В шестидесятые годы прошлого века компьютеры общались с человеком преимущественно с помощью перфокарт и телетайпов, а результата выполнения программ иногда приходилось ждать часами. Существовали, конечно, и дисплеи, но в середине 1960-х годов сама идея вывести на экран не текст, а изображение казалась технологическим чудом.
Тем не менее, уже в первой половине шестидесятых появились системы, позволявшие отображать на экране сложные чертежи, графики и схемы в интерактивном режиме. Причём речь шла о векторных дисплеях, где электронный луч буквально «рисовал» линии на экране, перемещаясь между заданными координатами. Такие комплексы стали первыми шагами к интерактивному проектированию, компьютерной графике и системам САПР. Многие идеи, применяющиеся сейчас в графических интерфейсах и современных сенсорных устройствах, были впервые опробованы именно тогда — на огромных мейнфреймах размером с комнату и стоимостью в миллионы долларов.
Зарождение идеи
Как и многие другие полезные изобретения, история графических компьютерных систем началась не в коммерческих вычислительных центрах и не в инженерных бюро, а в военных лабораториях. Во второй половине 50-х Америка строила масштабную систему противовоздушной обороны, предназначенную для обнаружения советских бомбардировщиков. Радиолокационные станции непрерывно генерировали огромные объёмы данных, и операторы физически не успевали обрабатывать поступающую информацию вручную. Решением стала система SAGE (Semi-Automatic Ground Environment), создававшаяся при участии специалистов из MIT Lincoln Laboratory, корпорации IBM и ряда подрядчиков оборонной промышленности. В центрах управления SAGE устанавливались гигантские компьютеры семейства AN/FSQ-7 — крупнейшие серийные вычислительные машины своего времени. Их задачей было собирать информацию с радаров, объединять её в общую картину воздушной обстановки и выводить результаты на электронно-лучевые дисплеи. Оператор мог взаимодействовать с изображением при помощи светового пера, которое поначалу называли «light gun» («световой пистолет») — устройства, позволявшего выбирать объекты непосредственно на экране.
Дисплейная консоль была построена вокруг катодно-лучевой трубки Stromberg-Carlson Charactron. Трубка содержала буквенно-цифровую маску на пути электронного пучка: луч отклонялся, проходил через нужный символ маски, перефокусировался и вторично отклонялся уже в нужную точку экрана. Но инженеры столкнулись с одной серьёзной проблемой: в начале 1960-х годов объём оперативной памяти измерялся не гигабайтами и даже не мегабайтами, а десятками или сотнями килобайт. Хранить в такой памяти полноценное изображение экрана было практически невозможно.
Поэтому инженеры воспользовались особенностями электронно-лучевых трубок: вместо того чтобы разбивать экран на множество отдельных точек растровой картинки, компьютер управлял лучом напрямую, заставляя его перемещаться между заданными координатами. Машина запоминала лишь набор команд вроде «провести линию от точки A к точке B», а сами линии получались очень чёткими и не зависели от разрешения экрана в привычном нам понимании. Это положило начало векторным графическим системам. На таких дисплеях можно было отображать чертежи, электрические схемы, графики и диаграммы с точностью, недостижимой для большинства растровых систем, которые появятся лишь спустя десятилетие.
Оператор SAGE имел клавиатуру для ввода данных и световое перо — это принципиально новое средство управления было изобретено в Лаборатории Линкольна MIT учёным Робертом Эвереттом.
Внешне перо напоминало толстый карандаш, соединённый кабелем с компьютером. Однако внутри находился не источник света, а наоборот — светочувствительный элемент, обычно фотодиод или фотоумножитель. Принцип работы был основан на особенностях электронно-лучевого дисплея. Когда луч проходил через определённую точку экрана, люминофор в этом месте вспыхивал. Если пользователь в этот момент касался экрана наконечником светового пера, встроенный датчик регистрировал вспышку. Компьютер точно знал, в какой момент времени происходило сканирование изображения, поэтому мог определить координаты точки, на которую в это самое мгновение указывал пользователь. Фактически световое перо позволяло делать то, что сегодня кажется совершенно естественным: выбирать объекты непосредственно на экране.
Инженер мог коснуться линии, вершины фигуры или подписи на графике, а программа определяла, какой именно элемент был выбран. Для начала 1960-х годов такая возможность выглядела почти фантастикой.
Система Sketchpad
Впрочем, создатели SAGE рассматривали графические дисплеи исключительно как средство отображения оперативной информации. Никто ещё не думал использовать их для проектирования, рисования или создания технической документации. Эта идея возникла несколько позже благодаря молодому исследователю по имени Айвен Сазерленд (Ivan Sutherland).
В 1961 году Сазерленд начал работу над своей докторской диссертацией в MIT, а в качестве экспериментальной платформы использовался компьютер TX-2, созданный в уже упомянутой ранее Лаборатории Линкольна. По меркам эпохи это была весьма современная машина: она обладала большим объёмом памяти, поддерживала работу с дисплеем и позволяла подключать световое перо. Сазерленд задался вопросом, который сегодня кажется очевидным: если компьютер умеет показывать изображение на экране, почему бы не позволить пользователю создавать это изображение самостоятельно?
Результатом его изысканий стала система Sketchpad, представленная в 1963 году. Пользователь мог рисовать линии непосредственно на дисплее световым пером, перемещать объекты, копировать элементы чертежа и задавать различные геометрические ограничения. Например, можно было указать, что две линии должны всегда оставаться параллельными, а затем программа автоматически поддерживала это условие при редактировании рисунка.
Главная техническая изюминка этой системы — то, как чертёж хранился в памяти. Sketchpad использовал специально разработанную «кольцевую» (ring) структуру данных, которая позволяла обрабатывать топологические отношения между элементами. Точки не были «зашиты» внутрь объектов — линия лишь указывала на содержащиеся на ней точки, а сами координаты точек хранились в кольцевом буфере. Это позволяло переместить одну точку и автоматически обновить все фигуры, в которые она входила. Для хранения каждой точки отводилось 36 бит: 20 — для координат на экране, ещё 16 — для адреса элемента, ответственного за вывод этой точки в дисплейный файл.
Сазерленд реализовал механизм, предвосхитивший объектно-ориентированное программирование. Система хранила структуру «дочерних» рисунков: каждый «мастер» мог иметь произвольное число экземпляров, вложенных друг в друга на любую глубину. Если изменить мастер-шаблон, все его экземпляры немедленно обновлялись — например, замена базового шестиугольника на полуокружность мгновенно превращала всю гексагональную сетку в чешуйчатый узор.
Ключевой особенностью, отличавшей Sketchpad от рисования на бумаге, была возможность задавать математические условия для уже нарисованных частей чертежа — и компьютер автоматически выполнял их, придавая фигуре точную заданную форму. В своей диссертации Сазерленд иллюстрирует это на примере кинематического рычажного механизма: при повороте одного звена вся связанная цепочка пересчитывалась в реальном времени, сохраняя заданные длины элементов.
Sketchpad был очень продвинутой системой: с помощью светового пера можно было рисовать, стирать, масштабировать и перемещать элементы прямо на дисплее. Тем не менее, он не стал массовым продуктом — Sketchpad работал на единственной машине в Лаборатории Линкольна, но именно в рамках этого проекта были внедрены многие принципы будущих графических терминалов.
CDC Digigraphics
«В серию» эта технология пошла чуть позже, в середине шестидесятых, и одним из пионеров в данной области стала компания Control Data Corporation (CDC), специализировавшаяся на разработке мейнфреймов и мощных промышленных вычислительных систем. Основанная в 1957 году Уильямом Норрисом и группой инженеров, среди которых был и будущий создатель суперкомпьютеров Cray Сеймур Крэй, компания CDC в 1960-е годы ассоциировалась прежде всего с высокопроизводительными ЭВМ.
Однако по мере роста вычислительной мощности возникла новая проблема: результаты сложных расчётов становилось всё труднее анализировать в виде распечатанных на бумаге таблиц. Инженерам требовались средства визуализации, позволяющие работать с чертежами, схемами и геометрическими моделями непосредственно на экране.
Ответом стала технология Digigraphics, которую CDC начала развивать для своих вычислительных комплексов, в первую очередь — для компьютеров серии CDC 1700, поставки которых начались в 1966 году. Среди периферийных устройств этой серии появились так называемые Digigraphic Display Units — специализированные графические дисплеи для интерактивной работы с изображениями.
Собственно, CDC применили на практике и запустили в серию то, что за несколько лет до этого было реализовано в Sketchpad и SAGE: Digigraphic использовала световое перо и клавиатуру в качестве основных устройств ввода. В более поздних описаниях Digigraphics говорится о наличии специального блока хранения изображения («picture store»), через который дисплей связывался с центральным процессором. Информация могла выводиться на экран, редактироваться световым пером и немедленно проверяться визуально.
Интересно, что CDC позиционировала Digigraphics не как экспериментальную разработку, а как рабочий инструмент для инженерных задач. Известно, что такие системы использовались в проектах автоматизированного проектирования и технического конструирования. В частности, в публикации Philips Technical Review, датируемой 1976 годом, описывается использование комплекса CDC 1700 Digigraphic в конце 60-х для интерактивного проектирования электронных схем, то есть система успешно применялась в конструкторских бюро и на производстве. Позже CDC Digigraphics была усовершенствована: появились графические дисплеи со световым пером для других платформ, в частности, CDC 340/380. Они довольно долго продержались на рынке, до тех пор, пока большие вычислительные системы не потеснили более компактные и дешёвые персоналки.
IBM 2250 Graphics Display Unit
Разумеется, графические векторные системы выпускала не одна компания CDC. Когда в апреле 1964 года IBM представила семейство ЭВМ System/360, вместе с ним было анонсировано и одно из самых необычных периферийных устройств своего времени — IBM 2250 Graphics Display Unit. Как и CDC Digigraphics, этот девайс позволял управлять изображением на экране при помощи светового пера.
По своей архитектуре IBM 2250 представляла собой векторный графический дисплей. Изображение формировалось не из пикселей, а из набора графических примитивов — прежде всего линий. Компьютер хранил в памяти так называемый список отображения (display list), содержащий команды построения картинки. Электронный луч последовательно воспроизводил этот список, многократно перерисовывая изображение на экране, примерно 40 раз в секунду, а изменение картинки сводилось к изменению списка команд в памяти.
В распоряжении оператора имелась виртуальная координатная сетка размером 1024×1024 позиции. Любая точка, линия или символ задавались координатами внутри этого пространства. Особенно интересно был устроен вывод текста. В ранних конфигурациях IBM 2250 символы не хранились в виде готовых изображений. Каждая буква представляла собой набор векторов, а фактически — небольшую подпрограмму, вызываемую из списка отображения. Благодаря этому можно было создавать собственные наборы символов и даже собственные шрифты. Позднее появились дополнительные аппаратные генераторы символов, упрощавшие вывод буквенно-цифровой информации.
Световое перо было стандартным для графических систем того времени: фоточувствительный датчик фиксировал свечение на экране, а поскольку компьютер точно знал, какой элемент списка отображения рисуется в данный момент, он мог определить не только координаты точки, но и конкретную графическую команду, вызвавшую свечение. Иными словами, система понимала не просто «куда указал пользователь», а какой именно объект был выбран.
IBM 2250 появилась всего через год после Sketchpad Айвана Сазерленда и стала одной из первых серийно выпускавшихся графических систем, доступных заказчикам IBM. Если Sketchpad доказала, что интерактивная графика возможна в принципе, то IBM 2250 продемонстрировала, что подобные технологии можно интегрировать в коммерческую вычислительную инфраструктуру крупных предприятий и исследовательских центров.
IBM выпускала несколько модификаций устройства. Модели I, II и III предназначались для работы с System/360 через контроллеры серии IBM 2840, а модель IV была адаптирована для более компактной вычислительной системы IBM 1130. В некоторых конфигурациях один контроллер мог обслуживать сразу несколько дисплеев, что было важно с учётом высокой стоимости оборудования.
Вместо заключения
Параллельно с этой разработкой развивались и другие промышленные системы автоматизированного проектирования. В середине 1960-х годов IBM совместно с General Motors участвовала в создании системы DAC-1 (Design Augmented by Computers) — одного из первых промышленных CAD-комплексов. Такие системы были востребованы на рынке: в 1964 году сама возможность вывести на экран чертёж, выбрать его элемент световым пером и немедленно увидеть результат изменений выглядела почти научной фантастикой. До появления персональных компьютеров оставалось ещё полтора десятилетия, но IBM, CDC и другие производители вычислительных машин уже превратили компьютер из устройства для пакетной обработки данных в интерактивный рабочий инструмент инженера, заложив основу для будущих CAD-пакетов, графических рабочих станций и современных графических интерфейсов.
© 2026 ООО «МТ ФИНАНС»
