计算机可视化界面发展历史和趋势

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1引言

作为世界上最成功的动画公司，皮克斯用全电脑制作颠覆了整个动画行业，乔布斯曾经让这家全球最顶尖的电脑动画制作部经营售价高达125000美元的图像电脑（PIC），当然是以惨败告终，幸亏动画制作挽救了皮克斯。皮克斯开创性地将计算机技术和艺术高度结合，之后21个奥斯卡获奖影片中有19个采用了皮克斯的RenderMan技术，包括我们熟知的《指环王》和卡梅隆的3D《泰塔尼克号》、《阿凡达》。实际上，1946年第一台计算机在宾夕法尼亚大学开始从事弹道计算工作以来，计算机技术就已经和艺术开始结合，比如1950年拉普斯基的作品Oscillon用计算机制作，1960年威廉•菲特首次提出了电脑图形图像这个词，1980年，赫伯特？弗里曼在他的《IEEE计算机图形学》的论文中提出了计算机合成图像的概念。直到计算机视窗系统的发明和应用，可视化技术已经在艺术、工业和军事领域发挥了重大的作用。软件时代正在颠覆传统，和皮克斯一样，图形图像技术已经突破了艺术领域，正在深刻地改变着这个世界。

2计算机可视化技术的发展历程

2.1早期艺术家推动计算机可视化技术的发展

正如乔布斯以一个艺术家的思维创造苹果，早期计算机可视化技术的局限性也是由艺术人员打破的。1945年，为了帮助二战中的美国训练飞行员，开始进行旋风式计算机开发，1951年，旋风式计算机成功问世，不仅为飞行员提供了一个可编辑的飞行模拟环境，还首次利用显示器输出。1952年麻省理工实验室就有了世界上第一台数控铣床的雏形。1960年曾在麻省理工高级视觉研究中心工作过的计算机图像之父大约翰•惠特尼创立运动图像公司，在IBM的资助下，他们共同开发了扩展计算机设备控制图形的语言。麻省理工林肯实验室的汤姆•斯托克曼利用传真机将图片数字化，这种方格化的技术就是今天我们熟知的像素。1960年麻省理工心理声学专家立克里德发表了《人-计算机共生关系》，实际上首次提出“人机”概念的他四年前才接触电脑。1961年，麻省理工的三个学生史帝芬•罗素等通过PDP-1发明了世界上第一款射击游戏——spacewar。1962年麻省理工博士生——后来的虚拟现实之父、计算机图形学之父、图形界面的创始人伊凡•苏泽兰成功开发了著名的“画板”系统，这个人类第一个交互式绘图系统是一次创世大爆炸，带来了电脑图形学上诸多新概念，从此计算机仿真学、飞行模拟、矢量图、电子游戏和虚拟现实技术都开始发展。可以说，麻省理工和林肯实验室是对可视化技术做出最大开创性贡献的。当然其他大学机构和实验室也做出了巨大的贡献，比如贝尔实验室的肯•诺尔顿创造了许多艺术作品和电影。而之后推动可视化技术发展多是电影公司和软件公司等，比如罗伯特•亚伯、太平洋数字影像公司、加州理工的卡基亚，他们将渲染技术投入电影市场，大大地推动了可视化技术的发展。

2.2图形用户界面（GUI）的发展

1973年施乐公司研发了奥托电脑，尽管奥托是否是第一台个人电脑还存在争议，但是这台电脑首次使用了桌面比拟和鼠标驱动，施乐奥托启发了乔布斯，乔布斯以一个艺术家的眼光极力推荐麦金塔图形界面，他对图形界面有着异常的执着，这也影响了他日后开创皮克斯电影动画的辉煌，以及重回苹果以iPod力挽狂澜。但是乔布斯并没有统治PC领域，击败乔布斯的并不是IBM，而是他的合作者盖茨。盖茨利用微软在软件开发上的优势和与IBM签订的有史以来最成功的协议击败了麦金塔，当乔布斯还执着于建立完美图形，盖茨已经抢先占领了市场。之后微软通过市场的垄断地位基本上霸占了全球桌面操作系统的90%以上份额。乔布斯重回苹果之后，麦金塔系统销量有所回升，这都得益于苹果产品在全球的销量。另一方面，开源系统在全球市场也有少量的份额，2017年Windows一家独大，占到整个视窗系统的91%以上，MacOSX占6.2%，ChromeOS占2.06%,linux占2.05%。尽管我们研究1973年以来图形用户界面发现，无论是麦金塔彩色界面还是NeXT计算机操作系统都要比同时期微软可视化界面强很多，NEXTSTEP1.1界面友好度独霸市场长达10年，功能强大到领先14年后推出的XP,但是微软还是垄断了市场。乔布斯在图形界面领域最大的贡献在移动端，1998年从三星分离出来的韩国世韩公司发明第一款mp3的时候，没有人想到这种便携音乐播放器会颠覆整个桌面市场。最初，MP3只是功能单一化的黑白屏幕，而最后发展到集手机、视频多播放器、PSP、掌上办公设备等多种功能集一身的智能化设备。乔布斯并没有预见到iPod和iTunes彻底革新了整个产业，当初乔布斯只是坚持一个让音乐变得更简单的理念。而iPhone的发明就更简单，因为人们携带手机和iPod的同时性非常高，而之后的iMovie和iPad不过是市场发展的潮流。之后智能化手机时代来临，人们从移动端转移到PC端，各种应用从桌面转移到了手机。

3可视化技术发展的关键因素

3.1可视化界面的诞生以来最大的技术突破

计算机诞生以来最重大的事件就是鼠标的发明，恩格尔巴特博士在1964年发明了鼠标，今天我们不需要用键盘输入繁琐的指令就能够实现指哪打哪完全是因为这项划时代的技术。鼠标就像一只手可以抚摸到电脑屏幕的任意位置，它是可视化界面发展中最关键的一步。触摸屏真正实现了手和机器之间的零距离人机交互，将图形界面带入了一个新的时代。1993年IBM发明第一款智能手机Simon的时候，没有人预见到苹果会凭一个MP3成为智能手机行业领导者，触屏技术并不是苹果公司的发明，1971年，美国肯尼迪大学教师SamHurst因为每天处理图形数据不胜其烦，于是思考用最简单的方法搞定这些可恶的图形，于是他埋头钻研发明了AccuTouch，此后他西门子合作，不断完善该技术，最早触摸屏技术只被美国军方所采用，直到1982年他展出了触屏电视剧，这项人机交互技术才进入公众领域，此后ATM,售货机，点歌机，打票机等等进入人们的视野。iPhone的出现标志着手机智能化时代的来临，手机行业的巨头诺基亚和摩托罗拉瞬间被击垮，三大系统之一的塞班关闭。Google依靠开源优势将安卓系统推向世界，iso则依靠苹果手机的热卖坚挺不倒。

3.2图形界面的虚拟概念

50年代麻省理工的TX-2计算机使用了光笔和x-y点图像显示器，建立了虚拟图像的标尺，卖出了虚拟图像文件化的第一步。1960年SRI发展的OLS在线系统增加了光标和多窗口，让看屏幕就像看文件一样。70年代施乐进一步简便了“翻文件”的功能，建立了窗口、图标、菜单、指针和鼠标的应用。1981年施乐8010代替奥托，推出了可重叠的窗口，双击鼠标和对话框，现在文件可以摞在一起处理了。1983年vision电子表格的标志着现在不仅阅读文件还可以写作。1984年是划时代的一年，苹果公司推出的麦金塔系统建立了虚拟桌面的概念，桌面上有文件夹，文件夹里有各种文件，还有计算器、记事本、钟表等等。1987年的彩色麦金塔二代窗口可以叠加，大小能够改变界面友好度更高。随着办公软件、游戏、网络视频音频和各种应用软件被搬上桌面，计算机窗口这个虚拟世界显得更加真实。网站界面、软件界面、社交媒体界面、手持设备界面和游戏界面这些视觉通信交互打造了一个越来越真实的虚拟情境。虚拟概念是计算机图形界面的根本性变革，它的意义不仅在于大大地简化了计算机操作，促进了计算机技术的发展，更在于改变人际交流的方式。像kindle电子阅读器，音乐视频播放器，人脸识别系统都不足以描述可视化界面的虚拟概念。虚拟键盘的发明预示着未来计算机输入设备可能只是一个界面投影。随着3D技术的发展，越来越多的计算机图形从平面向更真实的立体化转变。谷歌眼镜拓展现实的功能异常强大，真正实现无需动手眨眨眼就能上网处理信息，该眼镜智能到通过透视人的面部表情分析内心情绪。更强大的是SixthSense，可以用手指上的感应芯片随意投影。

4未来计算机可视化技术发展的趋势

未来可视化界面的交互程度更高，机器可以主动识别判断人类的行为，就像现在的语音模糊输入系统一样，电脑可以通过判断人的动作做出响应。电脑将越来越AI化，电脑体积越来越便携化，就像从PC到笔记本再到手机，而图形界面将会以投影的形式利用3D技术创设更真实的情境。在未来，VR技术将会是可视化技术的一大发展方向，VR虚拟现实将会全面应用到人类生活的各个领域，可视化界面会以视觉为基础，结合多种感官体验，比如触觉，通过“力反馈触摸屏”给触摸屏添加震动功能，手指感觉就像是按下了一个真实的按键一样。计算机更多会利用可视化界面表现出和人的互动关系，而不再是简单接受指令。未来计算机将会以智能设备的形式出现，计算机不再有庞大的显示器和笨重的外观，可能只是一副眼镜、手表、手链甚至只是一个芯片，智能设备传感器依据手指触摸的位置及力道，人的声音、语言、动作、表情甚至是生理活动变化来判断指令，然后机器通过投影显示图像，并且根据实际光线自我调节，根本不需要真实屏幕。

5结语

第一代人机交互图形界面以生硬的文本指令进行冰冷的操作，命令复杂而响应缓慢。第二代人机交互界面是以图形为基础的WIMP界面，更多通过视觉交互，对计算机发出指令。而未来的第三代人机交互界面则是智能化图形界面，在集成交互各种多媒体的基础上，人机高度互动，电脑可以识别人的动作、表情、手势甚至生理活动，从过去的单向交互发展到双向交互，人和计算机呈现出一种沟通的新关系形态。

作者:孙成丽 单位:辽宁省葫芦岛市龙港区锦西工业学校