3.2　计算机图形学发展历程及其在仿真测试中的应用

计算机图形学（Computer Graphics）是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形，以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是基于线条信息表示的图形，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等；另一类是明暗图形，也就是通常所说的真实感图形。计算机图形学的一个主要目的就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。为此，必须建立图形所描述的场景的几何表示，再用某种光照模型，计算在假想的光源、纹理、材质属性下的光照明效果。因此，计算机图形学与另一门学科—计算机辅助几何设计有着密切的关系。事实上，计算机图形学也把可以表示几何场景的曲线曲面造型技术和实体造型技术作为其主要的研究内容。同时，真实感图形计算的结果是以数字图像的方式提供的，计算机图形学也就和图像处理有着密切的关系。图形与图像两个概念间的区别越来越模糊，但还是有区别的：图像纯指计算机内以位图形式存在的灰度信息；而图形含有几何属性，或者说更强调场景的几何表示，是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。计算机图形学的研究范围非常广泛，如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。

计算机图形学有着比较悠久的历史，早在20世纪50年代，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（MIT）旋风I号（Whirlwind I）计算机的附件诞生了。该显示器用一个类似于示波器的阴极射线管（CRT）来显示一些简单的图形。这时，计算机图形学处于准备和酝酿时期，被称为“被动式”图形学。到20世纪50年代末期，麻省理工学院的林肯实验室在“旋风”计算机上开发SAGE空中防御体系，第一次使用了具有指挥和控制功能的阴极射线管显示器，操作者可以用笔在屏幕上指出被确定的目标。与此同时，类似的技术在设计和生产过程中也陆续得到了应用，这预示着交互式计算机图形学的诞生。到了20世纪60年代，麻省理工学院林肯实验室的伊凡·苏泽兰发表了一篇题为《Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统》的博士论文。他在论文中首次使用了“计算机图形学”（Computer Graphics）这个术语，证明了交互式计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位。20世纪70年代是计算机图形学发展过程中的一个重要历史时期。由于光栅显示器的产生，在20世纪60年代就已萌芽的光栅图形学算法迅速发展起来，区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念及其相应算法纷纷诞生，计算机图形学进入了第一个兴盛时期，并开始出现实用的CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）图形系统。又因为通用、与设备无关的图形软件的发展，图形软件功能的标准化问题被提了出来。1974年，美国国家标准学会（ANSI）在ACM SIGGRAPH（计算机图形图像特别兴趣小组）的一个“与机器无关的图形技术”的工作会议上，提出了制定有关标准的基本规则。此后，ACM SIGGRAPH专门成立了一个图形标准化委员会，开始制定有关标准。该委员会于1977年、1979年先后制定和修改了“核心图形系统”（Core Graphics System）。ISO（国际标准化组织）随后又发布了计算机图形接口（Computer Graphics Interface，CGI）、计算机图形元文件（Computer Graphics Metafile，CGM）标准、计算机图形核心系统（Graphics Kernel System，GKS）、面向程序员的层次交互式图形标准（Programmer's Hierarchical Interactive Graphics Standard，PHIGS）等。这些标准的制定，对计算机图形学的推广、应用、资源信息共享起到了重要作用。20世纪70年代，计算机图形学另外两个重要进展是真实感图形学和实体造型技术的产生。1970年，Bouknight提出了第一个光反射模型。1971年，Gourand提出了“漫反射模型＋插值”的思想，被称为Gourand明暗处理。1975年，Phong提出了著名的简单光照模型—Phong光照模型。这些可以算是真实感图形学最早的开创性工作。另外，从1973年开始，相继出现了英国剑桥大学CAD小组的Build系统、美国罗彻斯特大学的PADL-1系统等实体造型系统。20世纪80年代，Whitted提出了一个光透视模型—Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，实现Whitted模型。1984年，美国康奈尔大学和日本广岛大学的学者分别将热辐射工程中的辐射度算法引入计算机图形学中，用辐射度算法成功地模拟了理想漫反射体表面间的多重漫反射效果。光线跟踪算法和辐射度算法的提出，标志着真实感图形的显示算法已逐渐成熟。从20世纪80年代中期以来，超大规模集成电路的发展，为图形学的飞速发展奠定了物质基础。计算机运算能力的提高、图形处理速度的加快，使计算机图形学的各个研究方向得到充分发展。不仅如此，很多基于计算机图形学的新兴学科也逐步形成，如机器学习、机器视觉、人工智能，它们的应用产物正越来越多地出现在我们的工作和生活之中。

汽车自动驾驶相比计算机图形学来说是一个新生事物，消费者对其安全性还不够信任。那么，汽车自动驾驶的安全性达到什么水平才能被消费者接受呢？至少不低于人类驾驶员水平，这应该是一个最起码的要求。根据美国兰德公司的一份名为Driving to Safety的报告，要证明汽车自动驾驶相比于人类驾驶员能够减少20%的交通事故死亡率，需要进行约80亿千米的公共道路测试，假设由100辆车组成的车队每年365天每天24小时不间歇地以40km/h的平均速度进行测试，大概需要225年才能完成。这个测试时间显然是不现实的。这就要求在实车测试之外，寻求其他方法，大幅缩短测试时间。在虚拟环境下进行大规模的仿真测试，成为必须选择的方法。例如，waymo公司的CarCraft仿真平台中，有25 000台仿真车辆同时进行测试，每天总计可进行1 200万千米的测试。按照这个速度，完成上面提到的80亿千米的测试，仅需要2年就能完成。那我们该如何搭建虚拟环境呢？要模拟车所在的环境，就得把真实世界投影到虚拟世界中，并且需要构造真实世界的物理规律。例如，需要模拟真实世界的房子、车、树木、道路、红绿灯，不仅需要大小一致，还需要能够模拟它们在真实世界中的物理规律，如树和云层会遮挡住阳光、房子或障碍物会阻挡车的前进、车启动和停止时会有加减速S曲线。这属于计算机图形学的范畴，涉及建模、渲染、动画和人机交互四个阶段。简言之，虚拟世界只有满足真实世界的物理规律才足够真实，模拟效果才足够好。借助游戏引擎，通过游戏引擎模拟自然界的各种物理规律，可以让虚拟世界和真实世界无限逼近，形成数字孪生闭环。静态和动态仿真世界参见图3-1。