В 1978 году эту область информатики называли "средством от неизвестной болезни". В 1994 году машинная графика (МГ) уже рассматривалась скорее как "средство от всех известных болезней", которое обеспечивает мощную взаимосвязь между человеком и компьютером, заставляя компьютер говорить с человеком на языке изображений и позволяя вернуться к общению на языке жестов. Прошло более 20 лет, пока машинная графика стола основным средством связи между человеком и компьютером, постоянно расширяющим сферы своего применен

Начало

Можно считать, что первые системы машинной графики появились вместе с первыми цифровыми компьютерами. Именно проект WHIRLWIND ("вихрь") Массачусетского технологического института (МТИ) был отмечен как начало эры МГ. Как отметил недавно Норм Тейлор, один из разработчиков WHIRLWIND, компьютер "содержал около четверти акра электроники и имел внутри около 5000 трубок". Но его система управления уже имела дисплей, а Боб Эверет, другой участник WHIRLWIND, разработал световую пушку, которая контролировала взаимодействие с дисплеем. Этого оказалось достаточно, чтобы пробудить интерес комментатора Эдварда Мирроу, который в 1951 году провел первое "интервью" с компьютером в телевизионной программе. Тейлор заметил тогда: "Было ясно, что дисплеи привлекают внимание потенциальных пользователей, а машинное кодирование - нет".

WHIRLWIND стал основой создания опытного образца командно-управляемой системы воздушной защиты, разработанной для полуавтоматической земной среды, как средство преобразования данных, полученных от радара, в наглядную форму. Оператор использовал световое перо для изображения мишени самолетов на ЭЛТ, а система, разработанная фирмой IBM, отображала соответствующую информацию об этом.

1960-е годы. Теоретические, коммерческие вехи

Новаторская работа Ивана Сазерленда (Ivan Sutherland) наметила первую заметную веху в МГ. Его докторская диссертация в МТИ 1963 года, описывающая принципы построения интерактивной системы эскизного рисования Sketchpad, определяла структуры данных, которые явились теоретической основой для программного обеспечения машинной графики. В том же году, и в том же МТИ, Стив Кунс начал разработку методов кусочных поверхностей.

К середине 1960-х наступил период плодотворной работы и в промышленных приложениях МГ. Нод руководством Тирбера Мофетта и Нормана Тейлора фирма Itek разработала цифровую электронную чертежную машину, которая стала основой для серии систем интерактивной графики компании Control Data Corp. В 1964 году General Motors представила свою DAC-1 - систему автоматизированного проектирования, разработанную совместно с IBM. В следующем году работа проводилась вместе с S.H.был создан проект "Chase" - первый прототип системы числового программного управления (ЧПУ) для фирмы Lockheed. К октябрю 1966 года даже Wall Street Journal уже публиковал статьи о МГ.

В это время было создано несколько профессиональных обществ по машинной графике: в 1963 году Общество визуализации информации, а в конце 1966 года Специальная Компьютерная Группа по интересам АСМ, которая переросла в популярную сегодня группу Siggraph.

Первые за поминающие электронно-лучевые трубки появились в 1968 году, когда фирма Computer Displays создала систему ARDS, а Computek создала свою серию 400. Оба терминала использовали дисплей с запоминающей трубкой Tetronix 611 размером 6 на 8 дюймов и стоимостью 12 тысяч долл. Впоследствии фирма Tektronix выпустила на рынок трубку с Т4002А стоимостью 9 тысяч долл., а несколько позже - 4010, стоимостью около 4 тысяч долл. Эти прямонаправленные запоминающие трубки (DVST) были неспособны качественно отображать трехмерное пространство, а применяемая в них техника генерации символов была достаточно примитивной. Тем не менее трубки DVST оказали серьезное влияние на становление МГ и с успехом использовались на десятках тысяч рабочих мест. В то время пользователей систем DVST не пугал размер первоначальных капиталовложений, составляющий от 50 до 250 тысяч долл. только за аппаратуру (программное обеспечение рассматривалось как нечто второстепенное и цена на него обычно даже не оговаривалась). К этому надо было добавить еще стоимость одного часа машинного времени, которая составляла тогда от 50 до 250 долл. Системы на запоминающих трубках обладали намного меньшими ценами и могли уже использоваться в машинных комплексах, стоимость одного часа работы которых составляла от 10 до 30 долл.

Рынок отреагировал на снижение уровня цен: предприятия, использующие другие технологии (например, трубки с регенерацией, сканирующие преобразователи, плазменные дисплеи и цифровые телевизоры), начали предлагать терминалы по столь же низкой цене.

1970-e. Системы "под ключ" и растровые системы

В конце шестидесятых - начале семидесятых в области машинной графики начали работать новые фирмы. Если ранее для выполнения каких-либо работ покупателям приходилось устанавливать уникальное оборудование и разрабатывать новое программное обеспечение, то с появлением разнообразных пакетов программ, облегчающих процесс создания изображений, чертежей и интерфейсов, ситуация существенно изменилась. За десятилетие системы "под ключ" стали настолько совершенны, что почти полностью изолировали пользователя от проблем, связанных с программным обеспечением. Итогом десятилетия для покупателей стали "проблемно-ориентированные устройства", специально предназначенные для решения конкретной задачи.

В конце семидесятых в МГ произошли значительные изменения. Память для дисплеев стала дешевле, появилась возможность создания растровых дисплеев, имеющих множество преимуществ: вывод больших массивов данных, устойчивое, немерцающее изображение, работа с цветом и недорогие мониторы. Правда, пришлось пожертвовать качеством изображения некоторых, особенно наклонных, линий из-за того, что память была все-же не настолько дешевой и при выводе наблюдался лестничный эффект. Однако впервые стало возможным получение блестящей цветовой гаммы. Растровая технология в конце семидесятых стала явно доминирующей и начала распространяться на рынке вместе с DVST и : системами с регенерацией изображения.

Устройства ввода в ранних системах машинной графики ограничивались клавиатурой и световыми перьями. В 1970-х этот список расширился и пополнился мышью, трекболом, графическими планшетами, и дигитайзерами, а также сенсорными устройствами. Высокоскоростные электростатические графопостроители позволяли быстро получать высококачественные монохромные копии. Менее дорогие, многоперьевые крупноформатные электромеханические графопостроители формировали цветные копии. Ленточные регистраторы и струйные графопостроители также стали использоваться для получения цветных изображений.

В этот период более охотно стали применять и графическое программное обеспечение, а разного рода организации стали предлагать стандарты, вырабатывая стратегию по учету требований, предъявляемых меняющимися технологиями и быстро растущим числом различных заказчиков. В 1979 году ANSI создал технический комитет ХЗН3 для развития стандартов на графические интерфейсы прикладных программ и виртуальных устройств.

Возможно, наиболее знаменательным событием в МГ было создание в конце семидесятых персонального компьютера. В 1977 году Commodore выпустила свой РЕТ (персональный электронный делопроизводитель), а компания Apple создала Apple-II. Появление этих устройств вызывало смешанные чувства: графика была ужасной, а процессоры медленными, как улитки. Однако ПК стимулировали процесс разработки периферийных устройств: недорогих графопостроителей и графических планшетов. Некоторые из нас по достоинству оценили роль этих "игрушек" в дальнейшем развитии МГ.

1980-e. Уменьшение соотношения цена/производительность

В восьмидесятые полного расцвета достигло появившееся несколько ранее первое приложение - "убийца" машинной графики как чистой технологии. Речь идет о системах автоматизированного проектирования и производства - об одном из первых применений МГ, способном вернуть сделанные в нее капиталовложения. Системы CAD/CAM начались с мэйнфреймов, работающих с каркасными моделями, визуализируемыми с помощью обычных или интеллектуальных терминалов. К середине восьмидесятых рабочие станции становятся уже обычным средством.

Конечно, ПК развивались как важная часть машинной графики, особенно с появлением в 1984 году модели Apple Macintosh с их графическим интерфейсом пользователя. Первоначально областью применения ПК были не графические приложения, а работа с текстовыми процессорами и электронными таблицами, однако его возможности как графического устройства побуждали к разработке относительно недорогих программ как в области CAD/CAM, так и в более общих областях бизнеса и искусства. К концу десятилетия программное обеспечение имелось для всех сфер применения: от комплексов управления до настольных издательских систем.

Эти годы характеризовались существенным повышением производительности и снижением соотношения цена/производительность. Персональные компьютеры и рабочие станции стоимостью 10 тысяч долл. теснят вычислительные системы более ранних выпусков и графические комплексы на специализированных терминалах. Высокопроизводительные ("high-end") рабочие станции стоимостью от 30 до 100 тысяч долл. приобрели возможности вывода фотореалистических изображений в реальном масштабе времени. Появившиеся в это время параллельные процессоры и графические ускорители позволяли повышать производительность. Теперь уже дисплеи в 1000 строк и с 16 млн. цветов стали привычными: появились цветные дисплеи на 2000 строк, правда еще достаточно дорогие, однако становятся доступными монохромные системы с размером экрана в 3000 строк (стоимостью около 5 тысяч долл.).

Манипулятор "мышь" стал естественным графическим устройством ввода, наряду с сенсорными системами, которые также нашли свое место в числе оборудования МГ. Вследствие появления интереса к работе с трехмерными изображениями возникли соответствующие устройства ввода: приборы типа spaceball фирмы Spaceball Technologies, обладающий шестью степенями свободы; "Bird" фирмы Ascension Technology - сенсорное устройство позиционирования вместе с разнообразными очками, реагирующими на положение руки и движение пальца руки.

Сообщество пользователей активно принимало данные новшества и инициировало производителей на решение родственных вопросов, связанных с безопасностью и удобством использования. Графический комитет начал работу над новыми стандартами для создания приложений, особенно относящимся к передаче изображений, организации пользовательского интерфейса, рендерингу и оконной технологии. В 1985 году ANSI и ISO одобрили первый графический стандарт GKS, который регламентировал состав базовых возможностей аппаратно-независимых программных приложений. В 1988 году был принят расширенный стандарт GKS-3D и стандарт PHIGS. Возникли важные промышленные стандарты: PostScript от Adobe, OpenG? от Silicon Graphics и Х Window System от консорциума, координируемого МТИ.

В конце восьмидесятых возникло новое направление рынка на развитие аппаратных и программных систем сканирования, автоматической оцифровки. Оригинальный толчок в таких системах должна была создать магическая машина Ozalid, которая бы сканировала и автоматически векторизовала чертеж на бумаге, преобразуя его в стандартные форматы CAD/CAM. В конце десятилетия, однако, акцент сдвинулся в сторону обработки, хранения и передачи сканируемых пиксельных изображений.

Стала более реальной возможность создания стереоизображений. Ранние системы использовали двухцветную (обычно красный и зеленый) технику, которая ограничивала реальность, а также объемные и дорогие вибрирующие мембраны. К 1989 году стало возможным купить за 2 тысячи долларов купить стереоскопические очки или полноэкранный жидкокристаллический дисплей с поляризующими панелями. Очки имели компактную батарейку возле ушной раковины и были связаны с терминалом посредством беспроволочного инфракрасного соединения. Следствием этого стало широкое внедрение стереоскопического программного обеспечения в приложения, использующие трехмерную визуализацию, например при моделировании молекул.

Вопреки постоянным прогнозам о приближающемся конце твердых копий, почти все технологии построения цветных твердых копий приобретают популярность, включая перьевые графопостроители, электростатические и струйные принтеры. В эти годы также получили развитие системы формирования объемных твердых копий. Некоторые системы "выращивали" трехмерные объекты в жидких полимерах, активизируемых путем ультрафиолетовых источников или шлакования толченого металла под действием лазерных лучей либо путем вытеснения пластиковых каркасов. Время от времени появляются сообщения о скоростных системах создания прототипов на основе моделей, генерируемых средствами МГ.

Многие из "классических" фирм-производителей дисплейных систем: Barco, Lundy, Megatek, Tektronix, Summagraphics и Versatec - на протяжении десятилетия продолжали преуспевать, а некоторые - бороться за место под солнцем. Другие компании, играющие сегодня ведущие роли в МГ, появились именно в это время: Silicon Graphics в 1981 году; Adobe, Autodesk и Sun Microsystems в 1982 году; Aldus в 1984 году; Parametric Technologies в 1985 году.

Для восьмидесятых характерен активный процесс слияния и смены владельцев компаний, например: фирма General Electronic купила Calma и продала ее часть Valid Logic и Prime, фирма Prime, в свою очередь, купила Computervision и Versacad, McDonnell-Douglas купила Unigraphics, HewlettPackard приобрела Apollo, а IBM купила CADAM. Компания Raster Technologies была продана Alliant, а Stellar и Ardent, слившись, образовали Stardent. Это вызывало головокружение, но все же свидетельствовало о динамизме развития МГ!

1990-e. Производственные связи

В восьмидесятые возникли дебаты, была ли машинная графика индустрией или искусством? Лично я твердо склоняюсь в сторону индустрии, потому что трудно спорить с количеством и размером компаний, использующих графику в качестве отдельного продукта, интегрирующей системы или инструмента разработки программного обеспечения. Я также верю, что комбинация абстрактной энергии человеческого зрения с интерактивной энергией графической среды останется основной целью использования компьютерных возможностей. Неважно, каковы ваши взгляды на дебаты "Индустрия или искусство", машинная графика будет важной частью нашей профессиональной и личной жизни.

Конечно, индивидуальность в индустрии теряется. Например, мы прежде отличали рабочие станции от ПК по параметрам разрешающей способности дисплея и производительности, размеру слова в процессоре, используемой операционной системе и цене. Сегодня единственным отличием может быть пропускная способность магистральной шины, однако даже такое отличие исчезает после появления шин МСА и PCI.

Стираются отличия между МГ и обработкой изображения. Машинная графика часто имеет дело с векторными данными, а основой для обработки изображений является пиксельная информация. Еще несколько лет назад каждый пользователь требовал рабочую станцию с уникальной архитектурой, а сейчас процессоры рабочих станций имеют быстродействие, достаточное для того, чтобы управлять как векторной, так и растровой информацией. Кроме того, настоящее видео - это слияние этих двух форм. Прибавьте аудиовозможности - и вы имеете компьютерную среду мультимедиа.

Возникают стандарты мультимедиа, хотя "победители" чаще всего бывают известны заранее. Например, существует конкуренция между двумя стандартами на локальные видеошины: VL-Bus от VESA и PCI от Intel. Разработанные первоначально для 32-разрядной шины, оба стандарта имеют средства наращивания возможностей для работы со следующим поколением 64-разрядных процессоров: Intel Pentium, DEC Alpha, Mips RXXXX. Сжатие данных является другой технологией, влияющей на продвижение комплексов мультимедиа с интерактивными компакт-дисками и системами видеоконференций.

Становятся обычным явлением высокоскоростные оптоволоконные сети с диапазонами частот на два порядка выше, чем сегодняшние сети с коаксиальными кабелями. Это естественным образом влияет на конструкцию рабочих станций и их сетей, в которых уже не будет места большим хранилищам данных в каждом узле.

Появляются системы, которые распознают индивидуальные особенности пользователя на основе экспертных технологий и соответствующим образом настраивают интерфейс. На разных стадиях разработки находятся способы организации интерфейсов на базе голоса и жестов. увеличение возможностей трехмерной графики в среде ПК способствует развитию графических интерфейсов от плоской метафоры к богатому интерфейсу "человек-компьютер". Постепенно формируется представление о "дружественном пользователю окружении", в котором система формирует именно тот диалог, который ожидается пользователем.

Экономичные, цветные дисплеи с высоким разрешением, основанные на таких стандартах, как HDTI (1900 х 1200 линий) или АТС (2000 х 2000), ожидаются уже к концу этого десятилетия, и интерес заказчиков к HDTI исключительно велик. В ответ на требования по использованию всех возможностей графики в переносных компьютерах цветные дисплеи с плоским экраном предпринимают активные "набеги" на МГ. Агентство Advanced Research Projects Agency недавно выделило 500 млн. долл. на следующие 5 лет для дальнейшего развития этих дисплеев в США.

Наука и инженерия

Системы CAD/CAM используются сегодня в различных областях инженерной конструкторской деятельности от проектирования микросхем до создания самолетов. Ведущие инженерные и производственные компании, такие как Boeing, в конечном счете двигаются к полностью цифровому представлению конструкции самолетов.

Архитектура является другой важной областью применения для CAD/CAM и совсем недавно созданных систем класса walkthrough (прогулки вокруг проектируемого объекта с целью его изучения и оценки). Такие фирмы, как McDonald's, уже с 1987 года используют машинную графику для архитектурного дизайна, размещения посадочных мест, планирования помещений и проектирования кухонного оборудования. Есть ряд эффектных применений МГ в области проектирования стадионов и дизайна спортивного инвентаря, новый парк в Балтиморе (Baltimore Orioles'Camden Yards Park).

Медицина стала весьма привлекательной сферой применения MI, например: автоматизированное проектирование инплантантов, особенно для костей и суставов, позволяет минимизировать необходимость внесения изменений в течение операции, что сокращает время пребывания на операционном столе (очень желательный результат как для пациента, так и врача). Анатомические модели МГ также используются в медицинских исследованиях и в хирургической практике.

Научные лаборатории продолжают генерировать новые идеи в области визуализации. Задача сообщества МГ состоит в создании удобных инструментов и эффективных технологий, позволяющих пользователям продолжать научные изыскания за границей возможного и безопасного эксперимента. Например ,проект виртуального туннеля NASA Ames Research Center переносит аэродинамические данные в мир виртуальной реальности, интерес к которой значительно вырос в девяностые годы. NASA Ames было одним из пионеров в использовании и развитии технологий погружения людей в мнимую реальность. Специалисты NASA занимались разработкой специальных шлемов и дисплеев, трехмерных аудиоустройств, уникальных устройств ввода для оператора и созданием соответствующего программного обеспечения. Возник ряд компаний, занимающихся виртуальной реальностью, например: Fakespace, Cristal River Engineering и Telepresence Research.

Все эти инженерные и научные применения убеждают, что индустрия машинной графики начала обеспечивать пользователей новой технологией, при которой они действительно уже не заботятся о том, как формируется изображение - им важен результат.

Искусство, развлечения и бизнес

Согласно проведенным мною исследованиям, вплоть до начала девяностых годов доходы от использования МГ в научно-инженерных приложениях были значительно выше, чем доходы в области бизнеса и других областях, непосредственно не связанных с наукой. Однако в 1991 году доходы были поделены в равной степени, а баланс теперь устойчиво сдвигается в сторону нетехнических приложений. Я считаю, что к 1998 году около двух третей всех доходов от МГ поступит именно из нетехнических областей применения. Некоторые из этих применений получили настолько широкое распространение, что возникли споры, насколько они действительно являются машинной графикой. Например, мультимедиа воспринимают отдельно от машинной графики, что, однако, не так, вследствие явного доминирования графических изображений.

"Классическая" МГ до сих пор используется в различных приложениях бизнеса, включая разработку концепции, тестирование и создание новых продуктов, но бизнес также стал лидирующим потребителем систем мультимедиа, например, в обучении или маркетинговых презентациях. Графика все шире проникает в бизнес - сегодня фактически нет документов, созданных без использования какого-либо графического элемента. Соответствующее программное обеспечение специально разработано, чтобы позволить пользователям сконцентрироваться больше на содержании, а не на графическом исполнении.

Грядет всплеск использования графики в анимации, особенно в области индустрии развлечений. Кинофильм Стивена Спилберга "Парк Юрского периода" установил в 1993 году новый стандарт фотореализма в графике. Этот фильм не единичный случай применения МГ в кино, и Голливуд расширяет сферу использования специальных эффектов машинной графики, только в 1994 году выпустив несколько высокохудожественных фильмов: "The Lion King", "The Mask", "True Lies" и "Forrest Gump".

Виртуальная реальность находит свою нишу в индустрии развлечений и видеоиграх. Число виртуальных галерей и развлекательных парков быстро растет. По моим оценкам 30% (то есть 144 млрд. долл.) всего дохода от использования систем виртуальной реальности было получено в прошлом году именно от разного рода игр, и доходы от этих применений будут расти.

Лаборатория Media Lab МТИ является уникальным исследовательским центром разработки совершенных систем взаимодействия "человек-компьютер". Например, система News в проекте Future использует последние достижения в области графики, реконструкции звука и изображений, а также моделировании различных объектов для представления новых результатов исследований и их презентации в виде соответствующих текстов, графики, аудио и видео.

***

Все области применения - будь то инженерная и научная, бизнес и искусство/развлечения - являются сферой применения МГ. Возрастающий потенциал ПК и их громадное число - порядка 100 миллионов - обеспечивает соблазнительную базу для капиталовложений и роста. Я ожидаю устойчивый рост индустрии в данной сфере к концу этого десятилетия, особенно если учесть, что в начале этого десятилетия ежегодный рост составлял около 12%. Неизвестно как долго продлиться тенденция удвоения капиталовложений, особенно под воздействием цен, однако я ожидаю устойчивое 10% ежегодное повышение в последующие 5 лет. Конечно, компании продолжают формироваться, хотя инвесторы сейчас, кажется, больше предпочитают вкладывать деньги в программное обеспечение, а не в аппаратуру. Сегодня особенно привлекательны для инвесторов компании, специализирующиеся на графических интерфейсах пользователя, объектно-ориентированных программах, виртуальной реальности и программном обеспечении параллельных процессов.

Моя предыдущая публикация заканчивалась прогнозом по увеличению числа графических терминалов от 100 в 1964 году до 50 тыс. в 1977 году, а сейчас, в 1994 году, я констатирую, что 3 млн. рабочих станций и 60 млн. ПК используются только в США. Машинная графика имеет сегодня промышленную базу, оцениваемую в 36 млрд. долл., которая обеспечивает работой около 300 тысяч специалистов. Она продолжает лидировать в вопросах обеспечения нашего взаимодействия с компьютерами и организации доступа к информации. Мы вступаем в новую эпоху расширения полномочий графических систем при движении по информационной супермагистрали.

Карл Маховер - основатель Machover Associates.