Сазерленд за Sketchpad

Вдохновлённый успехом, Сазерленд в декабре 1961 года показывает прототип системы Клоду Шеннону и получает от него ряд критических замечаний. Консультант докторской Сазерленда предлагает расширить функциональность «блокнота», добавив возможность рисования окружностей и максимально приблизив функции аппаратных клавиш Sketchpad к стандартным инструментам проектировщика.

Процедура рисования окружностей отняла у Сазерленда массу сил и времени. Разработать подпрограмму, с помощью которой можно было бы указать центр окружности и точку, ограничивающую её радиус, было просто. Но вот описать границу для дуги, завершающей рисование окружности, было весьма непросто.

Решение этой проблемы вылилось в разработку обобщённого понятия «ограничитель» (constraint), описывающего границы самых разнообразных объектов, формируемых Sketchpad. Тогда же Сазерленд пришёл к мысли об унификации элементов, составляющих рисунок в Sketchpad. Он предложил представлять любой нарисованный элемент n-компонентной структурой, в которой атомарной единицей был бы компонент.

Например, компонент «отрезок» представлялся двумя компонентами «точка», каждый из которых представлялся двумя компонентами «X» — и «Y» — координаты. В свою очередь, треугольник составляется из трёх компонентов «отрезок». С помощью компонентов типа «ограничитель» можно было задать отношения между визуальными компонентами. Установив ограничитель «параллельность» между двумя отрезками, можно было менять координаты одного из них, не заботясь об изменении координат другого отрезка. Тот автоматически перерисовывался параллельным первому. Точно так же, выбрав ограничитель «равенство», можно было сделать все грани многоугольника одинаковыми, превратив его в равнобедренный.

Следующий логичный шаг, сделанный Сазерлендом, заключался в применении рекурсии для масштабирования изображений. Вместо того чтобы многократно вручную рисовать элементы разного масштаба, процедура рекурсии позволяла пользователю Sketchpad сгенерировать подмножество любого элемента в разных масштабах и под разными углами, просто пересчитав значения его дочерних компонентов.

Разработав базовые подходы к визуализации элементов рисунка, Сазерленд озаботился его хранением. Для быстрого вывода рисунка на экран компьютеру требовалась структура, хранящая координаты массива точек, составляющих рисунок. В Sketchpad каждая точка описывалась 36-разрядным словом, двадцать бит которого содержали координаты X и Y, а шестнадцать были указателем на элемент n-компонентной структуры, к которой принадлежит точка. Для проектировщика же требовалось хранить сведения обо всех элементах n-компонентоной структуры, составляющей рисунок.

Чтобы унифицировать эти данные, Сазерленд позаимствовал подход, применявшийся в редакторе Scopewriter, где файл, содержащий сведения о том или ином символе, представлял собой стек шестнадцатибитных указателей на элемент. Сазерленд расширил это представление, введя так называемую «кольцевую структуру» — замкнутый буфер, содержащий указатели на элементы n-компонентной структуры.

Родительские элементы в кольцевой структуре именовались «курица» (hen), а следовавшие за ней дочерние элементы логично обзывались «цыплятами» (chicken). Специальная процедура позволяла дополнить любую n-компонентную структуру новыми дочерними элементами, разместив «цыплят» позади «курицы». Кольцевая структура обеспечивала компьютеру возможность быстро просматривать множество родительских и дочерних элементов, выбирая необходимые для отображения на экране.

Усилиями Сазерленда в библиотеку хранимых компонентов Sketchpad попали не только геометрические фигуры, но и символы алфавита, цифры, научные символы, радиотехнические элементы.

Программа позволяла не только рисовать, но и визуализировать результаты расчётов других программ, необходимые на этапе проектирования. Например, создав проект арочного моста с определёнными пропорциями элементов, проектировщик мог в режиме реального времени получить на экране сведения о напряжениях, возникающих в разных точках конструкции, что существенно облегчало процесс оптимизации чертежа.

Сделанный на Sketchpad чертёж моста с «привязанными» к элементам его конструкции расчётами механических напряжений В 1963 году вторая версия Sketchpad, а также полное описание структур хранимых «компьютерным блокнотом» данных и математических процедур, обеспечивающих реализацию ограничений и рекурсии элементов, была готова.

Демонстрация программы вызвала настоящий фурор. Стало ясно, что для специалистов, использующих системы проектирования, появился инструмент, обеспечивающий удобный ввод чертёжной информации в систему. Разработанные чертежи можно хранить в памяти компьютера и многократно использовать их или же легко редактировать при необходимости.

Безусловно, представленная версия Sketchpad была лишь прототипом. Для своей работы «рисовалка» требовала всей мощности компьютера TX-2, занимающего несколько комнат лаборатории. «Полученный опыт — самый важный результат разработки Sketchpad. В настоящее время использовать компьютер стоит, если вы хотите получить нечто большее, чем просто рисунок, — писал Сазерленд. — Для обычных рисунков всё же пока экономнее применять обычные карандаш и бумагу».

Опыт действительно оказался бесценным. С одной стороны, из Sketchpad выросли современные системы автоматизированного проектирования. С другой — эта программа стимулировала разработки в области человеко-машинного взаимодействия и, в конечном счёте, стала прародителем всех систем с графическим интерфейсом пользователя, в том числе Windows и Mac OS.

В 1966 г. производитель вертолетов компания Bell Helicopter начала разработку систем для управления ночными полетами с использованием инфракрасных камер, установленных вне кабины, и приемников, расположенных непосредственно перед глазами, на шлеме пилота. Эти эксперименты показали, что пилот вполне может летать с такими «искусственными» глазами. Направление получило название «удаленная реальность».

Успех опытов подтолкнул Сазерленда, который был тогда профессором Гарвардского университета, и его студента Боба Споулла к идее заменить инфракрасные приемники электронными трубками, подключенными к компьютеру. В результате родился видеошлем, ставший впоследствии одним из основных элементов систем виртуальной реальности.

Первые изображения, демонстрируемые шлемом, были, естественно, трехмерными, но каркасными. Вплоть до 1975 г. Сазерленд и его сподвижники работали над проблемой скрытых поверхностей, придания реалистичности изображению. Последняя статья Сазерленда, посвященная этой теме — A Characterization of Ten Hidden-Surface Algorithms — содержит описание десяти алгоритмов, основанных на сортировке поверхностей по расположению и глубине. Позже он оставил ВР, избрав иное поле научной деятельности.

Еще в середине 60-х годов Сазерленд совместно с профессором Эвансом из Университета штата Юта, тогда этот университет был центром работ по ВР, участвовал в проектах, спонсируемых агентством ARPA (МО США). В 1968 г. они организовали существующую и поныне компанию Evans & Sutherland, насчитывающую сегодня свыше 800 сотрудников. Компания производит системы визуализации для высокопроизводительных рабочих станций под Windows NT.

Сейчас Айвэн Сазерленд работает в компании Sun Microsystems, где он, безусловно, самый именитый ученый. Сазерленд входит в число 12 наиболее признанных из ныне живущих американских исследователей в области информатики, точнее, компьютерных. Он удостоен наиболее престижных академических наград и является членом высших научных обществ США. Это не мешает ему гордиться четырьмя внуками и посвящать свободное время танцам, полетам на воздушном шаре. Но главное его увлечение — мотоцикл. Своим любимцем он назвал мощнейший мотоцикл BMW K100, что для маститого ученого, которому уже пошел седьмой десяток, совсем неплохо.