1 交互图形系统的诞生

　　1946年研制成功的第一台电子计算机ENIAC是以数值运算为目的，而将计算机应用于生成图形和精密加工要滞后一段时间。1950年，美国麻省理工学院（简称MIT）在旋风Ⅰ型计算机显示器上生成了简单图形，接着又参与了美国国防部战术防空系统SAGE的研制。为了保护美国本土不受敌方远程轰炸机携带核弹的突然侵袭，设想在美国各地布置一百多个雷达站，将监测到的敌机进袭航迹用通信网迅速传送到空军总部。空军指挥员从总部的计算机显示器上跟踪敌机的行踪，命令就近军分区进行拦袭。SAGE系统有很多公司参与开发，整个技术方案由MIT林肯实验室负责制定，于1957年投入试运行。当时使用的显示器是19英寸阴极射线管，即在大屏幕真空管中用加热的灯丝发射电子束，经过聚焦和加速，轰击屏幕上的荧光粉涂层，产生亮点。用两对偏转线圈分别控制电子束沿水平和垂直方向的偏移。将需要在屏幕上显示的飞机航迹各点坐标通过显示处理器转换成两对偏转线圈的控制电压，就可以精确制导电子束在屏幕上的落点位置，画出航迹线。当时还设计了一种人机交互工具，称作光笔。用手握住光笔对准屏幕上的某一显示线条或标注的字符，光信号脉冲进入笔端镜头，通过光导纤维束传向主机，发出中断申请，同时冻结显示处理器中对应光点在屏幕上的坐标位置，就可以进一步查询屏幕上某一显示对象的其他信息或向计算机输送指令。这种交互操作方式很像我们现在使用鼠标器来选择菜单和拾取图形。SAGE计划并未完全实施，到了60年代中期就下马了，但是它的研究成果却在民用工业中得到发扬，导致传统的工程设计绘图方法发生了革命性变化。

　　将SAGE计划中的光笔交互图形技术应用到工程绘图中来，要归功于伊凡.萨瑟兰德 （Ivan E. Sutherland）。 他在MIT进一步完善了光笔系统，并于1963年完成了题为”Sketchpad:人机图形通信系统“的博士论文，提出了使用键盘和光笔在计算机屏幕上进行交互设计绘图的一系列操作技术，以及将图形分解为子图和图元的层次数据结构，为60年代中至70年代末计算机辅助绘图技术的大发展奠定了原型示范基础。1964年秋IBM公司着手开发交互图形终端的第一代产品IBM2250，采用刷新式随机扫描原理，用光笔作为交互输入手段，并且配有一组32个功能键，以便执行画直线、圆弧、虚线、标注尺寸、提取子图等宏命令。IBM还与美国通用汽车公司合作，开发DAC-1计算机辅助设计系统。洛克希德飞机公司和麦克唐纳飞机公司也各自独立在IBM2250上开发二维绘图系统，前者称为CADAM，后者称为CADD。从60年代末起，逐渐在这些系统中增加曲线和曲面功能、数控加工编程功能等，形成了最早的计算机辅助设计、制造（简称CAD/CAM）系统。从1974年起CADAM正式作为商品向外界转让，成为70年代至80年代中期IBM主机上应用最广的第一代CAD/CAM软件产品。

       我国西安交通大学于1975年研制了751型光笔图形显示器，1978年为751配置了基本软件。西北工业大学、上海飞机厂、贵州云马飞机厂、上海交通大学等在751系统上开展了我国最早的飞机框、肋装配夹具设计，曲面外形设计和加工，组合机床设计等应用尝试。

　　1968年萨瑟兰德又发表了”头戴式三维显示器”的经典论文,在头盔的封闭环境下利用计算机成像的左右视图匹配,生成立体视景, 使人犹如置身于计算机构筑的虚拟场景中。随后他与美国另一位计算机教授共同创建了Evans&Sutherland公司，以生产高性能的飞行模拟器为主要业务，用计算机实时产生飞行员驾驶训练中从模拟座舱里见到的机场起飞滑跑、空中盘旋和着陆等各种场景。他们也生产过以PS300为代表的高性能图形显示器。三维头盔式显示器的研制工作最早是在MIT Draper实验室进行的，后来转去犹他（Utah）大学。萨瑟兰德为计算机图形技术的发展作出了卓越贡献。

2 曲面构造方法的新突破

　　将光笔图形显示器和数控绘图机、数控机床应用于设计和加工规则形状的产品时，现有的三角、代数等数学工具已经足以应付编程中的算法设计需要了。直线、圆、圆柱面、圆锥面和球面等的计算方法都已经相对定型。而对于飞机、汽车、船舶、叶轮等的流线曲面，恰好是最能体现CAD/CAM技术优越性的领域，当时还缺乏一种新的数学表达工具，以便从更本上改变当前生产中普遍采用的利用模线、样板、主模型、标准样件等一整套物理模型来保证曲面外形准确度和相关零部件装配协调性的手工操作。为了充分说明工业界对于这种需求的迫切性，我们先来简略回顾一下，什么是传统的生产方法。