孫成麗

（遼寧省葫蘆島市龍港區(qū)錦西工業(yè)學(xué)校 遼寧 葫蘆島 125000）

1 引言

作為世界上最成功的動(dòng)畫公司，皮克斯用全電腦制作顛覆了整個(gè)動(dòng)畫行業(yè)，喬布斯曾經(jīng)讓這家全球最頂尖的電腦動(dòng)畫制作部經(jīng)營售價(jià)高達(dá)125000美元的圖像電腦（PIC），當(dāng)然是以慘敗告終，幸虧動(dòng)畫制作挽救了皮克斯。皮克斯開創(chuàng)性地將計(jì)算機(jī)技術(shù)和藝術(shù)高度結(jié)合，之后21個(gè)奧斯卡獲獎(jiǎng)影片中有19個(gè)采用了皮克斯的RenderMan技術(shù)，包括我們熟知的《指環(huán)王》和卡梅隆的3D《泰塔尼克號(hào)》、《阿凡達(dá)》。實(shí)際上，1946年第一臺(tái)計(jì)算機(jī)在賓夕法尼亞大學(xué)開始從事彈道計(jì)算工作以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)就已經(jīng)和藝術(shù)開始結(jié)合，比如1950年拉普斯基的作品Oscillon用計(jì)算機(jī)制作，1960年威廉·菲特首次提出了電腦圖形圖像這個(gè)詞，1980年，赫伯特？弗里曼在他的《IEEE計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》的論文中提出了計(jì)算機(jī)合成圖像的概念。直到計(jì)算機(jī)視窗系統(tǒng)的發(fā)明和應(yīng)用，可視化技術(shù)已經(jīng)在藝術(shù)、工業(yè)和軍事領(lǐng)域發(fā)揮了重大的作用。軟件時(shí)代正在顛覆傳統(tǒng)，和皮克斯一樣，圖形圖像技術(shù)已經(jīng)突破了藝術(shù)領(lǐng)域，正在深刻地改變著這個(gè)世界。

2 計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)的發(fā)展歷程

2.1 早期藝術(shù)家推動(dòng)計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)的發(fā)展

正如喬布斯以一個(gè)藝術(shù)家的思維創(chuàng)造蘋果，早期計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)的局限性也是由藝術(shù)人員打破的。1945年，為了幫助二戰(zhàn)中的美國訓(xùn)練飛行員，開始進(jìn)行旋風(fēng)式計(jì)算機(jī)開發(fā)，1951年，旋風(fēng)式計(jì)算機(jī)成功問世，不僅為飛行員提供了一個(gè)可編輯的飛行模擬環(huán)境，還首次利用顯示器輸出。1952年麻省理工實(shí)驗(yàn)室就有了世界上第一臺(tái)數(shù)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(jì)算機(jī)圖像之父大約翰·惠特尼創(chuàng)立運(yùn)動(dòng)圖像公司，在IBM的資助下，他們共同開發(fā)了擴(kuò)展計(jì)算機(jī)設(shè)備控制圖形的語言。麻省理工林肯實(shí)驗(yàn)室的湯姆·斯托克曼利用傳真機(jī)將圖片數(shù)字化，這種方格化的技術(shù)就是今天我們熟知的像素。

1960年麻省理工心理聲學(xué)專家立克里德發(fā)表了《人-計(jì)算機(jī)共生關(guān)系》，實(shí)際上首次提出“人機(jī)”概念的他四年前才接觸電腦。1961年，麻省理工的三個(gè)學(xué)生史帝芬·羅素等通過PDP-1發(fā)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(xiàn)實(shí)之父、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之父、圖形界面的創(chuàng)始人伊凡·蘇澤蘭成功開發(fā)了著名的“畫板”系統(tǒng)，這個(gè)人類第一個(gè)交互式繪圖系統(tǒng)是一次創(chuàng)世大爆炸，帶來了電腦圖形學(xué)上諸多新概念，從此計(jì)算機(jī)仿真學(xué)、飛行模擬、矢量圖、電子游戲和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)都開始發(fā)展。可以說，麻省理工和林肯實(shí)驗(yàn)室是對可視化技術(shù)做出最大開創(chuàng)性貢獻(xiàn)的。當(dāng)然其他大學(xué)機(jī)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)室也做出了巨大的貢獻(xiàn)，比如貝爾實(shí)驗(yàn)室的肯·諾爾頓創(chuàng)造了許多藝術(shù)作品和電影。而之后推動(dòng)可視化技術(shù)發(fā)展多是電影公司和軟件公司等，比如羅伯特·亞伯、太平洋數(shù)字影像公司、加州理工的卡基亞，他們將渲染技術(shù)投入電影市場，大大地推動(dòng)了可視化技術(shù)的發(fā)展。

2.2 圖形用戶界面（GUI）的發(fā)展

1973年施樂公司研發(fā)了奧托電腦，盡管奧托是否是第一臺(tái)個(gè)人電腦還存在爭議，但是這臺(tái)電腦首次使用了桌面比擬和鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)，施樂奧托啟發(fā)了喬布斯，喬布斯以一個(gè)藝術(shù)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(zhí)著，這也影響了他日后開創(chuàng)皮克斯電影動(dòng)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(tǒng)治PC領(lǐng)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(fā)上的優(yōu)勢和與IBM簽訂的有史以來最成功的協(xié)議擊敗了麥金塔，當(dāng)喬布斯還執(zhí)著于建立完美圖形，蓋茨已經(jīng)搶先占領(lǐng)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(tǒng)的90%以上份額。喬布斯重回蘋果之后，麥金塔系統(tǒng)銷量有所回升，這都得益于蘋果產(chǎn)品在全球的銷量。另一方面，開源系統(tǒng)在全球市場也有少量的份額，2017年Windows一家獨(dú)大，占到整個(gè)視窗系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)，無論是麥金塔彩色界面還是NeXT計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)都要比同時(shí)期微軟可視化界面強(qiáng)很多，NEXTSTEP 1.1界面友好度獨(dú)霸市場長達(dá)10年，功能強(qiáng)大到領(lǐng)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(lǐng)域最大的貢獻(xiàn)在移動(dòng)端，1998年從三星分離出來的韓國世韓公司發(fā)明第一款mp3的時(shí)候，沒有人想到這種便攜音樂播放器會(huì)顛覆整個(gè)桌面市場。最初，MP3只是功能單一化的黑白屏幕，而最后發(fā)展到集手機(jī)、視頻多播放器、PSP、掌上辦公設(shè)備等多種功能集一身的智能化設(shè)備。喬布斯并沒有預(yù)見到iPod和iTunes徹底革新了整個(gè)產(chǎn)業(yè)，當(dāng)初喬布斯只是堅(jiān)持一個(gè)讓音樂變得更簡單的理念。而iPhone的發(fā)明就更簡單，因?yàn)槿藗償y帶手機(jī)和iPod的同時(shí)性非常高，而之后的iMovie和iPad不過是市場發(fā)展的潮流。之后智能化手機(jī)時(shí)代來臨，人們從移動(dòng)端轉(zhuǎn)移到PC端，各種應(yīng)用從桌面轉(zhuǎn)移到了手機(jī)。

3 可視化技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素

3.1 可視化界面的誕生以來最大的技術(shù)突破

計(jì)算機(jī)誕生以來最重大的事件就是鼠標(biāo)的發(fā)明，恩格爾巴特博士在1964年發(fā)明了鼠標(biāo)，今天我們不需要用鍵盤輸入繁瑣的指令就能夠?qū)崿F(xiàn)指哪打哪完全是因?yàn)檫@項(xiàng)劃時(shí)代的技術(shù)。鼠標(biāo)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(fā)展中最關(guān)鍵的一步。

觸摸屏真正實(shí)現(xiàn)了手和機(jī)器之間的零距離人機(jī)交互，將圖形界面帶入了一個(gè)新的時(shí)代。1993年IBM發(fā)明第一款智能手機(jī)Simon的時(shí)候，沒有人預(yù)見到蘋果會(huì)憑一個(gè)MP3成為智能手機(jī)行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，觸屏技術(shù)并不是蘋果公司的發(fā)明，1971年，美國肯尼迪大學(xué)教師SamHurst因?yàn)槊刻焯幚韴D形數(shù)據(jù)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(fā)明了AccuTouch，此后他西門子合作，不斷完善該技術(shù)，最早觸摸屏技術(shù)只被美國軍方所采用，直到1982年他展出了觸屏電視劇，這項(xiàng)人機(jī)交互技術(shù)才進(jìn)入公眾領(lǐng)域，此后ATM,售貨機(jī)，點(diǎn)歌機(jī)，打票機(jī)等等進(jìn)入人們的視野。iPhone的出現(xiàn)標(biāo)志著手機(jī)智能化時(shí)代的來臨，手機(jī)行業(yè)的巨頭諾基亞和摩托羅拉瞬間被擊垮，三大系統(tǒng)之一的塞班關(guān)閉。Google依靠開源優(yōu)勢將安卓系統(tǒng)推向世界，iso則依靠蘋果手機(jī)的熱賣堅(jiān)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(jì)算機(jī)使用了光筆和x-y點(diǎn)圖像顯示器，建立了虛擬圖像的標(biāo)尺，賣出了虛擬圖像文件化的第一步。

1960年SRI發(fā)展的OLS在線系統(tǒng)增加了光標(biāo)和多窗口，讓看屏幕就像看文件一樣。

70年代施樂進(jìn)一步簡便了“翻文件”的功能，建立了窗口、圖標(biāo)、菜單、指針和鼠標(biāo)的應(yīng)用。

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

1983年vision電子表格的發(fā)布標(biāo)志著現(xiàn)在不僅閱讀文件還可以寫作。

1984年是劃時(shí)代的一年，蘋果公司推出的麥金塔系統(tǒng)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(jì)算器、記事本、鐘表等等。1987年發(fā)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(wǎng)絡(luò)視頻音頻和各種應(yīng)用軟件被搬上桌面，計(jì)算機(jī)窗口這個(gè)虛擬世界顯得更加真實(shí)。網(wǎng)站界面、軟件界面、社交媒體界面、手持設(shè)備界面和游戲界面這些視覺通信交互打造了一個(gè)越來越真實(shí)的虛擬情境。

虛擬概念是計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)操作，促進(jìn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，更在于改變?nèi)穗H交流的方式。像kindle電子閱讀器，音樂視頻播放器，人臉識(shí)別系統(tǒng)都不足以描述可視化界面的虛擬概念。

虛擬鍵盤的發(fā)明預(yù)示著未來計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備可能只是一個(gè)界面投影。

隨著3D技術(shù)的發(fā)展，越來越多的計(jì)算機(jī)圖形從平面向更真實(shí)的立體化轉(zhuǎn)變。

谷歌眼鏡拓展現(xiàn)實(shí)的功能異常強(qiáng)大，真正實(shí)現(xiàn)無需動(dòng)手眨眨眼就能上網(wǎng)處理信息，該眼鏡智能到通過透視人的面部表情分析內(nèi)心情緒。

更強(qiáng)大的是SixthSense，可以用手指上的感應(yīng)芯片隨意投影。

4 未來計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)發(fā)展的趨勢

未來可視化界面的交互程度更高，機(jī)器可以主動(dòng)識(shí)別判斷人類的行為，就像現(xiàn)在的語音模糊輸入系統(tǒng)一樣，電腦可以通過判斷人的動(dòng)作做出響應(yīng)。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(jī)，而圖形界面將會(huì)以投影的形式利用3D技術(shù)創(chuàng)設(shè)更真實(shí)的情境。在未來，VR技術(shù)將會(huì)是可視化技術(shù)的一大發(fā)展方向，VR虛擬現(xiàn)實(shí)將會(huì)全面應(yīng)用到人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，

可視化界面會(huì)以視覺為基礎(chǔ)，結(jié)合多種感官體驗(yàn)，比如觸覺，通過“力反饋觸摸屏”給觸摸屏添加震動(dòng)功能，手指感覺就像是按下了一個(gè)真實(shí)的按鍵一樣。計(jì)算機(jī)更多會(huì)利用可視化界面表現(xiàn)出和人的互動(dòng)關(guān)系，而不再是簡單接受指令。

未來計(jì)算機(jī)將會(huì)以智能設(shè)備的形式出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)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(gè)芯片，智能設(shè)備傳感器依據(jù)手指觸摸的位置及力道，人的聲音、語言、動(dòng)作、表情甚至是生理活動(dòng)變化來判斷指令，然后機(jī)器通過投影顯示圖像，并且根據(jù)實(shí)際光線自我調(diào)節(jié)，根本不需要真實(shí)屏幕。

5 結(jié)語

第一代人機(jī)交互圖形界面以生硬的文本指令進(jìn)行冰冷的操作，命令復(fù)雜而響應(yīng)緩慢。第二代人機(jī)交互界面是以圖形為基礎(chǔ)的WIMP界面，更多通過視覺交互，對計(jì)算機(jī)發(fā)出指令。而未來的第三代人機(jī)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(chǔ)上，人機(jī)高度互動(dòng)，電腦可以識(shí)別人的動(dòng)作、表情、手勢甚至生理活動(dòng)，從過去的單向交互發(fā)展到雙向交互，人和計(jì)算機(jī)呈現(xiàn)出一種溝通的新關(guān)系形態(tài)。

[1]張帆，王水萍.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖形圖像的處理技術(shù)[J].電腦迷.2016(07).

[2]軟件人機(jī)界面設(shè)計(jì)[M].高等教育出版社,陳啟安,2008.

[3]新媒體藝術(shù)下圖形用戶界面——軟件界面設(shè)計(jì)的人性化思考[J].王余烈,王峰.現(xiàn)代裝飾(理論).2011(09).

[4]計(jì)算機(jī)人機(jī)交互界面的變化與計(jì)算機(jī)的發(fā)展[J].王培鐸.武警學(xué)院學(xué)報(bào).2001(06).