计算机科学入门 ​

这台 1960 年的 PDP-1 ，是一个早期 图形计算机 的好例子，你可以看到左边是柜子大小的 电脑 ，中间是 电传打字机 ，右边是一个圆形的 屏幕 ，注意它们是分开的，因为当时文本任务和图形任务是分开的。

事实上，早期的屏幕无法显示清晰的文字，而打印到纸上有更高的对比度和分辨率。

早期屏幕的典型用途是 跟踪 程序的运行情况，比如 寄存器的值 ，如果用打印机一遍又一遍打印出来没有意义，不仅费纸而且慢。

另一方面，屏幕 更新很快 ，对临时值简直完美，但屏幕很少用于输出计算结果，结果一般都打印到纸上，或其它更永久的东西上。

但屏幕超有用，到1960年代，人们开始用屏幕做很多酷炫的事情。

阴极射线管 ​

几十年间出现了很多显示技术，但最早最有影响力的是 阴极射线管（CRT），原理是把电子发射到 有磷光体涂层的屏幕上，当电子撞击涂层时会发光几分之一秒，由于电子是带电粒子，路径可以用磁场控制。

屏幕内用板子或线圈把电子引导到想要的位置，上下左右都行。

既然可以这样控制，有 2 种方法绘制图形。

1. 引导 电子束 描绘出形状，这叫 矢量扫描 （Vector Scanning），因为发光只持续一小会儿，如果重复得 足够快 ，可以得到清晰的图像。

2. 按固定路径，一行行来，从上向下，从左到右，不断重复，只在特定的点打开电子束，以此绘制图形，这叫 光栅扫描 （Raster Scanning），用这种方法，可以用很多小线段绘制形状，甚至文字。

液晶显示屏 ​

最后，因为显示技术的发展，我们终于可以在屏幕上显示清晰的点，叫 像素 （pixels）。

液晶显示器 ，简称 LCD ，和以前的技术相当不同，但 LCD 也用 光栅扫描 ，每秒更新多次像素里红绿蓝的颜色。

有趣的是，很多早期计算机不用像素，不是技术做不到，而是因为像素占 太多内存 。

200 像素 × 200 像素的图像，有 40,000 个像素，哪怕每个像素只用一个 bit 表示代表黑色或白色，连灰度都没有，会占 40,000 bit 内存 ，比 PDP-1 全部内存的一半还多。

所以计算机科学家和工程师，得想一些技巧来渲染图形等内存发展到足够用。

早期计算机不存大量像素值而是存 符号 ，80 x 25 个符号最典型，总共 2000 个字符。

如果每个字符用 8 位表示，比如用 ASCII ，总共才 16000 位，这种大小更合理。

字符生成器 ​

为此，计算机需要额外硬件来从内存读取字符，转换成光栅图形，这样才能显示到屏幕上，这个硬件叫 字符生成器 ，基本算是第一代显卡。

它内部有一小块 只读存储器 ，简称 ROM，存着每个字符的图形，叫 点阵图案 （dot matrix pattern）。

如果图形卡看到一个 8 位二进制，发现是字母 K ，那么会把字母 K 的点阵图案， 光栅扫描 显示到屏幕的适当位置。

屏幕缓冲区 ​

为了显示，字符生成器 会访问内存中一块 特殊区域 ，这块区域专为图形保留，叫 屏幕缓冲区 （screen buffer），程序想显示文字时，修改这块区域里的值就行。

这个方案用的内存少得多，但也意味着，只能画字符到屏幕上，即使有这样限制，人们用 ASCII 艺术发挥了很多创意！

也有人用字符模仿图形界面，用下划线和加号来画盒子，线，和其他简单形状。

但字符集实在太小，做不了什么复杂的事，因此对 ASCII 进行了各种扩展，加新字符，比如下图的 IBM CP437 字符集，用于 DOS。

某些系统上，可以用额外的 bit 定义字体颜色和背景颜色做出这样的 DOS 界面，这界面只用了刚刚提到的字符集。

字符生成器 是一种省内存的技巧，但没办法绘制任意形状，绘制任意形状很重要，因为电路设计，建筑平面图，地图，好多东西都不是文字！

矢量模式画图 ​

为了绘制任意形状，同时不吃掉所有内存，计算机科学家用 CRT 上的 矢量模式 （vector mode）。

概念非常简单：所有东西都由线组成 。

没有文字这回事，如果要显示文字，就用线条画出来，只有线条，没有别的。

假设一个 笛卡尔平面（直角坐标系），200 个单位宽，100 个单位高，原点 (0,0) 在左上角。

我们可以画形状，用如下矢量命令，这些命令来自 Vectrex ，一个早期 矢量显示系统 。

首先，reset ，这个命令会清空屏幕。

把电子枪的绘图点移动到坐标 (0,0)，并把线的亮度设为 0。

MOVE_TO 50 50 ，把绘图点移动到坐标 (50,50) 。

INTENSITY 100 ，把强度设为 100 。

现在亮度提高了，移动到 (100,50) 然后 (60,75) 然后 (50,50) 。

最后把强度设回 0 。

这样就画出了一个三角形。

这些命令占 160 bit ，比存一个庞大的像素矩阵更好，就像之前的 字符生成器 ，把内存里的字符转成图形一样，这些矢量指令也存在内存中，通过 矢量图形卡 画到屏幕上。

数百个命令可以按序存在屏幕缓冲区，画出复杂图形，全是线段组成的！

由于这些矢量都在内存中，程序可以更新这些值，让图形随时间变化 - 动画 ！

最早的电子游戏之一，Spacewar 是 1962 年在 PDP-1 上用矢量图形制作的。它启发了许多后来的游戏，比如 爆破彗星 (Asteroids) ，甚至第一个商业街机游戏：太空大战 （Computer Space）。

Sketchpad ​

1962 年是一个大里程碑，Sketchpad 诞生，一个交互式图形界面，用途是 计算机辅助设计 (CAD)。

它被广泛认为是第一个完整的图形程序，发明人 伊万·萨瑟兰 后来因此获得 图灵奖 。

为了与图形界面交互， Sketchpad 用了当时发明不久的输入设备 光笔 （light pen），就是一个有线连着电脑的触控笔。

笔尖用光线传感器，可以检测到显示器刷新，通过判断刷新时间，电脑可以知道笔的位置，有了光笔和各种按钮，用户可以画线和其他简单形状。

Sketchpad 可以让线条完美平行，长度相同，完美垂直90度，甚至动态缩放，这些在纸上很费力，在计算机上非常简单！

用户还可以保存设计结果，方便以后再次使用，甚至和其他人分享。

你可以有一整个库，里面有电子元件和家具之类的，可以直接拖进来用。

从如今的角度来看好像很普通，但在1962年，计算机还是吃纸带的大怪兽，有柜子般大小，Sketchpad 和 光笔 让人大开眼界，它们代表了人机交互方式的关键转折点。

电脑不再是关在门后，负责算数的机器了，可以当助手，帮人类做事。

位图显示 ​

最早用真正像素的计算机和显示器出现于 1960 年代末，内存中的位(Bit) 对应屏幕上的像素，这叫 位图显示 （bitmapped displays）。

现在我们可以绘制任意图形了，你可以把图形想成一个巨大像素值矩阵。

就像之前，计算机把像素数据存在内存中一个特殊区域，叫 帧缓冲区 （frame buffer）。

早期时，这些数据存在内存里，后来存在高速视频内存里，简称 VRAM 。

VRAM 在显卡上，这样访问更快，如今就是这样做的。

在 8 位灰度屏幕上，我们可用的颜色范围是 0 强度（黑色），到 255 强度（白色），其实更像绿色或橙色，因为许多早期显示器不能显示白色。

我们假设，这个视频在低分辨率的位图屏幕上，分辨率 60 x 35 像素。

如果我们想把 (10,10) 的像素设为白色，可以用这样的代码。

	framebuffer[10][10] = 255

	framebuffer[10][10] = 255

如果想画一条线 假设从 (30,0) 到 (30,35) ，可以用这样一个循环，把整列像素变成白色。

	FOR y = 0 TO 35
		framebuffer[30][y] = 255
	NEXT

	FOR y = 0 TO 35
		framebuffer[30][y] = 255
	NEXT

如果想画更复杂的图形，比如矩形，那么需要四个值。

1. 起始点X坐标
2. 起始点Y坐标
3. 宽度
4. 高度

	x = 2
	y = 10
	width = 4
	height = 8
	color = 127

	x = 2
	y = 10
	width = 4
	height = 8
	color = 127

目前只试了白色，这次画矩形试下灰色，灰色介于0到255中间，所以我们用 127 (255/2=127.5) 。

然后用两个循环，一个套另一个，这样外部每跑一次，内部会循环多次，可以画一个矩形。

	x = 2
	y = 10
	width = 4
	height = 8
	color = 127
	FOR i = x TO x + width
		FOR j = y TO y + height
			framebuffer[i][j] = color
		NEXT
	NEXT

	x = 2
	y = 10
	width = 4
	height = 8
	color = 127
	FOR i = x TO x + width
		FOR j = y TO y + height
			framebuffer[i][j] = color
		NEXT
	NEXT

计算机绘图时会用指定的颜色 127 ，我们来包装成 画矩形函数 ，就像这样：

	FUNCTION drawRectanle(x,y,width,height,color)
		FOR i = x TO x + width
			FOR j = y TO y + height
				framebuffer[i][j] = color
			NEXT
		NEXT
	RETURN

	FUNCTION drawRectanle(x,y,width,height,color)
		FOR i = x TO x + width
			FOR j = y TO y + height
				framebuffer[i][j] = color
			NEXT
		NEXT
	RETURN

假设要在屏幕的另一边画第二个矩形，这次可能是黑色矩形，可以直接 调用 画矩形函数 ，超棒！

	drawRectangle(54,4,4,8,0)

	drawRectangle(54,4,4,8,0)

就像之前说的其他方案，程序可以操纵 帧缓冲区 中的像素数据，实现 交互式 图形。

当然，程序员不会浪费时间从零写绘图函数，而是用预先写好的函数来做，画直线，曲线，图形，文字等、

位图的灵活性，为交互式开启了全新可能，但它的高昂成本持续了十几年。

1971 年，整个美国也只有大约 7 万个电传打字机和 7 万个终端，令人惊讶的是，只有大约 1000 台电脑有 交互式 图形屏幕。

Sketchpad 和 太空大战 这样的先驱，推动了图形界面发展，帮助普及了计算机显示器，由此，图形界面的曙光初现。