計算機可視化界面的發展歷史和趨勢

孫成麗

（遼寧省葫蘆島市龍港區錦西工業學校 遼寧 葫蘆島 125000）

1 引言

作為世界上最成功的動畫公司，皮克斯用全電腦制作顛覆了整個動畫行業，喬布斯曾經讓這家全球最頂尖的電腦動畫制作部經營售價高達125000美元的圖像電腦（PIC），當然是以慘敗告終，幸虧動畫制作挽救了皮克斯。皮克斯開創性地將計算機技術和藝術高度結合，之后21個奧斯卡獲獎影片中有19個采用了皮克斯的RenderMan技術，包括我們熟知的《指環王》和卡梅隆的3D《泰塔尼克號》、《阿凡達》。實際上，1946年第一臺計算機在賓夕法尼亞大學開始從事彈道計算工作以來，計算機技術就已經和藝術開始結合，比如1950年拉普斯基的作品Oscillon用計算機制作，1960年威廉·菲特首次提出了電腦圖形圖像這個詞，1980年，赫伯特？弗里曼在他的《IEEE計算機圖形學》的論文中提出了計算機合成圖像的概念。直到計算機視窗系統的發明和應用，可視化技術已經在藝術、工業和軍事領域發揮了重大的作用。軟件時代正在顛覆傳統，和皮克斯一樣，圖形圖像技術已經突破了藝術領域，正在深刻地改變著這個世界。

2 計算機可視化技術的發展歷程

2.1 早期藝術家推動計算機可視化技術的發展

正如喬布斯以一個藝術家的思維創造蘋果，早期計算機可視化技術的局限性也是由藝術人員打破的。1945年，為了幫助二戰中的美國訓練飛行員，開始進行旋風式計算機開發，1951年，旋風式計算機成功問世，不僅為飛行員提供了一個可編輯的飛行模擬環境，還首次利用顯示器輸出。1952年麻省理工實驗室就有了世界上第一臺數控銑床的雛形。1960年曾在麻省理工高級視覺研究中心工作過的計算機圖像之父大約翰·惠特尼創立運動圖像公司，在IBM的資助下，他們共同開發了擴展計算機設備控制圖形的語言。麻省理工林肯實驗室的湯姆·斯托克曼利用傳真機將圖片數字化，這種方格化的技術就是今天我們熟知的像素。

1960年麻省理工心理聲學專家立克里德發表了《人-計算機共生關系》，實際上首次提出“人機”概念的他四年前才接觸電腦。1961年，麻省理工的三個學生史帝芬·羅素等通過PDP-1發明了世界上第一款射擊游戲——space war。1962年麻省理工博士生——后來的虛擬現實之父、計算機圖形學之父、圖形界面的創始人伊凡·蘇澤蘭成功開發了著名的“畫板”系統，這個人類第一個交互式繪圖系統是一次創世大爆炸，帶來了電腦圖形學上諸多新概念，從此計算機仿真學、飛行模擬、矢量圖、電子游戲和虛擬現實技術都開始發展。可以說，麻省理工和林肯實驗室是對可視化技術做出最大開創性貢獻的。當然其他大學機構和實驗室也做出了巨大的貢獻，比如貝爾實驗室的肯·諾爾頓創造了許多藝術作品和電影。而之后推動可視化技術發展多是電影公司和軟件公司等，比如羅伯特·亞伯、太平洋數字影像公司、加州理工的卡基亞，他們將渲染技術投入電影市場，大大地推動了可視化技術的發展。

2.2 圖形用戶界面（GUI）的發展

1973年施樂公司研發了奧托電腦，盡管奧托是否是第一臺個人電腦還存在爭議，但是這臺電腦首次使用了桌面比擬和鼠標驅動，施樂奧托啟發了喬布斯，喬布斯以一個藝術家的眼光極力推薦麥金塔圖形界面，他對圖形界面有著異常的執著，這也影響了他日后開創皮克斯電影動畫的輝煌，以及重回蘋果以iPod力挽狂瀾。但是喬布斯并沒有統治PC領域，擊敗喬布斯的并不是IBM，而是他的合作者蓋茨。蓋茨利用微軟在軟件開發上的優勢和與IBM簽訂的有史以來最成功的協議擊敗了麥金塔，當喬布斯還執著于建立完美圖形，蓋茨已經搶先占領了市場。之后微軟通過市場的壟斷地位基本上霸占了全球桌面操作系統的90%以上份額。喬布斯重回蘋果之后，麥金塔系統銷量有所回升，這都得益于蘋果產品在全球的銷量。另一方面，開源系統在全球市場也有少量的份額，2017年Windows一家獨大，占到整個視窗系統的91%以上，Mac OS X占6.2%，Chrome OS占2.06%,linux占2.05%。盡管我們研究1973年以來圖形用戶界面發現，無論是麥金塔彩色界面還是NeXT計算機操作系統都要比同時期微軟可視化界面強很多，NEXTSTEP 1.1界面友好度獨霸市場長達10年，功能強大到領先14年后推出的XP,但是微軟還是壟斷了市場。

喬布斯在圖形界面領域最大的貢獻在移動端，1998年從三星分離出來的韓國世韓公司發明第一款mp3的時候，沒有人想到這種便攜音樂播放器會顛覆整個桌面市場。最初，MP3只是功能單一化的黑白屏幕，而最后發展到集手機、視頻多播放器、PSP、掌上辦公設備等多種功能集一身的智能化設備。喬布斯并沒有預見到iPod和iTunes徹底革新了整個產業，當初喬布斯只是堅持一個讓音樂變得更簡單的理念。而iPhone的發明就更簡單，因為人們攜帶手機和iPod的同時性非常高，而之后的iMovie和iPad不過是市場發展的潮流。之后智能化手機時代來臨，人們從移動端轉移到PC端，各種應用從桌面轉移到了手機。

3 可視化技術發展的關鍵因素

3.1 可視化界面的誕生以來最大的技術突破

計算機誕生以來最重大的事件就是鼠標的發明，恩格爾巴特博士在1964年發明了鼠標，今天我們不需要用鍵盤輸入繁瑣的指令就能夠實現指哪打哪完全是因為這項劃時代的技術。鼠標就像一只手可以撫摸到電腦屏幕的任意位置，它是可視化界面發展中最關鍵的一步。

觸摸屏真正實現了手和機器之間的零距離人機交互，將圖形界面帶入了一個新的時代。1993年IBM發明第一款智能手機Simon的時候，沒有人預見到蘋果會憑一個MP3成為智能手機行業領導者，觸屏技術并不是蘋果公司的發明，1971年，美國肯尼迪大學教師SamHurst因為每天處理圖形數據不勝其煩，于是思考用最簡單的方法搞定這些可惡的圖形，于是他埋頭鉆研發明了AccuTouch，此后他西門子合作，不斷完善該技術，最早觸摸屏技術只被美國軍方所采用，直到1982年他展出了觸屏電視劇，這項人機交互技術才進入公眾領域，此后ATM,售貨機，點歌機，打票機等等進入人們的視野。iPhone的出現標志著手機智能化時代的來臨，手機行業的巨頭諾基亞和摩托羅拉瞬間被擊垮，三大系統之一的塞班關閉。Google依靠開源優勢將安卓系統推向世界，iso則依靠蘋果手機的熱賣堅挺不倒。

3.2 圖形界面的虛擬概念

50年代麻省理工的TX-2計算機使用了光筆和x-y點圖像顯示器，建立了虛擬圖像的標尺，賣出了虛擬圖像文件化的第一步。

1960年SRI發展的OLS在線系統增加了光標和多窗口，讓看屏幕就像看文件一樣。

70年代施樂進一步簡便了“翻文件”的功能，建立了窗口、圖標、菜單、指針和鼠標的應用。

1981年施樂8010代替奧托，推出了可重疊的窗口，雙擊鼠標和對話框，現在文件可以摞在一起處理了。

1983年vision電子表格的發布標志著現在不僅閱讀文件還可以寫作。

1984年是劃時代的一年，蘋果公司推出的麥金塔系統建立了虛擬桌面的概念，桌面上有文件夾，文件夾里有各種文件，還有計算器、記事本、鐘表等等。1987年發布的彩色麥金塔二代窗口可以疊加，大小能夠改變界面友好度更高。隨著辦公軟件、游戲、網絡視頻音頻和各種應用軟件被搬上桌面，計算機窗口這個虛擬世界顯得更加真實。網站界面、軟件界面、社交媒體界面、手持設備界面和游戲界面這些視覺通信交互打造了一個越來越真實的虛擬情境。

虛擬概念是計算機圖形界面的根本性變革，它的意義不僅在于大大地簡化了計算機操作，促進了計算機技術的發展，更在于改變人際交流的方式。像kindle電子閱讀器，音樂視頻播放器，人臉識別系統都不足以描述可視化界面的虛擬概念。

虛擬鍵盤的發明預示著未來計算機輸入設備可能只是一個界面投影。

隨著3D技術的發展，越來越多的計算機圖形從平面向更真實的立體化轉變。

谷歌眼鏡拓展現實的功能異常強大，真正實現無需動手眨眨眼就能上網處理信息，該眼鏡智能到通過透視人的面部表情分析內心情緒。

更強大的是SixthSense，可以用手指上的感應芯片隨意投影。

4 未來計算機可視化技術發展的趨勢

未來可視化界面的交互程度更高，機器可以主動識別判斷人類的行為，就像現在的語音模糊輸入系統一樣，電腦可以通過判斷人的動作做出響應。電腦將越來越AI化，電腦體積越來越便攜化，就像從PC到筆記本再到手機，而圖形界面將會以投影的形式利用3D技術創設更真實的情境。在未來，VR技術將會是可視化技術的一大發展方向，VR虛擬現實將會全面應用到人類生活的各個領域，

可視化界面會以視覺為基礎，結合多種感官體驗，比如觸覺，通過“力反饋觸摸屏”給觸摸屏添加震動功能，手指感覺就像是按下了一個真實的按鍵一樣。計算機更多會利用可視化界面表現出和人的互動關系，而不再是簡單接受指令。

未來計算機將會以智能設備的形式出現，計算機不再有龐大的顯示器和笨重的外觀，可能只是一副眼鏡、手表、手鏈甚至只是一個芯片，智能設備傳感器依據手指觸摸的位置及力道，人的聲音、語言、動作、表情甚至是生理活動變化來判斷指令，然后機器通過投影顯示圖像，并且根據實際光線自我調節，根本不需要真實屏幕。

5 結語

第一代人機交互圖形界面以生硬的文本指令進行冰冷的操作，命令復雜而響應緩慢。第二代人機交互界面是以圖形為基礎的WIMP界面，更多通過視覺交互，對計算機發出指令。而未來的第三代人機交互界面則是智能化圖形界面，在集成交互各種多媒體的基礎上，人機高度互動，電腦可以識別人的動作、表情、手勢甚至生理活動，從過去的單向交互發展到雙向交互，人和計算機呈現出一種溝通的新關系形態。

[1]張帆，王水萍.計算機圖形學與圖形圖像的處理技術[J].電腦迷.2016(07).

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[4]計算機人機交互界面的變化與計算機的發展[J].王培鐸.武警學院學報.2001(06).