1.3 发展历史

计算机图形学是伴随着计算机的出现而产生的，主要经历了以下几个发展阶段。

1.3.1 萌芽阶段

世界上第一台数字电子通用计算机ENIAC于1946年2月14日在美国宾夕法尼亚大学研制成功，由于没有连接图形显示设备，因此，这时的计算机和图形学之间没有建立联系。1950年，美国麻省理工学院（MIT）“旋风1号”计算机（whirlwind 1）配备了一个图形显示器，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，CRT的出现为计算机生成和显示图形提供了可能。1958年美国Calcomp公司将联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪，GerBer公司把数控机床发展成平板式绘图仪。由于当时的计算机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，不具备人机交互功能，计算机图形学在这个阶段尚处于准备和酝酿时期。到20世纪50年代末期，MIT的林肯实验室在“旋风”计算机上开发了SAGE空中防御体系，第一次使用了具有指挥和控制功能的CRT显示器，操作者可以用光笔在屏幕上指出被确定的目标。与此同时，类似的技术在设计和生产过程中也陆续得到了应用，这是交互式计算机图形系统的雏形，预示着交互式计算机图形技术的诞生。

1.3.2 发展阶段

1962年，MIT林肯实验室的Ivan E. Sutherland发表了一篇题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”的博士论文，他在论文中首次使用了计算机图形学（computer graphics）这个术语，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学科分支的独立地位；他在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在广为应用。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，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。同在20世纪60年代早期，法国雷诺汽车公司的工程师Pierre Bézier发展了一套被后人称为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。Coons方法和Bézier方法是CAGD最早的开创性工作。值得一提的是，计算机图形学的最高奖是以Coons的名字命名的，而获得第一届（1983年）和第二届（1985年）Steven A. Coons奖的，恰好是Ivan E. Sutherland和Pierre Bézier。Ivan E. Sutherland被称为“计算机图形学之父”，获得了1988年的计算机界的最高奖“图灵奖”和IEEE计算机杰出成就奖，他也是许多图形学基本算法的创始人（见图1.3-1）。

图1.3-1 计算机图形学学科创始人——Ivan E. Sutherland

1.3.3 推广应用阶段

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。由于光栅显示器的产生，在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、消隐等基本图形概念及其相应算法纷纷诞生，图形学进入了第一个兴盛的时期，并开始出现实用的CAD图形系统。又因为通用、与设备无关的图形软件的发展，图形软件功能的标准化问题被提了出来。1974年，美国国家标准化局（American National Standards Institute，ANSI）在ACM SIGGRAPH的一个“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。该委员会于1977年、1979年先后制定和修改了“核心图形系统”（core graphics system）。ISO随后又发布了计算机图形接口（computer graphics interface，CGI）、计算机图形元文件标准（computer graphics metafile，CGM）、计算机图形核心系统（graphics kernel system，GKS）、面向程序员的层次交互图形标准（programmer’s hierarchical interactive graphics standard，PHIGS）等。这些标准的制定，对计算机图形学的推广、应用以及资源信息共享起到了重要作用。

在20世纪70年代，计算机图形学的另外两个重要进展是真实感图形学和实体造型技术的产生。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、美国罗彻斯特大学的PADL-1系统等实体造型系统。

1.3.4 实用化阶段

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。

20世纪80年代以后，工作站的出现也极大促进了计算机图形学的发展。相对小型计算机来说，工作站是一个用户使用一台计算机，交互响应时间短，而且可以共享资源，如大容量磁盘、高精度绘图仪等，在图形生成上具有显著的优点。因此工作站取代小型计算机成为图形生成的主要环境。到了80年代后期，微型计算机的性能迅速提高，并配有高分辨率的显示器和窗口管理系统，可在网络环境下运行。由于其价格便宜，因此得到了广泛的推广，尤其是微型计算机上的图形软件和支持图形应用的操作系统及程序（如Windows、Office、AutoCAD、CoreDraw、FreeHand、3DMax等）的全面出现，使计算机图形学技术的应用深度和广度得到了前所未有的发展。

1.3.5 标准化、智能化阶段

20世纪90年代，随着多媒体技术的提出，计算机图形学的功能有了很大的提高，计算机图形系统已成为计算机系统必不可少的组成部分。随着面向对象的程序设计语言的发展，出现了面向对象的计算机图形系统，计算机图形学开始朝着标准化、集成化和智能化的方向发展，国际标准化组织公布的图形标准越来越多，且更加成熟，并得到了广泛的认同和采用。这些图形标准包括计算机图形接口（CGI）标准、计算机图形元文件（CGM）标准、图形核心系统（GKS）、三维图形核心系统（GKS-3D）和程序员层次交互图形系统（PHIGS）。图形软件标准制定的主要目标是提供计算机图形操作所需要的功能，包括图形的输入输出、图形数据的组织和交互等，使现有的计算机和图形设备的功能得到有效利用，以满足实际应用的需要，并在不同的计算机系统、不同的应用系统、不同的用户之间进行信息交换，使图形、程序能够重复使用，与设备无关，实现设备的独立性和便于移植，减少应用系统的开发费用和重复开发等。

超大规模集成电路的发展也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。

1.3.6 多学科融合发展阶段

进入21世纪以后，计算机图形学的研究逐渐朝着多学科交叉融合的方向发展，既有与认知计算、机器学习、人机交互的融合，也有与大数据分析、可视化的融合；不仅针对三维数字模型，还涵盖了图像视频，体现出与计算机视觉的深度交叉。计算机图形学快速发展，一个潜在的趋势是不再有明确清晰的主题，而更多地体现出方法和技巧的创新。前沿热点领域包括3D打印、机器人、认知计算、大数据分析与可视化以及虚拟现实技术等。以3D打印为例，它涉及机械制造、材料设计、几何造型、颜色、力学特性等多个学科的交叉，其中与计算机图形学有关的研究内容包括面向3D打印的几何模型高效表示方法、表面效果定制（纹理、颜色）和模型结构优化分析方法等。计算机图形学的研究人员也积极参与到机器人的研究热潮中，除了机器人路径规划和人形机器人运动仿真这些传统的计算机图形学研究内容外，研究人员已经开发了多项机器人在图形学中的应用，例如机器人模仿人类的面部表情，模块化机器人为模块化家具提供支持等。虚拟现实技术的需求也推动了三维复杂环境的实时动态显示技术发展，人体动画技术研究向多方面发展，曲线曲面技术仍然是研究的热点。