計算機圖形學12-發(fā)展歷史綜述課件

1、計算機圖形學12_發(fā)展歷史綜述課件計算機圖形學12_發(fā)展歷史綜述課件1.2.1 歷史追溯 1950s 1960s 1970s 1980s 1990s 2000s9/14/20222蘇大計算機科學與技術學院1.2.1 歷史追溯 1950s9/10/20224蘇大1950s：醞釀期1950年，MIT旋風I號（Whirlwind I)計算機的圖形顯示器，類似于示波器的CRT來顯示簡單圖形，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提供了可能，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。5

2、0年代末期，MIT林肯實驗室，在Whirlwind上開發(fā)SAGE空中防御系統(tǒng)，通過光筆在屏幕上指點與系統(tǒng)交互。-標志著交互式圖形技術的誕生。9/14/20223蘇大計算機科學與技術學院1950s：醞釀期1950年，MIT旋風I號（Whirlw在整個50年代，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。生成一些簡單圖示條形圖繪圖儀顯示設備簡單顯示設備價格昂貴，速度很慢9/14/20224蘇大計算機科學與技術學院在整個50年代，只有電子管計算機，用機器語言編程，主要應用于Whirlwin

3、d: early graphics using VectorScope (1951)9/14/20225蘇大計算機科學與技術學院Whirlwind: early graphics usinfirst CAD system (IBM 1959)9/14/20226蘇大計算機科學與技術學院first CAD system (IBM 1959)9/11960s：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9/14/20227蘇大計算機科學與技術學院1960s：萌芽期線框圖形9/10/20229蘇大計算機科Sketchpad項目1962年，MIT林肯實驗室的Ivan E. Su

4、therland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研究的序幕；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歲擔任國防部高級研究計劃署（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，證明了交互計算機圖形學是一個可行的、有用的研究領域，從而確定了計算機圖形學作為一個嶄新的科

5、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也是許多圖形學基本算法的創(chuàng)始人9/14/20228蘇大計算機科學與技術學院Sketchpad項目1962年，MIT林肯實驗室的IvanSketchpad項目SketchPad: first interactive graphics (1961)9/14/20229蘇大計算機科學與技術學院Sketchpad項目SketchPad: first inSpacewars: first computer graphics gam

6、e (MIT 1961)9/14/202210蘇大計算機科學與技術學院Spacewars: first computer grap1962年，法國雷諾汽車公司的工程師Pierre Bzier 提出Bzier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de CasteljauBeizer的“天上掉下來”到Forrest的“驀然回首”1964年MIT的教授Steven A. Coons提出了被后人稱為超限插值的新思想，通過插值四條任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任意高階連續(xù)的理

7、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）和第二屆(1985) Steven A. Coons 獎的，恰好是Ivan E. Sutherland和Pierre Bzier大公司開展大規(guī)模研究（通用、AT&T、BELL）9/14/202211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Pierre Bzie1970s：發(fā)展期 70年代是計算機圖形學發(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實用化的階段。交互式圖形系統(tǒng)在許多國家得到應用，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

8、示技術和交互技術的時期到來；許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育、科研以及事務管理等領域。9/14/202212蘇大計算機科學與技術學院1970s：發(fā)展期 70年代是計算機圖形學發(fā)展過程 光柵圖形學迅速發(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9/14/202213蘇大計算機科學與技術學院 光柵圖形學迅速發(fā)展9/10/202215蘇大計算機科學與光柵圖形學迅速發(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，使用專用的緩沖區(qū)存放點陣，由視頻控制器負責刷新掃描。區(qū)域填充裁剪消隱

9、等基本圖形概念、及其相應算法紛紛誕生開始出現(xiàn)實用的CAD圖形系統(tǒng)9/14/202214蘇大計算機科學與技術學院光柵圖形學迅速發(fā)展基于電視技術的光柵掃描顯示器出現(xiàn)極大地推動1974年，ACM SIGGRAPH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)”（Core Graphics System），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9/14/202215蘇大計算機科學與技術學院1974年，ACM SIGGRAPH的與“與機器無關的圖形技真實感圖形學1970年，Bou

10、knight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提出了著名的簡單光照模型- Phong模型9/14/202216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實體造型技術1973年，英國劍橋大學CAD小組的Build系統(tǒng)美國羅徹斯特大學的PADL-1系統(tǒng)9/14/202217蘇大計算機科學與技術學院實體造型技術1973年，英國劍橋大學CAD小組的Build系工作站與PC機雖然現(xiàn)在這兩者的差別已非常小，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P

11、C機把幀緩沖區(qū)作為內存的一部分9/14/202218蘇大計算機科學與技術學院工作站與PC機雖然現(xiàn)在這兩者的差別已非常小，但歷史上它們的來1980s：普及期80年代，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。真實感圖形專門硬件的出現(xiàn) Silicon Graphics公司的geometry engine圖形流程的VLSI實現(xiàn)工業(yè)圖形標準的出現(xiàn) PHIGS RenderMan網絡圖形系統(tǒng)：X Windows系統(tǒng)人機交互(HCI)9/14/202219蘇大計算機科學與技術學院1980s：普及期80年代，出現(xiàn)了帶有光柵圖形顯示器的個人1980年Whitted提出了一個

12、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大學和日本廣島大學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理想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，標志著真實感圖形的顯示算法已逐漸成熟。從80年代中期以來，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。計算機的運算能力的提高，圖形處理速度的加快，使得圖形學的各個研究方向得到充分發(fā)展，圖形學已廣泛應用于動畫、科學計算可視化、CAD/CAM、影視娛樂等各個領域9/14

13、/202220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真實感圖形9/14/202221蘇大計算機科學與技術學院真實感圖形9/10/202223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9/14/202222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1990s：提高增強期微機和軟件系統(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。科學計算的可視化、虛擬現(xiàn)實環(huán)

14、境的應用提出了許多更多更新的要求，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。9/14/202223蘇大計算機科學與技術學院1990s：提高增強期微機和軟件系統(tǒng)的普及使得圖形學的應用1990sOpenGL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(Toy Story) 新型硬件的能力 紋理映射 融合 累加模版緩沖區(qū)9/14/202224蘇大計算機科學與技術學院1990sOpenGL應用程序界面9/10/202226蘇2000s：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：May

15、a,Lightwave目前正向著小型化、低電壓、數(shù)字化方向發(fā)展9/14/202225蘇大計算機科學與技術學院2000s：快速發(fā)展期照片真實感圖形9/10/202227我國開展計算機圖形技術的研究和應用開始于60年代。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迅速發(fā)展，很快取得了可喜的成果。在硬件方面，我國陸續(xù)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)和應用也迅速發(fā)展。中國計算機圖形學的發(fā)展9/14/202226蘇大計算機科學與技術學院我國開展計算機圖形技術的研究和應

16、用開始于60年代。近年來，隨ACM SIGGRAPH會議小知識全稱 “the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques”60年代中期，由Brown 大學的教授Andries van Dam (Andy) 和IBM公司的Sam Matsa發(fā)起1974年，在Colorado大學召開了第一屆SIGGRAPH 年會，并取得了巨大的成功9/14/202227蘇大計算機科學與技術學院ACM SIGGRAPH會議小知識全稱 “the Speci圖形學的雜志和會議會議：Siggraph， Eurograph，

17、Pacific Graphics Computer Graphics International， Graphics Interface雜志: ACM Transaction on Graphics IEEE CG&A, IEEE Visu. & CG Graphical Models, CGF, The Visual Computer 9/14/202228蘇大計算機科學與技術學院圖形學的雜志和會議會議：Siggraph， Eurograp1.2.2 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9/14/202229蘇大計算機科學與技術學院1.2.2 硬件

18、發(fā)展圖形顯示器的發(fā)展9/10/202231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年代中期：畫線顯示器（亦稱矢量顯示器） 需要刷新。設備昂貴，限制普及 60年代后期：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年代初，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，使用專用的緩沖區(qū)存放點陣，由視頻控制器負責刷新掃描。規(guī)則而重復的掃描容易，便宜，可顯示顏色或各種模式填充的圖形，刷新過程與復雜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9/14/202230蘇大計

19、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圖形顯示器原理幀緩沖器顯示控制器D/A轉換器CRT連續(xù)存儲器,每個象素需一個存儲位9/14/202231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控制器D/A轉換器CRT連圖形輸入設備的發(fā)展第一階段：控制開關、穿孔紙等等第二階段：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9/14/202232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：控制開關、穿孔紙等等9/10

20、/2數(shù)據手套9/14/202233蘇大計算機科學與技術學院數(shù)據手套9/10/202235蘇大計算機科學與技術學院數(shù)據衣9/14/202234蘇大計算機科學與技術學院數(shù)據衣9/10/202236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9/14/202235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)展諸侯

21、割據時代 70年代以前，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。標準討論時代 為提高軟件的通用性，必須發(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ACM SIGGRAPH（全稱是“the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques”）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專門成立了一個圖形標準化委員會，開始制定有關標準。9/14/202236蘇大計算機科學與技術學院諸侯割據時代9/10/202238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)”（Core Graphics System）。ISO隨后又發(fā)布了計算機圖形接口CGI(Computer Graphics