán)境的應用提出了很多更多更新的要求，使得三維乃至高維計算機圖形學在真實性和實時性方面有飛速發(fā)展。3/8/202323蘇大計算機科學與技術學院1990’sOpenGL應用程序界面完全由計算機生成的電影正片(featurelength)玩具總動員(ToyStory)新型硬件的實力紋理映射融合累加模版緩沖區(qū)3/8/202324蘇大計算機科學與技術學院2000’s：快速發(fā)展期照片真實感圖形PC上的圖形卡Nvidia,ATI,3DLabs游戲電影工業(yè)中的計算機圖形學程序：Maya,Lightwave目前正向著小型化、低電壓、數(shù)字化方向發(fā)展3/8/202325蘇大計算機科學與技術學院我國開展計算機圖形技術的探討和應用起先于60年頭。近年來，隨著改革開放以及我國方針政策的落實，科學技術得到發(fā)展應用，計算機圖形學的理論和技術快速發(fā)展，很快取得了可喜的成果。在硬件方面，我國接連研制出多種系列和型號的繪圖機、數(shù)字化儀和圖形顯示器，其技術指標居國際先進水平，已批量報入市場；與計算機圖形學有關的軟件的開發(fā)和應用也快速發(fā)展。中國計算機圖形學的發(fā)展3/8/202326蘇大計算機科學與技術學院ACMSIGGRAPH會議小學問全稱“theSpecialInterestGrouponComputerGraphicsandInteractiveTechniques”60年頭中期，由Brown高校的教授AndriesvanDam(Andy)和IBM公司的SamMatsa發(fā)起1974年，在Colorado高校召開了第一屆SIGGRAPH年會，并取得了巨大的成功://3/8/202327蘇大計算機科學與技術學院圖形學的雜志和會議會議：Siggraph，Eurograph，PacificGraphics

ComputerGraphicsInternational， GraphicsInterface雜志:ACMTransactiononGraphicsIEEECG&A,IEEEVisu.&CGGraphicalModels,CGF,TheVisualComputer3/8/202328蘇大計算機科學與技術學院1.2.2硬件發(fā)展圖形顯示器的發(fā)展圖形顯示器是計算機圖形學中關鍵的設備圖形輸入設備的發(fā)展3/8/202329蘇大計算機科學與技術學院畫線顯示器（矢量顯示器/隨機掃描顯示器）存儲管式顯示器刷新式光柵掃描顯示器60年頭中期：畫線顯示器（亦稱矢量顯示器）須要刷新。設備昂貴，限制普及60年頭后期：存儲管式顯示器不需刷新，價格較低，缺點是不具有動態(tài)修改圖形功能，不適合交互式。70年頭初，刷新式光柵掃描顯示器出現(xiàn)，大大地推動了交互式圖形技術的發(fā)展。以點陣形式表示圖形，運用專用的緩沖區(qū)存放點陣，由視頻限制器負責刷新掃描。規(guī)則而重復的掃描簡潔，便宜，可顯示顏色或各種模式填充的圖形，刷新過程與困難程度無關目前正向著小型化、低電壓、數(shù)字化方向發(fā)展圖形顯示設備的發(fā)展3/8/202330蘇大計算機科學與技術學院光柵掃描圖形顯示器原理幀緩沖器顯示限制器D/A轉換器CRT連續(xù)存儲器,每個象素需一個存儲位3/8/202331蘇大計算機科學與技術學院圖形輸入設備的發(fā)展第一階段：限制開關、穿孔紙等等其次階段：鍵盤第三階段：二維定位設備如鼠標、光筆、圖形輸入板、觸摸屏等等，語音第四階段：三維輸入設備，用戶的手勢、表情等等如空間球、跟蹤球、數(shù)據手套、數(shù)據衣第五階段：用戶的思維3/8/202332蘇大計算機科學與技術學院數(shù)據手套3/8/202333蘇大計算機科學與技術學院數(shù)據衣3/8/202334蘇大計算機科學與技術學院1.2.3圖形軟件發(fā)展及標準形成隨著圖形輸入輸出技術的發(fā)展，圖形軟件也從無到有、從低到高地不斷發(fā)展，并在圖形系統(tǒng)中占據越來越重要的位置。圖形軟件的發(fā)展 開放式、高效率、標準化、集成化、智能化、學科交叉

圖形軟件標準

與設備無關、與應用無關、具有較高性能軟件發(fā)展及標準形成的階段3/8/202335蘇大計算機科學與技術學院

諸侯割據時代70年頭以前，各硬件廠商生產的圖形設備具有不同功能，開發(fā)的圖形軟件包有自己專用的硬件平臺和高級語言接口，因而互不兼容，無法移植，限制了圖形設備技術和應用的發(fā)展。

標準探討時代為提高軟件的通用性，必需發(fā)展與設備無關的圖形軟件，即制定圖形軟件功能的標準化。1974年，美國國家標準化局（ANSI）在ACMSIGGRAPH（全稱是“theSpecialInterestGrouponComputerGraphicsandInteractiveTechniques”）的一個與“與機器無關的圖形技術”的工作會議上，提出了制定有關標準的基本規(guī)則。此后ACM特地成立了一個圖形標準化委員會，起先制定有關標準。3/8/202336蘇大計算機科學與技術學院

標準形成時代ACM于1977、1979年先后制定和修改了“核心圖形系統(tǒng)”（CoreGraphicsSystem）。ISO隨后