1.1 计算机图形学简史

计算机图形学起源于麻省理工学院（MIT）。

1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院旋风I号（Whirl-wind I）计算机的附件而诞生。该显示器用一个类似于示波器的阴极射线管（CRT）来显示一些简单的图形。虽然发明了晶体管和FORTRAN语言，但几乎整个20世纪50年代，实用的只有电子管计算机，并采用机器语言编程，主要应用于科学计算领域。为这些计算机配置的图形设备仅具有输出功能，计算机图形学尚处于孕育时期。20世纪50年代在美国军方的资助下，MIT的林肯实验室联合IBM公司在AN/FSQ-7计算机上开发半自动空中防御系统（Semi-automatic Ground Environment, SAGE），其中使用了9英寸和15英寸的CRT显示器，操作者可以用光枪在屏幕上指示被确定的目标。与此同时，IBM也将该技术陆续应用于计算机产品设计和生产。它预示着交互式计算机图形学的诞生。

1962年，MIT林肯实验室的Ivan E. Sutherland发表了题为“Sketchpad：A Man-Machine Graphical Communication System”的博士论文。论文中首次使用了计算机图形学“Computer Graphics”这个术语，并为一台定制的林肯TX-2计算机研制成功第一台光笔交互式图形显示器。该论文所提出的革命性的图形用户接口（Graphical User Interface, GUI）验证了现代UI设计的许多核心原理，证明了交互式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。该论文中所提出的一些基本概念和技术，如交互技术、分层存储符号的数据结构等至今还广为应用。

计算机图形学与计算机辅助几何设计（Computer Aided Geometric Design, CAGD）有着很深的渊源。大约在1962年前后，法国雷诺汽车公司的工程师Pierre Bézier开发了一套被后人称为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。1964年MIT的教授Steven A. Coons提出了被后人称为超限插值的新思想，通过插值4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型曲面时使曲面片边界上达到任意阶连续的理论方法。此方法得到工业界和学术界的极大推崇，被称为Coons曲面。Bézier方法和Coons方法是CAGD最早的开创性工作。Steven A. Coons和Pierre Bézier被称为现代计算机辅助几何设计技术的奠基人。值得一提的是，计算机图形学界的最高奖是以Steven A. Coons的名字命名的，而获得第一届（1983）和第二届（1985）Steven A. Coons奖的正是Ivan E. Sutherland和Pierre Bézier。

20世纪70年代是计算机图形学发展过程中一个重要的历史时期。由于光栅显示器的发明，在20世纪60年代就已萌芽的光栅图形学算法，迅速发展起来。区域填充、裁剪、消隐等基本图形学概念及相应算法纷纷诞生，图形学进入了第一个兴盛时期，并开始出现实用的计算机辅助设计（Computer Aided Design, CAD）图形系统。在此期间，由于通用的、与设备无关的图形软件的发展，图形软件的标准化问题也被提了出来，先后制定了Core Graphics System、CGI、CGM、GKS、PHIGS等标准。

20世纪70年代计算机图形学领域的两个重要进展是真实感图形学和实体建模技术的产生。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。这些可以算是真实感图形学最早的开创性工作。另外，从1973 年开始，相继出现了英国剑桥大学CAD小组的Build系统、美国Rochester大学的PADL-1系统等实体建模系统。

1980年，Whitted提出了一个光透射模型——Whitted模型，并第一次给出光线追踪算法的范例，实现了Whitted模型。1984年，美国康奈尔大学和日本广岛大学的学者分别将热辐射工程物理中的辐射度方法引入计算机图形学中，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。光线追踪算法和辐射度算法的提出，标志着计算机图形学中的真实感图形的生成算法已逐渐成熟。20世纪80年代中期以来，超大规模集成电路的发展为计算机图形学的飞速发展奠定了物质基础。计算机运算能力的提高，图形处理速度的加快，特别是近年来图形处理器（Graphical Processing Unit, GPU）技术的进展，使图形学的各个研究方向得到充分发展。实时计算机图形学的发展与应用更是与图形硬件、计算机体系结构、算法研究相互促进，进展神速。计算机图形学已被广泛应用于影视动画、科学计算可视化、计算机辅助设计与制造（Computer Aided Design and Manufacturing, CAD/CAM）、仿真、娱乐、教育培训、艺术、军事等各个领域。

在对计算机图形学的历史作任何回顾时都不可以忽视和降低ACM SIGGRAPH会议所起到的无法比拟的巨大作用。ACM SIGGRAPH会议是计算机图形学领域最具权威性的国际会议，几乎每年都在美国（北美）召开，现时参加会议的人已达数万之众。世界上没有第二个领域能够每年召开如此规模巨大的专业会议，ACM SIGGRAPH会议在很大程度上促进了图形学的发展。ACM SIGGRAPH是大约20世纪60年代中期，由Brown大学的教授Andries van Dam（Andy）和IBM公司的Sam Matsa发起的，全称是“the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques”。1974年，在Colorado大学召开了第一届ACM SIGGRAPH年会，并取得了巨大的成功，当时有大约600位来自世界各地的专家学者参加了会议。而1997年，参加会议的人数已经增加到了48700 位。由于每年只录取大约50 篇论文在Computer Graphics杂志上发表，因此论文的学术水平较高，基本上代表了图形学发展的水平和主流方向。