计算机图形学1.2-发展历史.说课材料

计算机图形学1.2----------发展历史.1950’s：酝酿期1950年，MIT旋风I号（WhirlwindI)计算机的图形显示器，类似于示波器的CRT来显示简单图形，主要用于图形输出，没有交互功能。--CRT的出现为计算机生成和显示图形提供了可能，也就是说图形显示器诞生。1958年美国CALCOMP由联机的数字记录仪发展成滚筒绘图仪、GERBER把数控机床发展成为平板绘图仪。50年代末期，MIT林肯实验室，在Whirlwind上开发SAGE空中防御系统，通过光笔在屏幕上指点与系统交互。--标志着交互式图形技术的诞生。1/13/20232苏大计算机科学与技术学院在整个50年代，只有电子管计算机，用机器语言编程，主要应用于科学计算，为这些计算机配置的图形设备仅具有输出功能。计算机图形学处于准备和酝酿时期，并称之为：“被动式”图形学。生成一些简单图示条形图绘图仪显示设备简单显示设备价格昂贵，速度很慢1/13/20233苏大计算机科学与技术学院Whirlwind:earlygraphicsusingVectorScope(1951)1/13/20234苏大计算机科学与技术学院firstCADsystem(IBM1959)1/13/20235苏大计算机科学与技术学院1960’s：萌芽期线框图形只绘制线段Sketchpad项目显示处理器存贮设备改进1/13/20236苏大计算机科学与技术学院Sketchpad项目1962年，MIT林肯实验室的IvanE.Sutherland发表一篇题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”的博士论文拉开图形学研究的序幕；I.E.Sutherland，38年生，美国人，CMU学士、Catech硕士、MIT博士，59年博士毕业，参军，26岁担任国防部高级研究计划署（DARPA）信息处理技术局局长(仅中尉衔)，该局曾组织Internet前身ARPANet等重大项目。1964年起，先后在哈佛、Utah、Catech工作。为博士论文答辩，制作一部电影，答辩时，边放映，边讲解，大获成功，该电影广为流传。提出图形学的概念，证明了交互计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位，成就“图形学之父”的英名。提出的交互技术、分层存储符号的数据结构等至今还在广为应用。获“图灵”奖、IEEE计算机杰出成就奖、Coons奖Sutherland也是许多图形学基本算法的创始人1/13/20237苏大计算机科学与技术学院Sketchpad项目SketchPad:firstinteractivegraphics(1961)1/13/20238苏大计算机科学与技术学院Spacewars:firstcomputergraphicsgame(MIT1961)1/13/20239苏大计算机科学与技术学院1962年，法国雷诺汽车公司的工程师PierreBézier提出Bézier曲线、曲面的理论，成功地用于几何外形设计，并开发了用于汽车外形设计的UNISURF系统。而成为CAGD的先驱。Bezier与deCasteljauBeizer的“天上掉下来”－到Forrest的“蓦然回首”1964年MIT的教授StevenA.Coons提出了被后人称为超限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。用小块曲面片组合表示自由曲面，使曲面片边界上达到任意高阶连续的理论方法，称孔斯曲面。58年提出“CAD”概念图形学最高奖以他名字命名。获得第一届（1983）和第二届(1985)StevenA.Coons奖的，恰好是IvanE.Sutherland和PierreBézier大公司开展大规模研究（通用、AT&T、BELL）1/13/202310苏大计算机科学与技术学院1970’s：发展期70年代是计算机图形学发展过程中一个重要的历史时期，计算机图形技术的应用进入了实用化的阶段。交互式图形系统在许多国家得到应用，如美国洛克德飞机公司用于飞机设计的交互式图形处理系统（CAD/AM），应用计算机显示技术和交互技术的时期到来；许多新的更加完备的图形系统不断被研制出来。除了在军事上和工业上的应用之外，计算机图形学还进入教育、科研以及事务管理等领域。1/13/202311苏大计算机科学与技术学院光栅图形学迅速发展图形软件标准化真实感图形学实体造型技术工作站与PC机1/13/202312苏大计算机科学与技术学院光栅图形学迅速发展基于电视技术的光栅扫描显示器出现极大地推动了计算机图形学的发展。以点阵形式表示图形，使用专用的缓冲区存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描。区域填充裁剪消隐等基本图形概念、及其相应算法纷纷诞生开始出现实用的CAD图形系统1/13/202313苏大计算机科学与技术学院1974年，ACMSIGGRAPH的与“与机器无关的图形技术”的工作会议ACM成立图形标准化委员会，制定“核心图形系统”（CoreGraphicsSystem），北美，但没有成为三维图形的ISO标准ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS，欧洲，成为二维图形的ISO标准图形软件标准化1/13/202314苏大计算机科学与技术学院真实感图形学1970年，Bouknight提出了第一个光反射模型1971年Gourand提出“漫反射模型＋插值”的思想，被称为Gourand明暗处理1975年，Phong提出了著名的简单光照模型-Phong模型1/13/202315苏大计算机科学与技术学院实体造型技术1973年，英国剑桥大学CAD小组的Build系统美国罗彻斯特大学的PADL-1系统1/13/202316苏大计算机科学与技术学院工作站与PC机虽然现在这两者的差别已非常小，但历史上它们的来源是不同的。工作站：网络连接交互性PC机：早期的PC机把帧缓冲区作为内存的一部分1/13/202317苏大计算机科学与技术学院1980’s：普及期80年代，出现了带有光栅图形显示器的个人计算机和工作站，极大地促进了计算机图形学的发展。真实感图形专门硬件的出现SiliconGraphics公司的geometryengine图形流程的VLSI实现工业图形标准的出现PHIGSRenderMan网络图形系统：XWindows系统人机交互(HCI)1/13/202318苏大计算机科学与技术学院1980年Whitted提出了一个光透视模型-Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，实现Whitted模型1984年，美国Cornell大学和日本广岛大学的学者分别将热辐射工程中的辐射度方法引入到计算机图形学中，用辐射度方法成功地模拟了理想漫反射表面间的多重漫反射效果。Greenberg-Nishita光线跟踪算法和辐射度算法的提出，标志着真实感图形的显示算法已逐渐成熟。从80年代中期以来，超大规模集成电路的发展，为图形学的飞速发展奠定了物质基础。计算机的运算能力的提高，图形处理速度的加快，使得图形学的各个研究方向得到充分发展，图形学已广泛应用于动画、科学计算可视化、CAD/CAM、影视娱乐等各个领域1/13/202319苏大计算机科学与技术学院真实感图形1/13/202320苏大计算机科学与技术学院图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展，出现了带有光栅图形显示器的个人计算机和工作站1/13/202321苏大计算机科学与技术学院1990’s：提高增强期微机和软件系统的普及使得图形学的应用领域日益广泛。技术上，朝着标准化、集成化、智能化的发向发展。多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、虚拟现实的结合。科学计算的可视化、虚拟现实环境的应用提出了许多更多更新的要求，使得三维乃至高维计算机图形学在真实性和实时性方面有飞速发展。1/13/202322苏大计算机科学与技术学院1990’sOpenGL应用程序界面完全由计算机生成的电影正片(featurelength)玩具总动员(ToyStory)新型硬件的能力纹理映射融合累加模版缓冲区1/13/202323苏大计算机科学与技术学院2000’s：快速发展期照片真实感图形PC上的图形卡Nvidia,ATI,3DLabs游戏电影工业中的计算机图形学程序：Maya,Lightwave目前正向着小型化、低电压、数字化方向发展1/13/202324苏大计算机科学与技术学院我国开展计算机图形技术的研究和应用开始于60年代。近年来，随着改革开放以及我国方针政策的落实，科学技术得到发展应用，计算机图形学的理论和技术迅速发展，很快取得了可喜的成果。在硬件方面，我国陆续研制出多种系列和型号的绘图机、数字化仪和图形显示器，其技术指标居国际先进水平，已批量报入市场；与计算机图形学有关的软件的开发和应用也迅速发展。中国计算机图形学的发展1/13/202325苏大计算机科学与技术学院ACMSIGGRAPH会议小知识全称“theSpecialInterestGrouponComputerGraphicsandInteractiveTechniques”60年代中期，由Brown大学的教授AndriesvanDam(Andy)和IBM公司的SamMatsa发起1974年，在Colorado大学召开了第一届SIGGRAPH年会，并取得了巨大的成功1/13/202326苏大计算机科学与技术学院图形学的杂志和会议会议：Siggraph，Eurograph，PacificGraphics

ComputerGraphicsInternational， GraphicsInterface杂志:ACMTransactiononGraphicsIEEECG&A,IEEEVisu.&CGGraphicalModels,CGF,TheVisualComputer1/13/202327苏大计算机科学与技术学院1.2.2硬件发展图形显示器的发展图形显示器是计算机图形学中关键的设备图形输入设备的发展1/13/202328苏大计算机科学与技术学院画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器）存储管式显示器刷新式光栅扫描显示器60年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器）需要刷新。设备昂贵，限制普及60年代后期：存储管式显示器不需刷新，价格较低，缺点是不具有动态修改图形功能，不适合交互式。70年代初，刷新式光栅扫描显示器出现，大大地推动了交互式图形技术的发展。以点阵形式表示图形，使用专用的缓冲区存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描。规则而重复的扫描容易，便宜，可显示颜色或各种模式填充的图形，刷新过程与复杂程度无关目前正向着小型化、低电压、数字化方向发展图形显示设备的发展1/13/202329苏大计算机科学与技术学院光栅扫描图形显示器原理帧缓冲器显示控制器D/A转换器CRT连续存储器,每个象素需一个存储位1/13/202330苏大计算机科学与技术学院图形输入设备的发展第一阶段：控制开关、穿孔纸等等第二阶段：键盘第三阶段：二维定位设备如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等，语音第四阶段：三维输入设备，用户的手势、表情等等如空间球、跟踪球、数据手套、数据衣第五阶段：用户的思维1/13/202331苏大计算机科学与技术学院数据手套1/13/202332苏大计算机科学与技术学院数据衣1/13/202333苏大计算机科学与技术学院1.2.3图形软件发展及标准形成随着图形输入输出技术的发展，图形软件也从无到有、从低到高地不断发展，并在图形系统中占据越来越重要的位置。图形软件的发展 开放式、高效率、标准化、集成化、智能化、学科交叉

图形软件标准

与设备无关、与应用无关、具有较高性能软件发展及标准形成的阶段1/13/202334苏大计算机科学与技术学院

诸侯割据时代70年代以前，各硬件厂商生产的图形设备具有不同功能，开发的图形软件包有自己专用的硬件平台和高级语言接口，因而互不兼容，无法移植，限制了图形设备技术和应用的发展。

标准讨论时代为提高软件的通用性，必须发展与设备无关的图形软件，即制定图形软件功能的标准化。1974年，美国国家标准化局（ANSI）在ACMSIGGRAPH（全称是“theSpecialInterestGrouponComputerGraphicsandInteractiveTechniques”）的一个与“与机器无关的图形技术”的工作会议上，提出了制定有关标准的基本规则。此后ACM专门成立了一个图形标准化委员会，开始制定有关标准。1/13/202335苏大计算机科学与技术学院

标准形成时代ACM于1977、1979年先后制定和修改了“核心图形系统”（CoreGraphicsSystem）。ISO随后又发布了计算机图形接口CGI(ComputerGraphicsInterface)、计算机图