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出版者:清华大学出版社

作者:刘伟

出品人:

页数:370

译者:

出版时间:2001-8

价格:39.0

装帧:精装

isbn号码:9787302045113

丛书系列:

图书标签:

• CGI
• Web开发
• 动态网页
• 服务器端编程
• Perl
• HTML
• HTTP协议
• 脚本编程
• Web服务器
• 技术教程

《数字艺术的先驱：早期计算机图形学与交互界面设计》 内容提要 本书追溯了计算机图形学（Computer Graphics, CG）从萌芽到成熟的早期发展历程，重点聚焦于20世纪50年代至80年代末的开创性工作。它并非专注于特定编程技术或软件工具的“如何操作”，而是深入剖析了驱动图形技术革命的理论基石、关键人物以及里程碑式的项目，展现了视觉计算如何从实验室的抽象概念转变为现实世界中具有影响力的媒介。 全书结构围绕图形学的核心支柱展开：硬件的演进、算法的突破、以及人机交互（HCI）的初步探索。我们将详细考察那些奠定现代三维渲染和二维位图技术基础的原始思想，并探讨它们如何影响了后来的工业标准。 第一部分：从示波器到显示器——图形显示的早期硬件革命 本部分深入探讨了计算机图形学诞生的物理基础。在没有现代GPU的时代，如何将数学运算转化为可见的图像是最大的挑战。 1. 向量显示器的黄金时代： 详细介绍阴极射线管（CRT）技术在早期图形显示中的作用。重点分析了腐蚀笔（Light Pen） 的工作原理及其在交互式设计中的先驱地位。研究了如SAGE系统（半自动地面环境防御系统）中如何首次大规模应用实时矢量显示技术来处理复杂的空间数据。我们将剖析随机扫描（Random Scan） 显示技术与后来的光栅扫描（Raster Scan） 技术的根本区别，及其对早期CAD/CAM（计算机辅助设计/制造）系统的影响。 2. 帧缓冲区的诞生与位图革命： 阐述了从描绘线条到存储像素阵列的范式转变。这部分将聚焦于位图显示器（Bitmap Display）的出现，以及早期对帧缓冲区（Frame Buffer） 内存结构的探索。讨论了早期的颜色深度限制（如单色、四色、八色）如何制约了视觉表现力，以及如何通过颜色查找表（Color Look-Up Table, CLUT） 技术巧妙地模拟出更丰富的色彩空间，这是早期图形工作站（如Xerox PARC的Alto和Star系统）的重要特征。 3. 交互式输入设备的创新： 探讨了早期图形艺术家和工程师如何与机器“对话”。除了腐蚀笔，本书还将详细分析轨迹球（Trackball）、数字化仪（Digitizer） 和三维输入设备（如早期的数据手套原型）如何为后来的鼠标和现代3D导航奠定基础。 第二部分：数学之美——三维几何与渲染的萌芽 图形学本质上是应用数学。本部分聚焦于那些将三维空间概念转化为屏幕二维投影的核心算法。 1. 投影几何的回归： 重新审视欧几里得几何在计算机中的应用。详细解析透视投影（Perspective Projection） 与正交投影（Orthographic Projection） 的数学模型。讨论了早期的裁剪（Clipping） 算法，特别是Cohen-Sutherland 和Liang-Barsky 算法的设计思想，它们是如何高效地确定哪些几何线段应该被显示在视窗内。 2. 隐藏面消除的艰辛探索： 在没有强大浮点运算能力的时代，判断哪些表面被其他表面遮挡是极其困难的计算任务。本书详述了早期的“画家算法”（Painter's Algorithm）的局限性，并深入分析了Z缓冲（Z-Buffer，深度缓存） 概念的提出及其对实时三维可视化的革命性意义。我们也将回顾封石算法（Culling Algorithms） 的早期变体，用于剔除不可见的多边形。 3. 光影的初步模拟： 探讨了对真实感早期追求的努力。重点分析了格雷厄姆·霍布金斯（Graham Hoppe） 和亨利·冯·拉恩（Henry Fuchs） 等先驱如何利用简单的平面着色（Flat Shading） 和高洛德着色（Gouraud Shading） 来模拟物体的曲面感。理解这些方法如何通过插值法来弥补计算复杂度的不足，是理解现代渲染管线的基础。 第三部分：图形的语言——算法与软件系统的开端 图形不再是硬件的附庸，而是拥有了自己的软件架构。本部分关注通用图形算法库的建立。 1. 几何变换的矩阵代数： 阐述了如何利用齐次坐标（Homogeneous Coordinates） 来统一平移、旋转和缩放这三种基本操作。分析了早期图形系统如何构建和管理变换矩阵堆栈（Transformation Matrix Stack），这是所有现代3D引擎中场景图（Scene Graph）结构的前身。 2. 贝塞尔曲线与B样条的引入： 探讨了Bézier Curves 和B-Splines 如何被引入计算机图形学，以取代传统的多段直线来创建平滑的曲线和曲面。分析了这些数学工具如何从航空航天和汽车设计领域迁移至计算机辅助艺术创作中，并成为描述复杂形状的标准方法。 3. 早期的图形系统标准： 研究了如ACM SIGGRAPH 社区在标准化图形编程接口方面所做的努力。虽然它们尚未成为后来的OpenGL，但这些早期的库（如Core Graphics System 的概念）体现了开发者对可移植性和模块化图形编程的初步构想。 第四部分：人机交互的哲学——图形化用户界面的黎明 图形学的最终目标是改善人与机器的沟通。本部分关注图形化用户界面（GUI）的先驱工作。 1. 施乐PARC的遗产： 详尽分析了Xerox PARC在Alto和Star工作站上进行的革命性试验，包括桌面隐喻（Desktop Metaphor）、窗口（Windows）、图标（Icons） 和菜单（Menus） 的首次集成应用。这些设计原则如何基于图形操作而非命令行，极大地降低了计算机的使用门槛。 2. 文本与图形的融合： 探讨了在光栅显示器上实现高质量文本渲染的技术挑战。分析了早期的位图字体（Bitmap Fonts） 技术，以及字体设计如何直接受到屏幕分辨率的限制，为后来的矢量字体技术铺平了道路。 3. 早期动画与模拟的尝试： 简要介绍早期计算机动画的尝试，如使用简单的程序生成序列帧。这包括对关键帧动画概念的雏形探讨，以及早期应用于工程仿真和科学可视化的二维和三维动态展示。 结语：跨越鸿沟的遗产 本书最后总结了这些早期工作对现代数字世界不可磨灭的影响。它强调，现代复杂的渲染管线、光线追踪算法、以及我们习以为常的交互方式，无一不是建立在这些先驱者在硬件资源极度匮乏的环境下所建立的坚实理论和巧妙算法之上的。这是一部献给那些在黑白屏幕前，用数学和想象力构筑数字视觉世界的工程师与艺术家的历史文献。 --- 目标读者：计算机科学、人机交互、数字媒体艺术专业的学生、研究人员，以及对技术史和视觉计算起源感兴趣的专业人士。本书旨在提供深厚的理论背景，而非操作指南。

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