1.1.1　计算机图形学的发展简史

自从20世纪40年代研制出世界上第一台电子计算机以来，由于计算机处理数据速度快、精度高，引起了人们的重视。许多国家纷纷投入人力和物力研制新的计算机及输出图形的软、硬件产品。1950年，美国麻省理工学院研制出了第一台图形显示器作为旋风Ⅰ号计算机的输出设备。这台显示器在计算机的控制下第一次显示了一些简单图形，类似于示波器的CRT。这就是计算机产生图形的萌芽。

1959年，美国Calcomp公司根据打印机原理研制出了世界上第一台滚筒式绘图仪。同年，Gerber公司把数控机床发展成板式绘图仪。20世纪50年代末期，美国麻省理工学院在旋风Ⅰ号计算机上开发了空中防御系统，具有指挥和控制功能。这个系统能将雷达信号转换为显示器上的图形，操作者利用光笔可直接在显示屏上标识目标。这一功能的实现预示着交互式图形生成技术的诞生。

1962年，美国麻省理工学院林肯实验室的伊凡·萨瑟兰德（Ivan E.Sutherland）发表了题为“Sketchpad：人机通信的图形系统（Sketchpad：Man-Machine Graphical Communication System）”的博士论文，首先提出了“计算机图形学（computer graphics）”这一术语，引入了分层存储符号的数据结构，开发出了交互技术，可用键盘和光笔实现定位、选项和绘图的功能，还正式提出了至今仍在沿用的许多其他基本思想和技术，从而奠定了计算机图形学的基础。

20世纪60年代初期，第一台光笔交互式图形显示器在美国麻省理工学院林肯实验室研制成功。它是以人-机通信的图形系统为中心内容并以博士论文形式完成的研究课题。文中首先使用了“计算机图形学”这个术语，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的具有独立学术地位的学科分支。与此同时，在美国的工业界，交互图形显示器的研制工作也开展起来，其中IBM公司起了重要的作用。IBM公司在1964年首先推出自主的设计方案，随后经过改进，名为IBM 2250的显示器走向了市场，这是IBM计算机正式提供给工业界使用的第一代刷新式随机扫描图形终端。随后，洛克希德飞机公司利用IBM 2250开发了计算机图形增强设计与制造（computergraphics augmented design and manufacturing，CADAM）绘图加工系统，从1974年开始向外界转让，成为目前IBM主机上应用最广的计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）软件。

20世纪60年代中期，美国、英国、法国的一些汽车、飞机制造业大公司对计算机图形学开展了大规模的研究。在计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）中，人们利用交互使计算机图形学实现了多阶段的自动设计、自动绘图和自动检测。在这一时期，计算机图形学输出技术也得到了很大的发展，人们开始使用随机扫描的显示器。这种显示器具有较高的分辨率和对比度，具有良好的动态性能，但是必须至少以30次/秒的频率不断刷新屏幕上的图形才能避免闪烁。

20世纪60年代后期，出现了存储管式显示器，它不需要缓冲和刷新，显示大量信息也不闪烁，价格低廉，分辨率高。但是它不具备显示动态图形的能力，也不能进行选择性删除。它的出现可使一些简单的图形实现交互处理。存储管式显示器的出现，对计算机图形学的发展起到了促进作用，但为满足计算机图形学中交互技术的需求，其功能还有待进一步完善和改进。

20世纪70年代初期，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，许多新的较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外，计算机图形学还进入了文化教育、科学研究以及企业管理等领域。此时，小型机、工作站逐步发展起来，行式打印机、光栅扫描显示器、绘图仪等图形显示和输出设备相继投入使用。但由于图形设备昂贵、功能简单且缺乏相应的软件支持，直到20世纪80年代，计算机图形学还仅仅是一门较小的学科。

20世纪70年代中期，出现了基于电视技术的光栅图形扫描器。在光栅显示器中，线段字符及多边形等显示图案均存储在刷新缓冲区存储器中，这些图是按照构成像素的点的亮度存储的，这些点被称为像素。一个个像素构成了一条条光栅线，一系列光栅线构成了一幅完整的图像。它是以30次/秒的频率对存储器进行读写操作以实现图形刷新而避免闪烁的。光栅图形显示器的出现使计算机图形生成技术和电视技术得以相互衔接，图形处理和图像处理相互渗透，使得生成的图形更加形象、逼真，因而更易于推广和应用。在图形输出设备不断发展的同时，出现了许多不同类型的图形输入设备，如从原有的光笔装置发展到图形输入板、鼠标、扫描仪和触摸屏。

20世纪80年代初期，计算机图形学的进一步发展，主要体现在以下3个方面：①几个著名的大型计算机图形系统相继问世。特别值得一提的是图形核心系统（graphical kernal system，GKS）。GKS原先是由西德研制出来的，后于1982年由国际标准化组织ISO讨论和修改，并定为准二维图形ISO标准系统。②随着硬件技术的发展、高分辨率图形显示器的研制成功，三维图形显示达到了更高水平，可动态显示物体表面的光照程度、颜色浓度和阴影变化，具有很强的真实感。③由于工程工作站的出现和微型计算机性能的不断提高，外设不断完善，图形软件功能不断增强，使得计算机图形系统在许多领域可以取代中、小型计算机系统，计算机图形学得到了更加广泛的应用。

20世纪80年代中期，计算机图形设备进入了迅速发展时期，个人计算机如Apple、IBM PC以及Apollo、SUN等工程工作站问世，并迅速受到广大用户的欢迎，销售量大幅度上升。在这些产品的设计中，图形显示器和主机融为一体，都采用光栅扫描型显示方法，并能够同时生成高质量的线型图和逼真的彩色明暗图。计算机性价比的不断提升，也推动了计算机图形学的迅速发展和推广。图形设备与个人计算机的发展，带动了大量简单而实用、价格便宜的图形应用程序的开发，如用户图形界面、绘图、游戏、字处理等，使计算机图形学在各个领域发挥越来越大的作用，并且很快进入了家庭。图像数字化仪、扫描仪、鼠标、触摸屏等输入设备，以及彩色静电绘图仪、激光打印机和喷墨打印机等输出设备都有了很大的发展。

20世纪90年代，随着图形系统的发展，计算机图形学朝着标准化、集成化和智能化的方向发展。国际标准化组织（ISO）公布的有关计算机图形的标准逐步完善。计算机图形学与多媒体技术、专家系统技术和人工智能技术的结合取得了良好的效果。科学计算的可视化、虚拟现实环境、人工智能、多媒体技术、二维交互绘图系统、三维几何造型技术等的应用给计算机图形的应用又开辟了一个更广阔的天地。今天，在电子、医学、机械、航空航天、建筑、造船、轻纺、影视等方面的计算机图形技术的应用，已取得了明显的社会效益和经济效益。这种加快交互速度的努力还会继续进行，这将进一步推动计算机图形学技术的飞速发展。

进入21世纪以来，计算机图形学向着更高阶段发展，它的许多技术已成为当今最热门的多媒体技术的重要组成部分。在未来的计算机软件、硬件发展中，计算机图形学扮演着重要的角色。它的理论、方法和工具将会有更大的发展，应用领域也会越来越广。 iL20XXOoLxscxVDyq7PanaCEEdUEcX/nZ0iajs/Z4nMHXaF0rs1BU8dI38FDi4hC