从零开始的自我提升计划：计算机科学（七）
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视频地址：【计算机科学速成课】[40集全/精校] - Crash Course Computer Science
系列文章目录
从零开始的自我提升计划：计算机科学（一）
从零开始的自我提升计划：计算机科学（二）
从零开始的自我提升计划：计算机科学（三）
从零开始的自我提升计划：计算机科学（四）
从零开始的自我提升计划：计算机科学（五）
从零开始的自我提升计划：计算机科学（六）
文章目录
- 系列文章目录
- 前言
- 一、冷战和消费主义
- 二、个人计算机革命
- 三、用户图形界面
- 四、3D图形
- 总结
前言
本文内容包括：
- 冷战和消费主义-The Cold War and Consumerism
- 个人计算机革命-The Personal Computer Revolution
- 用户图形界面-Graphical User Interfaces
- 3D图形-3D Graphics
一、冷战和消费主义
二战结束后，美苏开始冷战，政府在科学和工程学上投入大量资金。计算机在战时已经证明了自身的价值，因此政府大量投入资源使得各种项目得以进行。过去的机器都是增强人类的物理能力，而计算机增强的是智力。范内瓦·布什看到了计算机的巨大潜力，描述了一种假想设备Memex，可以存自己所有的书以及其他资料，并且可以快速查询；他还预测了一种新型的百科全书，信息之间相互链接（与维基百科十分相似）。范内瓦·布什做过“美国科学研究与开发办公室”的领导，这个部门负责二战期间科学研究的资助和安排，在冷战期间，他希望建立一个职责类似但是在和平时期也要运作的部门，因此国家科学基金会成立了，至今国家科学基金会仍然负责给科学研究提供资金，对美国科技起到了不可磨灭的贡献。
1950年代，消费者开始购买晶体管设备。收音机小型、耐用、便携等优点使得它十分畅销。日本从贝尔实验室取得晶体管的授权，希望借此来振兴战吼经济。1955年，索尼第一款产品TR-55晶体管收音机问世，他们将重心放在质量和价格，因此短短5年内，日本就占有了没过收音机市场的一半。
苏联的计算机科技，只比西方落后几年，但是在太空竞赛远远领先：1957年发射了第一个卫星，史波尼克1号；1961年，苏联宇航员尤里·加加林第一个进入太空。美国对此极为不满，因此在加加林太空任务一个月后，美国提出要登月，使得NASA的预算增长了几乎十倍。由于航天任务的要求，NASA采用了最新的技术——集成电路，用来设计阿波罗导航计算机，虽然价格昂贵，但是美国也借此成功登月，打败苏联。
很多人说是阿波罗计算机推进了集成电路的发展，但是实际上是军事推进了集成电路的发展，特别是洲际导弹和核弹，使得集成电路大规模生产，美国建造强大计算机时，也进一步推进的集成电路。美国半导体行业通常依靠政府的高利润合同起步，而忽略了消费者市场，因此日本半导体行业靠着低利润率占领了消费者市场。1970年代，太空竞赛和冷战逐渐消退，政府合同变少，美国半导体和电子设备公司发现更难竞争，开始缩小、合并甚至直接倒闭。美国公司的无力，使得夏普、卡西欧等日本公司占领了1970年代的主流产品——手持计算机。很快，日本的电子产品到处都是，从电视手表到随身听，廉价的微处理器也催生了全新的产品，比如街机游戏。这段时间，第一批家用电脑开始出现，在短短三十年内，计算机从大到人类可以在CPU内随意走动，发展到小孩都能拿住的手持玩具。这种变化是两股力量推进的，政府和消费者。
二、个人计算机革命
因为CPU、集成电路、储存介质、显示器等产品的成本下降，使得个人专用的想法变得可行。第一台个人计算机比较有争议，但是一般认为第一台取得商业成功的个人计算机是Altair 8800。Altair 8800写程序时仍然是使用机器码，即使是计算机爱好者也不喜欢这么做，比尔·盖茨和保罗·艾伦联系了Altair 8800的公司MITS建议如果可以运行BASIC程序，会更有吸引力。为此，他们需要写一个程序，将BASIC代码转化为可执行的机器码，这叫做“解释器”。MITS看过他们二人的演示后同意在计算机上搭载他们的软件，Altair BASIC成为了微软的第一个产品。
Altair 8800激发了大量的计算机爱好者，在爱好者小组聚会上，Steve Wozniak开始设计自己的计算机，后来他展示了原型机，并把电路图分享给其他成员，他的设计要连接电视显示并且提供文本界面。同是俱乐部成员的Steve Jobs建议说预期免费分享设计，不如直接出售安装好的主板，1976年7月开始发售，名为Apple-Ⅰ，这是苹果公司的第一个产品。
1977年，市场上有了三款开箱即用的计算机。第一款是Apple-Ⅱ，苹果公司第一个提供全套设备的产品，提供了简单的彩色图形和声音输出，这些功能对于低成本的机器非常了不起；第二款是TRS-80 1型，虽然不如Apple-Ⅱ先进，但是价格是其的一半，因此销量更加火爆；第三款是Commodore PET 2001，使用一体化设计，集成了计算机、显示器、键盘和磁带驱动器。
上面三者都自带了BASIC解释器，使得不那么精通计算机的人也能用BASIC写程序。针对消费者的软件行业开始腾飞，市场上出现了各种针对个人计算机的游戏和生产力工具，例如计算器和文字处理器，最火的是VisiCalc，第一个电子表格程序。IBM开始意识到个人计算机市场的重要性，IBM开始与外部公司竞争来给新计算机做硬件和软件，IBM的个人计算机IBM PC发布后立马取得了成功。最具影响力的是它使用“开放式架构”，有良好的文档和扩展槽，使得第三方可以做硬件或者外设，这产生了巨大的生态系统，这个开放式架构叫“IBM Compatible（IBM兼容）”。因为IBM兼容的潜在用户较多，软硬件开发人员更愿意投入在这个平台；因为软硬件多，用户也更加愿意买IBM兼容的计算机，导致那些生产非“IBM兼容”的计算机公司几乎都失败了。只有苹果公司在非IBM兼容下保持了足够的市场份额，它选择了相反的方式：“封闭架构”，即自己设计一切，用户一般无法添加新硬件到计算机中。
三、用户图形界面
苹果在1984年发布的Macintosh是普通人可以买到的第一台图形用户界面的计算机，还带有一个鼠标。它使用一个“选择并且点击”的界面替代了命令行窗口，使得任何人都可以用计算机解决问题，不必记忆复杂的命令。1964年，图形界面先驱恩格巴尔特与同事的共同努力之下，创造了第一个计算机鼠标，虽然在商业上失败了，但是它对于当时计算机研究者的影响巨大，他也因此获得了1997年的图灵奖。
在之前中说到过政府资金在1970年开始减少，所以恩格巴尔特团队内的很多人都去了“帕洛阿尔托研究中心”，即Xerox PARC，他们在这里开发了第一台真正带有GUI的计算机——施乐奥托（Xerox Alto），为了让用户更加容易理解，他们将2D屏幕当作“桌面”，将程序所在的框内叫做“窗口”，他不是真正桌面的复制，而是用桌面进行隐喻，因此叫“桌面隐喻”。Alto团队使用窗口、图标、菜单和指针来做界面，因此称为WIMP界面（对应每个单词的首字母），它还提供了一些基本部件，例如按钮、滑动条、标签页等。
GUI是“事件驱动编程”，代码为响应事件可在任意时间执行，比如点击某个按钮执行相应的程序。1981年，PARC团队发布了施乐之心（Xerox Star）系统，扩展了桌面隐喻，文件可以存放在文件夹内也可以放在桌面上，以此来隐喻文件系统。施乐（Xerox）在文本和图形制作工具领域有许多领先，他们首先使用了“剪切”、“复制”、“粘贴”这样的术语，施乐认为无论在计算机上做什么，文件打印出来应该一模一样，即所见即所得（What You See Is What You Get, WYSIWYG）。
史蒂夫·乔布斯曾经去过施乐公司参观，施乐公司展示了一个清晰的位图显示器上，运行着施乐公司的图形界面，操作全部依靠鼠标直观进行，使得史蒂夫拨云见日，回到苹果公司后，他和随行工程师们开始开发新功能，比如菜单栏和垃圾桶等。苹果第一款有图形界面和鼠标的产品，是1983年发布的Apple Lisa，但是价格昂贵，导致了商业的失败。幸运的是苹果还有另外一个项目，就是Macintosh，取得了巨大成功。
不久之后，微软发布了Windos1.0，奠定了统治地位，十年内，95%的个人计算机上都有Windows。Windows3.1之后，微软开始开发面向消费者的新的GUI操作系统，叫Windows 95，这个版本不仅提供了精美的界面，还有许多Mac OS没有的功能。
如今的用户界面是自然选择的结果，几乎都是WIMP的变化版，人们尝试了各种做法改进但是几乎都失败了。现在，计算机科学界和界面设计师会继续努力工作，做出更好更强大的界面。
四、3D图形
之前我们所讲到的内容都是2D的，但是我们生活的世界是一个3D的，本节讲述3D图形的基础知识以及如何将3D图形渲染到2D屏幕上。2D图像中，点的坐标只有XY两个分量，而在3D图像中，有3个分享XYZ，但是2D的屏幕上不可能有XYZ立体坐标轴，所以有图形算法将3D坐标“拍平”显示到2D屏幕上，这叫做“3D投影”。所有点从3D转换成2D后，就可以用画线段的函数，连接这些点，这叫做“线框渲染”。
将立体图像投影到平面上，就是3D转2D的方法，这叫做“正交投影”。在真实的3D世界中，平行线段会在远处收敛于一点，这叫做“透视透射”。绘制立方体这种图形，使用直线即可，但是绘制更复杂的图形，使用三角形会更好，在3D图形学中，将三角形称为“多边形（Polygons）”，一堆多边形的几乎叫“网格（Mesh）”。网格越密，表面越光滑，细节越多，但也需要更多的计算量。选择三角形的原因是3点可以确定唯一的平面。
3D图形还需要填充，填充的经典算法叫“扫描线渲染（Scanline Rendering）”，这种算法通过逐行扫描填满2个相交点之间的像素来完成填充，但是这样的填充结果使得边缘十分粗糙，充满锯齿，当像素较小时，就不是很明显了。一种减轻锯齿的方法叫“抗锯齿（Antialiasing）”，通过判断多边形切过像素的程度来调整颜色，当像素在多边形内部时，就直接着色，若多边形经过像素，颜色就浅一点。
在3D场景中，多边形到处都是，有些部分会被其他多边形挡住，这叫“遮挡”，处理这种现象的最简单方法就是对多边形从远到近排序，然后依次渲染，这叫做“画家算法”，与画家作画的顺序一致，因此得名。还有一种方法叫做“深度缓冲”，这个算法不需要排序，所以速度更快，它首先将图形缓冲器内所有区域的距离初始化为无限大，然后将多边形的距离与缓冲器内的值比较，总是记录更小的值，然后和扫描线算法的改进版配合使用，不仅可以勘探到线的交叉点，还可以知道某些像素在最终场景中是否可见，若不可见，扫描线算法则会跳过那个部分。但是当两个多边形的距离一致时，无法确定哪一个多边形画在上面，导致出现Z-fighting效果（有点类似穿模）。
3D游戏中有个优化方式叫“背面剔除”，很多模型只会看到多边形的正面，为了节省处理时间，会忽略多边形的背面（卡BUG进入模型内地面会消失的原因）。3D场景中物体表面应该有阴暗变化，这叫做“明暗处理”，物体表面不同位置的多边形所面对的方向不同，这个面对的方向叫“表面法线”，加入光源后，因为角度不同使得光线反射到观察者的亮度也不同，以此来确定多边形的亮度，使得图形更加真实。这种算法叫做“平面着色”，是最基本的照明方法，但是会造成多边形的边界非常明显，看起来不光滑。为了解决这个问题，开发了“高洛德着色”以及“冯氏着色”等算法，不止使用一种颜色给整个多边形上色。
3D图形的纹理也十分重要，纹理也有许多算法，来得到不同的效果。最简单的是“纹理映射”，在填充多边形时，查询内存内的纹理图像，平均取色后填充。
不论多大的场景，渲染过程都是一致的，一遍又一遍的处理所有多边形，有几种方法可以加速渲染。例如为这种特定运算制作专门的硬件来加速，将3D场景分解为多个小部分并行渲染等。工程师们为图形制作了专门的处理器，叫“**图形处理单元（Graphics Processing Unit, GPU）”，GPU在显卡上，周围有专用的RAM，现代的一些显卡，每秒可以处理上亿个多边形。
总结
本文介绍了冷战和消费主义、个人计算机革命、 用户图形界面以及3D图形。