Průkopníci informačního věku - Ivan Sutherland

Kreslicí systém Sketchpad, který předznamenal mohutný rozvoj počítačové grafiky v následujících desetiletích, první aplikace virtuální reality prostřednictvím HMD, algoritmy pro vektorovou grafiku, design asynchronních integrovaných obvodů. To jsou jen některé ze zásadních přínosů Ivana Sutherlanda.

Průkopníci informačního věku - Ivan Sutherland


„Ukážeme vám, jak budeme s počítačem pracovat. Bude to jiné, než jak jste byli dosud zvyklí. Nebudeme sice ke komunikaci používat řeč, ale budeme kreslit. A počítač se bude snažit našemu kreslení porozumět.“  Těmito slovy představil Ivan Sutherland v první polovině šedesátých let svůj grafický program Sketchpad, první počítačový systém kreslení v reálném čase. Umožňoval uživateli přímo ovládat počítač pomocí takzvaného světelného pera, tedy vstupního zařízení, které snímalo pozici na monitoru ve spolupráci s grafickým adaptérem.

Ivan Sutherland, v té době doktorand na Massachusettském technologickém institutu, položil základy oboru počítačové grafiky. Sketchpad, označený prvním ředitelem MIT Media Lab Nicholasem Negropontem za „velký třesk počítačové grafiky“, přinesl základní koncepci počítačové grafiky a zavedl mnoho nových pojmů, jako např. dynamickou grafiku, vizuální simulaci, sledování pohybu pera či virtuální souřadnicový systém, které dnes tvoří úhelné kameny tohoto oboru. Sketchpad představuje přínos zásadního významu, ale převážné části počítačového světa trvalo přinejmenším deset let, než jej plně pochopil a domyslel jeho důsledky. Počítačová grafika se posléze rozvinula v samostatnou vědní disciplínu, která v současnosti představuje neobyčejně atraktivní a vlastně již neodmyslitelnou oblast využití počítačů, zahrnující nejen CAD systémy či desktop publishing (DTP), ale také počítačovou animaci, počítačové hry a systémy virtuální reality. Jakkoli se to z dnešního pohledu zdá neuvěřitelné, u zrodu této disciplíny, jež změnila způsob práce v řadě průmyslových odvětví i celém zábavním průmyslu, stál pětadvacetiletý student Ivan Sutherland. A co víc, jeho Sketchpad díky koncepci předznamenal i vznik grafického uživatelského rozhraní, bez něhož by rozšíření osobních počítačů bylo sotva myslitelné, stejně jako novou filosofii programování, pro niž se vžilo označení objektově orientované programování.

Simon – lekce v programování

Ivan Sutherland se narodil v polovině května roku 1938 v Hastingsu ve státě Nebraska, ale rodina se ještě v jeho útlém dětství přestěhovala do Scarsdale ve státě New York, kde jeho otec, povoláním stavební inženýr, získal práci. Byl to právě on, kdo měl na Ivana značný vliv. Malý chlapec byl od raného dětství fascinován rýsovacím prknem a stavebními výkresy, u nichž otec den co den pracoval. Není se co divit, že ve škole patřila geometrie k jeho nejoblíbenějším předmětům.
Kromě otce ovlivnilo mladého Ivana Sutherlanda setkání s Edmundem Berkeleym, nestorem počítačové vědy, jehož proslavila kniha Velké mozky aneb Stroje, které myslí (Giant Brains, or Machines That Think, 1949). Tato kniha poprvé přinesla srozumitelný popis základních principů počítačů, určený nikoli odborníkům, ale širší veřejnosti. Berkeley, který spolupracoval s ranými počítačovými průkopníky Howardem Aikenem, Johnem Mauchlym a Presperem Eckertem, byl také patrně prvním, kdo přišel s koncepcí osobního počítače, byť ještě ve značně primitivní verzi. A dokonce takový přístroj určený pro běžné využití sestrojil. Šlo o malý počítač či spíše programovatelný kalkulátor velikosti aktovky (malý zvláště s ohledem na to, jakými rozměry se v té době počítače vyznačovaly), založený na reléových obvodech. Disponoval celkovou pamětí o velikosti 12 bitů a byl určen pro výukové účely. Prodával se pod názvem Simon a stál šest set dolarů.

Když Edmund Berkeley, tvůrce počítače Simon, hledal pomocníky, kteří by mu pomohli udržovat zahradu, dvanáctiletý Ivan Sutherland a jeho mladší bratr v tom viděli příležitost, jak si přivydělat. Berkeleymu se zvídaví chlapci zamlouvali, a tak s nimi uzavřel „kontrakt“. Bratři od té doby pravidelně sekali trávník a zastřihovali keře na jeho zahradě. Zakrátko se s vědcem, který měl v okolí pověst podivína, spřátelili, což vedlo k tomu, že je začal učit základům programování na počítači Simon. Nadaný Ivan Sutherland záhy dokázal napsat svůj první program. Později vytvořil program, který naučil počítač dělit; tento program o rozsahu čtyř stránek byl dosavadním nejdelším programem pro počítač Simon a historici výpočetní techniky se domnívají, že Ivan Sutherland byl zřejmě prvním středoškolákem ve Spojených státech, který na slušné úrovni ovládl základy programování.

Není důležité, zda tomu tak opravdu bylo, ale podstatné je, že setkání s Edmundem Berkeleym bylo pro Ivana Sutherlanda osudové. Díky jeho vlivu opustil svou dětskou touhu, že se stane stavebním inženýrem jako jeho otec, a na Carnegie Mellon University si zvolil obor elektrické inženýrství, u něhož byla naděje, že se za čas dostane k počítačům.

Počítačový náčrtník

Tato naděje se vskutku proměnila v realitu, ale trvalo to několik let. Když Ivan Sutherlad získal bakalářský titul, vydal se nejprve na Kalifornský technologický institut a poté na Massachusettský technologický institut, který byl co se týče výpočetní techniky nejlépe vybavenou školou na světě. Zde v Lincolnově laboratoři získal možnost pracovat na jednom z nejvyspělejších počítačů té doby. Šlo o tranzistorový počítač TX-2, který je považován za předchůdce minipočítačů od firmy Digital, jejichž nástup přineslo až další desetiletí. Sutherland se pod vedením Clauda E. Shannona, tvůrce informační teorie, v rámci své doktorské práce chopil úkolu, který spočíval v průzkumu možností kreslení na počítači, což byla dosud „terra inkognita“. Svůj zájem o počítače tak skloubil s dětskou fascinací otcovým rýsovacím prknem a vášní pro geometrii

Důležité bylo, že TX-2, původně určený pro vědecký výzkum umělé inteligence, disponoval operační pamětí z feritových jader o kapacitě, která umožňovala práci s grafikou (každé slovo uložené v operační paměti mělo šířku 36 bitů a celkově bylo v operační paměti uloženo takřka 70 tisíc slov). Na rozdíl od starších mainframů byl tento výpočetní kolos také vybaven několika zásadními vymoženostmi, diky nimž byla práce na něm mnohem komfortnější. Šlo především o grafický vektorový displej (o velikosti 7?×?7 palců a na svou dobu s nevídaným rozlišením), ale práci na něm zpříjemňovaly také světelné pero, ovládací konzole a panel s otočnými tlačítky zajišťujícími některé funkce pozdější počítačové myši. Jinými slovy, počítač TX-2 byl přímo předurčen k tomu, co se Sutherland rozhodl prozkoumat, tedy k potenciálním možnostem toho, co se později začalo označovat jako počítačová grafika.

Plodem jeho dvouleté činnosti se stala doktorská práce s názvem Sketchpad: Systém pro grafickou komunikaci mezi člověkem a počítačem (Sketchpad: A Man-machine Graphical Communications System, 1963), jejíž součást tvořil počítačový program Sketchpad, první ucelený systém umožňující vytváření výkresů s využitím počítače, neboli první software typu CAD (Computer-aided Design). Aby byl tento grafický program využitelný, musel Sutherland nejprve vytvořit vhodné uživatelské rozhraní, jehož základní funkcí byla okamžitá vizuální odezva na příkazy zadávané uživatelem. Dnes nám to připadá jako nezbytná samozřejmost, nicméně v době, kdy převážná většina počítačů pracovala na principu tzv. dávkových úloh, šlo o významnou myšlenku, která ve svých důsledcích představovala průlom v mnoha oblastech výpočetní techniky. Základním znakem tohoto průlomu byl přímý, interaktivní způsob komunikace se strojem v prostředí praktické grafické aplikace. Do té doby se komunikace s počítačem odehrávala tak, že se nejprve připravil program (uložený zpravidla na děrné štítky nebo pásky), který se pak z důvodu časové úspory ve vhodném čase zadal do počítače. Naproti tomu systém Sketchpad využíval nástroje umožňující práci s počítačem v reálném čase.

Kreslicí program Sketchpad kromě toho samozřejmě přinesl také řadu dalších principů, které se staly základem nejen pro pozdější kreslicí programy, ale i veškeré graficky orientované aplikace. Šlo v první řadě jednak o koncept pracovní plochy (virtuálního kreslicího papíru), jednak o způsob ovládání, který umožňoval tuto pracovní plochu využívat pomocí konzole s tlačítky a světelného pera. A co víc, Sketchpad byl objektově orientovaný – umožňoval nejen kreslit, ale i kombinovat, kopírovat a mazat grafické objekty, přičemž jednou nakreslený objekt (samostatný výkres) bylo možné do jiného výkresu vložit v několika kopiích, samozřejmě s možností změny měřítka nebo natočení každé kopie. Program rovněž dokázal modelovat trojrozměrné objekty a zobrazovat perspektivu. Jednou z pozoruhodných vlastností Sketchpadu bylo i to, že když uživatel při kreslení udělal prudký pohyb (zvrtla se mu ruka apod.), počítač to rozpoznal a čáru chytře nenamaloval, neboť předpokládal, že jde o chybu.

Sketchpad se stal základem jak pro budoucí CAD systémy, tak i pro veškeré systémy s grafickým uživatelským rozhraním. Navíc jeho koncepce, kdy byl každý objekt do paměťového média ukládán jako samostatný soubor (výkres) a vkládání objektů do jiného výkresu znamenalo, že se ve skutečnosti do tohoto výkresu vložil pouze odkaz na daný soubor, předznamenala objektově orientovaný přístup v programování.

Ale než počítačovému světu tyto přínosy došly, uplynulo takřka celé desetiletí. Výzkumné úsilí se v šedesátých letech 20. století zaměřilo na aspekty počítačové grafiky, jako jsou např. stíny, stínování, doraz a lom světla či skryté povrchy. I to bylo přirozeně důležité. Nicméně za čas si počítačový svět uvědomil, že budoucnost grafiky nespočívá v systémech kreslení čar, ale v rastrových systémech založených na práci s plochami uloženými do paměti počítače jako množina bodů. A tak se namísto čáry, jež byla základem systému Sketchpad, základním prvkem počítačové grafiky stal pixel.

Zrod virtuální reality

Po krátkém intermezzu, kdy pracoval jako elektroinženýr pro armádu, se Ivan Sutherland vrátil do akademického světa. Ve druhé polovině šedesátých let působil jako asistující profesor elektrického inženýrství na Harvardově univerzitě, kde společně se svým doktorandem, izraelským studentem Danny Cohenem, vyvinul algoritmus na ořezávání úseček obdélníkovým oknem (označovaný dnes jako Cohen-Sutherlandův ořezávací algoritmus).

V téže době ve spolupráci s dalším svým studentem, Robertem „Bobem“ Sproullem, začal také pracovat na počítačové aplikaci využívající třídimenzionální zobrazení. Tento nenápadný projekt je dnes považován za zrod virtuální reality, tedy počítačové technologie umožňující integrovat uživatele se simulovaným prostředím. Aby této iluze dosáhli, sestrojili Sutherland a Sproull poněkud bizarní zobrazovací zařízení, které se nasazovalo na hlavu a mělo podobu jakési přilby. Díky dvěma obrazovkám, jež byly součástí oné přilby, dosáhl uživatel vjemu „jiné reality“ zprostředkované 3D počítačovou grafikou – ta ovšem byla z dnešního pohledu velmi primitivní, zobrazovány byly pouze obrysy místnosti, resp. hrany polygonů. Protože toto zprostředkující zařízení bylo dost těžké, muselo být připevněno na stropě, díky čemuž si vysloužilo název „Damoklův meč“ (The Sword of Damokles).

Koncept, který Sutherland a Sproull zvolili, určil v podstatě směr vývoje virtuální reality a její chápání na další desítky let dopředu. V článku nazvaném Konečný displej (The Ultimate Display, 1965) Sutherland zároveň nastínil základní aspekty, které by měly tvořit budoucí systémy virtuální reality. Za prvé, virtuální svět by měl vypadat skutečně pro jakéhokoli pozorovatele, přičemž by měl být pozorován prostřednictvím HMD (Head Mounted Display) a vjem by dále měl být obohacen prostorovým zvukem a hmatovými stimuly. Druhým aspektem by měl být dostatečně výkonný počítač schopný udržovat virtuální svět v reálném čase. A za třetí, uživateli by měl virtuální svět umožňovat intuitivně a realisticky manipulovat s předměty, které jsou jeho součástí.

Snaha naplnit tyto Sutherlandovy ideje vytvořila v rámci rozvíjející se počítačové grafiky specifickou oblast zaměřenou na vývoj virtuální reality. I když výsledky zpočátku spíše vzbuzovaly rozpaky, systémy virtuální reality zažily velký boom na přelomu osmdesátých a devadesátých let, kdy technologický pokrok již dosáhl takové úrovně, že bylo možné v reálném čase kombinovat realistická zobrazování na kvalitních displejích ve spojení s dalšími vjemy. V osmdesátých letech vzrostl zájem o virtuální realitu díky agentuře NASA, která vyvinula výkonné grafické systémy pro simulaci různých prostředí.

Na konci tohoto desetiletí se tato technologie dostala i do povědomí široké veřejnosti, a to zejména díky přilbovému displeji a kontaktní rukavici od Jarona Laniera, jednoho z nejznámějších průkopníků virtuální reality, jenž je rovněž autorem samotného termínu „virtuální realita“ a který ve svých výzkumech cílevědomě navazoval na Sutherlandův projekt Damoklova meče a dokázal jej plně rozvinout.

Legenda počítačové grafiky

Přelom v životě Ivana Sutherlanda nastal v roce 1968, kdy byl jmenován profesorem počítačové vědy na Utažské univerzitě v Salt Lake City, kde společně s Davidem Evansem založili studijní obor zaměřený na počítačovou grafiku. Za dobu, kdy Sutherland na této univerzitě působil, prošly jeho studijním programem desítky studentů, z nichž někteří později významně zasáhli do vývoje nejen tohoto oboru, ale informačních technologií vůbec. V souvislosti se Sutherlandovou pedagogickou činností je třeba zmínit zvláště jména Nolan Bushnell (spoluzakladatel společnosti Atari), Alan Kay (jeden z tvůrců objektově orientovaného programování a „otec osobního počítače“), James Clark (spoluzakladatel společnosti Silicon Grafic), John Warnock (spoluzakladatel společnosti Adobe Systems) či Ed Catmull (spoluzakladatel Pixar Animation Studios).

Téhož roku, kdy se stal profesorem, založil Sutherland společně s již zmíněným Davidem Evansem společnost Evans & Sutherland, jež nabízela výdobytky v oblasti počítačové grafiky pracující v reálném čase ke komerčnímu využití. Ačkoli tato společnost nedosáhla věhlasu pozdějších firem zaměřujících se na sféru počítačové grafiky (které založili Sutherlandovi studenti), její význam je přesto neoddiskutovatelný. Nejen proto, že patřila k firmám, jež položily základy atraktivního počítačového odvětví, ale i z toho důvodu, že v ní našli první profesní zkušenosti právě i někteří z výše zmíněných absolventů studijního programu zaměřeného na počítačovou grafiku.

V roce 1976 opustil Sutherland Utažskou univerzitu, když přijal nabídku od Kalifornského technologického institutu (Caltech), který mu nabídl místo šéfa svého věhlasného počítačového oddělení, tedy jedné z nejprestižnějších a nejlépe vybavených počítačových kateder v zemi. Během čtyř let, jež zde strávil, se Sutherland kromě počítačové grafiky zaměřil také na problematiku designu integrovaných obvodů.

Když v roce 1980 založil společně se svým bývalým studentem Robertem Sproullem konzultační firmu Sutherland, Sproull and Associates, rezignoval na akademický post, aby se mohl coby viceprezident a technický ředitel plně věnovat podnikatelské činnosti. Společnost získávala zakázky od renomovaných organizací působících nejen v počítačovém byznysu. Poté, co ji v roce 1990 odkoupila společnost Sun Microsystems, se stal Sutherland viceprezidentem této ve své době nesmírně progresivní počítačové firmy. Nesl zodpovědnost za výzkum a vývoj a působil v nově zřízeném vývojovém středisku Sun Microsystems Laboratories (Sun Labs), kde se zabýval především návrhy asynchronních logických obvodů, tedy obvodů bez centrálního časování.

V té době už byl Ivan Sutherland, „otec počítačové grafiky“, žijící legendou světa informačních technologií, vědcem, který vedle takřka 50 odborných vědeckých článků měl na svém kontě i více než 60 patentů, a položil základy objektově orientovaného programování. Není tedy divu, že mu v roce 1988 byla udělena Turingova cena, obdoba Nobelovy ceny v IT.

Ivan Edward Sutherland (1938), americký počítačový vědec. Vystudoval elektrické inženýrství na Carnegijském technickém institutu (Carnegie Mellon University) a na Kalifornském technologickém institutu (Caltech). Ve studiu pokračoval na Massachusettském technologickém institutu (MIT), kde získal v roce 1963 doktorát za práci nazvanou Sketchpad; součástí byl stejnojmenný program, který je označován za předchůdce současných CAD systémů. Po ukončení studia působil krátce v agentuře ARPA (Advanced Research Projects Agency), kde se zabýval výzkumem umělé inteligence.

Ve druhé polovině 60. let působil na Harvardově univerzitě, kde vytvořil další průlomovou práci v oblasti počítačové grafiky – vyvinul HMD (Head Mounted Display), přilbu, která je považována za vůbec první aplikaci virtuální reality. V letech 1968–1976 byl profesorem na University of Utah, kde se soustředil zvláště na oblast počítačové grafiky. V letech 1976–1980 působil v Caltechu na katedře počítačové vědy. V roce 1980 založil společně se svým bývalým studentem konzultační firmu Sutherland, Sproull and Associates, kterou po deseti letech koupila společnost Sun Microsystems, kde od roku 1991 zastával post viceprezidenta pro výzkum a vývoj. Jako výzkumný pracovník v Sun Labs se zabýval problematikou designu asynchronních logických obvodů. Sutherland za své přínosy v oboru počítačové grafiky získal řadu významných cen, zvláště Turingovu cenu (1988) a Cenu průkopníka EFE (EFE Pioneer Award, 1994).

Svět plný pixelů

Navzdory přínosu Sutherlandova grafického systému Sketchpad se základním prvkem počítačové grafiky nestala čára, ale pixel. A to z jednoduchého důvodu – při práci s obrazem máme zřídka k dispozici spojitý definiční obor funkce (tedy matematický model, kterým je spojitá funkce dvou proměnných). Obvykle častěji pracujeme v rastru, kde je obrázek popsán pomocí jednotlivých barevných bodů neboli obrazových elementů, pro něž se vžilo označení pixely. Termín pixel, zkratka anglického pojmu „picture element“, zavedl v roce 1965 americký inženýr Frederic C. Billingsley, jenž pracoval na digitálních zobrazovacích technologiích pro NASA. Podle základní definice je pixel nejmenší jednotkou digitální rastrové (bitmapové) grafiky. Body na obrazovce tvoří čtvercovou síť a každý pixel je možné jednoznačně identifikovat podle jeho souřadnic. U barevných obrazovek se každý pixel skládá ze tří svítících obrazců odpovídajících základním barvám (červené, modré a zelené).

Popularita pojmu pixel v počítačové grafice vedla k tomu, že vznikla řada analogických termínů, např. prvek textury se označuje jako texel, objemový element voxel, povrchový element surfel atp.


Úvodní foto: © Fudzo - Fotolia.com

Vyšlo v CIO Business World 7/2012
Časopis lze koupit se slevou 20 %





Komentáře