3.2　計算機圖形學發展歷程及其在仿真測試中的應用

計算機圖形學（Computer Graphics）是一種使用數學算法將二維或三維圖形轉化為計算機顯示器的柵格形式的科學。簡單地說，計算機圖形學的主要研究內容就是研究如何在計算機中表示圖形，以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關原理與算法。圖形通常由點、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。從處理技術上來看，圖形主要分為兩類，一類是基于線條信息表示的圖形，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等；另一類是明暗圖形，也就是通常所說的真實感圖形。計算機圖形學的一個主要目的就是要利用計算機產生令人賞心悅目的真實感圖形。為此，必須建立圖形所描述的場景的幾何表示，再用某種光照模型，計算在假想的光源、紋理、材質屬性下的光照明效果。因此，計算機圖形學與另一門學科—計算機輔助幾何設計有著密切的關系。事實上，計算機圖形學也把可以表示幾何場景的曲線曲面造型技術和實體造型技術作為其主要的研究內容。同時，真實感圖形計算的結果是以數字圖像的方式提供的，計算機圖形學也就和圖像處理有著密切的關系。圖形與圖像兩個概念間的區別越來越模糊，但還是有區別的：圖像純指計算機內以位圖形式存在的灰度信息；而圖形含有幾何屬性，或者說更強調場景的幾何表示，是由場景的幾何模型和景物的物理屬性共同組成的。計算機圖形學的研究范圍非常廣泛，如圖形硬件、圖形標準、圖形交互技術、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實體造型、真實感圖形計算與顯示算法，以及科學計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現實等。

計算機圖形學有著比較悠久的歷史，早在20世紀50年代，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學院（MIT）旋風I號（Whirlwind I）計算機的附件誕生了。該顯示器用一個類似于示波器的陰極射線管（CRT）來顯示一些簡單的圖形。這時，計算機圖形學處于準備和醞釀時期，被稱為“被動式”圖形學。到20世紀50年代末期，麻省理工學院的林肯實驗室在“旋風”計算機上開發SAGE空中防御體系，第一次使用了具有指揮和控制功能的陰極射線管顯示器，操作者可以用筆在屏幕上指出被確定的目標。與此同時，類似的技術在設計和生產過程中也陸續得到了應用，這預示著交互式計算機圖形學的誕生。到了20世紀60年代，麻省理工學院林肯實驗室的伊凡·蘇澤蘭發表了一篇題為《Sketchpad：一個人機交互通信的圖形系統》的博士論文。他在論文中首次使用了“計算機圖形學”（Computer Graphics）這個術語，證明了交互式計算機圖形學是一個可行的、有用的研究領域，從而確定了計算機圖形學作為一個嶄新的科學分支的獨立地位。20世紀70年代是計算機圖形學發展過程中的一個重要歷史時期。由于光柵顯示器的產生，在20世紀60年代就已萌芽的光柵圖形學算法迅速發展起來，區域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念及其相應算法紛紛誕生，計算機圖形學進入了第一個興盛時期，并開始出現實用的CAD（Computer Aided Design，計算機輔助設計）圖形系統。又因為通用、與設備無關的圖形軟件的發展，圖形軟件功能的標準化問題被提了出來。1974年，美國國家標準學會（ANSI）在ACM SIGGRAPH（計算機圖形圖像特別興趣小組）的一個“與機器無關的圖形技術”的工作會議上，提出了制定有關標準的基本規則。此后，ACM SIGGRAPH專門成立了一個圖形標準化委員會，開始制定有關標準。該委員會于1977年、1979年先后制定和修改了“核心圖形系統”（Core Graphics System）。ISO（國際標準化組織）隨后又發布了計算機圖形接口（Computer Graphics Interface，CGI）、計算機圖形元文件（Computer Graphics Metafile，CGM）標準、計算機圖形核心系統（Graphics Kernel System，GKS）、面向程序員的層次交互式圖形標準（Programmer's Hierarchical Interactive Graphics Standard，PHIGS）等。這些標準的制定，對計算機圖形學的推廣、應用、資源信息共享起到了重要作用。20世紀70年代，計算機圖形學另外兩個重要進展是真實感圖形學和實體造型技術的產生。1970年，Bouknight提出了第一個光反射模型。1971年，Gourand提出了“漫反射模型＋插值”的思想，被稱為Gourand明暗處理。1975年，Phong提出了著名的簡單光照模型—Phong光照模型。這些可以算是真實感圖形學最早的開創性工作。另外，從1973年開始，相繼出現了英國劍橋大學CAD小組的Build系統、美國羅徹斯特大學的PADL-1系統等實體造型系統。20世紀80年代，Whitted提出了一個光透視模型—Whitted模型，并第一次給出光線跟蹤算法的范例，實現Whitted模型。1984年，美國康奈爾大學和日本廣島大學的學者分別將熱輻射工程中的輻射度算法引入計算機圖形學中，用輻射度算法成功地模擬了理想漫反射體表面間的多重漫反射效果。光線跟蹤算法和輻射度算法的提出，標志著真實感圖形的顯示算法已逐漸成熟。從20世紀80年代中期以來，超大規模集成電路的發展，為圖形學的飛速發展奠定了物質基礎。計算機運算能力的提高、圖形處理速度的加快，使計算機圖形學的各個研究方向得到充分發展。不僅如此，很多基于計算機圖形學的新興學科也逐步形成，如機器學習、機器視覺、人工智能，它們的應用產物正越來越多地出現在我們的工作和生活之中。

汽車自動駕駛相比計算機圖形學來說是一個新生事物，消費者對其安全性還不夠信任。那么，汽車自動駕駛的安全性達到什么水平才能被消費者接受呢？至少不低于人類駕駛員水平，這應該是一個最起碼的要求。根據美國蘭德公司的一份名為Driving to Safety的報告，要證明汽車自動駕駛相比于人類駕駛員能夠減少20%的交通事故死亡率，需要進行約80億千米的公共道路測試，假設由100輛車組成的車隊每年365天每天24小時不間歇地以40km/h的平均速度進行測試，大概需要225年才能完成。這個測試時間顯然是不現實的。這就要求在實車測試之外，尋求其他方法，大幅縮短測試時間。在虛擬環境下進行大規模的仿真測試，成為必須選擇的方法。例如，waymo公司的CarCraft仿真平臺中，有25 000臺仿真車輛同時進行測試，每天總計可進行1 200萬千米的測試。按照這個速度，完成上面提到的80億千米的測試，僅需要2年就能完成。那我們該如何搭建虛擬環境呢？要模擬車所在的環境，就得把真實世界投影到虛擬世界中，并且需要構造真實世界的物理規律。例如，需要模擬真實世界的房子、車、樹木、道路、紅綠燈，不僅需要大小一致，還需要能夠模擬它們在真實世界中的物理規律，如樹和云層會遮擋住陽光、房子或障礙物會阻擋車的前進、車啟動和停止時會有加減速S曲線。這屬于計算機圖形學的范疇，涉及建模、渲染、動畫和人機交互四個階段。簡言之，虛擬世界只有滿足真實世界的物理規律才足夠真實，模擬效果才足夠好。借助游戲引擎，通過游戲引擎模擬自然界的各種物理規律，可以讓虛擬世界和真實世界無限逼近，形成數字孿生閉環。靜態和動態仿真世界參見圖3-1。

圖3-1　靜態和動態仿真世界