, .

CAD / CAM / CAE - софтуерни решения и технологии.

.

АБОНИРАЙТЕ СЕ

Бюлетин

Абонамент за е-бюлетин




Анкета

Как да изглежда форума в частта, касаеща софтуера?
1. Да се раздели по категории - CAD, CAM, CAE
2. Да не се променя
3. Друго - отправете предложения

История на компютърната графика и анимация 1

Bookmark and Share

История на компютърната графика и анимация

 

Част 1:
Историята на компютърните технологии

Историческите проучвания в областта на компютърно генерираните образи - CGI (computer generated imagery) са важна част от цялостния ни образователен опит. Не е задължително да се основават на исторически прецедент, за да може чрез тях да се получи представа за еволюцията на нашата дисциплина и да се оценят основните разработки, които са ни довели до там, където сме днес. Дисциплината е толкова стара, колкото са и самите ранни разработки и така бързо променящата се, че все едно живеем в нея и тя се развива, докато говорим. Все пак сме били толкова заети с напредъка на тази дисциплина, че често не сме правили точни исторически записи. Така че, ако се договорим за някои минали събития, можем да започнем да регистрираме точно това, което се случва занапред в този еволюционен процес.


Трябва да се поучим от миналото, тъй като сме развили теория и методология, които са ориентирани към характеристики и функции, присъщи на софтуера, хардуера, анимационните техники и др., които са част от нашата широка, съвременна, творческа среда на компютърната графика.
През 1981 г. Sylvan Chasen от Lockheed документира и характеризира развитието на графичните дисциплини по начин подобен на човешкото съществуване. Той поставя "раждането" или периода на зародиш през 1950-1963 г.; детството от 1964 до 1970 г.; юношеството от 1970 г. до 1981 г. и зрелостта след 1981 година.
Във въведението към труда си от 1980 г. IEEE (компилация от материали и документи за компютърната графика), Herbert Freeman представя кратък обзор на първите две десетилетия от развитието на CGI дисциплината. Подобно на много други дисциплини, компютърна графика и анимация имат богата (макар и относително кратка) история, която включва следните четири епохи, тясно свързани с нея:
пионери
• иноватори
• автори на адаптации
• последователи

                                  
Ранните пионери са творци и изследователи. Тези мечтатели и утописти виждат възможностите на компютъра като начин за взаимодействие със снимките. Те излизат от рамките на развиващите се технологии, за да ги пренесат там, където компютърните учени никога не са предполагали, че може да се достигне. Тяхната работа мотивира и останалите, които започнали да се опитват да реализират потенциала на тази нова визия.
Много от така наречените иноватори били настанени в университетски и изследователски лаборатории, където работели за решаване на основните проблеми на "заснемане" на данни с помощта на компютър.

Ранните автори на адаптации, включват първите CGI производствени мощности, творци, учени и изследователски лаборатории, както и отрасли, проявяващи интерес към превръщането на много по-ранните разработки в жизнеспособен (и продаващ се) инструмент за реализиране на техните разнородни цели. В края на седемдесетте и началото на осемдесетте години може да се види втората вълна от автори на адаптации, които са предимно производствените компании за специални ефекти, оборудване, софтуерни разработчици, университети, кино-компании и др.


Тъй като технологията напредвала и възприемането на този нов подход към изображението все повече нараствало, индустрията също еволюира и много от настоящите сътрудници или последователи (това описание не е предназначено да бъде уронващо) навлизат в същността на материята. Такива са производителите на специални ефекти, университети, фирми и изследователски лаборатории.


С оглед възможността за адекватно обсъждане на началните етапи от развитието на компютърна графика, трябва да се върнем назад в историята и да проследим няколко приноса, които влияят на начина, по който правим нещата днес. Някои от тези нововъведения все още се използват в една или друга форма днес.
Изчислителните инструменти датират от сметалата – т.нар. abacus, използвани от древните хора, за да представят система от знаци, която била използвана при таблиците за броене, наречени abaci. Те не са реални калкулатори, но осигуряват технология за следене на суми и пренасяне на допълнения. Въпреки че abacus съществували още
от началото на Новата ера
, както знаем, тя е приписана на китайците през в 1200 от н.е.


През 1617 John Napier въвежда помощни методи за умножение, наречени Napier's Bones Неперови кости. Те се състоят от набор от дървени пръчки, на върха на всяка, от които е отбелязано число, а кратните на това число се определят от дължината на пръчките. Когато се изравни реда на кратните, както е показано, всяка кратно на числото на върха може да се прочете отдясно наляво, като се добавят цифри във всеки успоредник на съответния ред. По този начин умножението се свежда до събиране. (Кликнете върху изображението в дясно, за да си обясните начина на работа на „костите”.)
Napier също изобретил логаритъм, някъде около 1622 г.
Няколко автоматични механични "калкулатора" са били направени около 1600 г., включително Schickard приложението на Неперовите кости, автоматичния „събирач” на Pascalene и автоматичното устройство за умножение на Liebniz. Всяко от тези устройства се счита за "аналогово".


Въпреки че повечето съвременни изчислителни устройства са "цифрови". Едно от най-ранните приложения на цифрова система се дължи на Jacquard  (1801 г.). Тъкачният стан на Jacquard бил разработен от Joseph-Marie Jacquard  във Франция. Той използвал перфокарта за контрол на действията по време на процеса на тъкане, като се въвежда много по-сложен дизайн на тъканта. Подходът на Jacquard е вариант на оригиналната перфокарта, проектирана на Jacques de Vaucanson през 1745. Той правел играчки (най-известен бил с механичната патица) и неговата представа за автоматизиране на процеса на тъкане не била добре приета от тъкачите.

Идеята за перфокартите била възприета по-късно през 1830 от Charles Babbage при управлението на неговия Analytical Engine, а по-късно от Herman Hollerith при преброяването на населението през 1890 г. Двигателят на Babbage (който не е бил завършена от него) е предназначен за използване с перфокартите на Jacquard за управление на автоматичен калкулатор, който може да взема решения въз основа на резултатите от предишни изчисления. Бил предназначен да работи с няколко функции, използвани по-късно в съвременните компютри, включително и последващ контрол, разклоняване и т.н.
Асистент на Babbage била Augusta Ada Lovelace, дъщеря на английския поет лорд Байрон, и математичка, която създала "програма" за Analytical Engine за изчисляване математическа последователност, известна като числата на Bernoulli. Въз основа на тази разработка, Ada е обявена за първия компютърен програмист, а през 1979 г., модерен компютърен език за програмиране е наречен ADA в нейна чест.


През 1878 г. Oberlin Smith изработил примитивно устройство за магнитни записи, направено от копринена нишка, покрита със стоманен прах. На теория, когато са под въздействие на магнитно поле, стоманените прашинки се превръщат в магнит, създаващ цифров модел. Smith претендирал за патент, но никога не подал заявление. Той стигнал до заключението, че няма да бъде в състояние да създаде полезен модел за числови редици, публикува резултатите си през 1888 г., но не ги приложил и доразвил.
През 1898 г., изобретателят от Дания Valdemar Poulsen подал патент за "Методи и апарати за съхраняване на реч или звукови сигнали върху намагнитени части". Неговата идея е, че когато една нишка се докосне до електромагнит в различни точки и по различно време, съхранява сигнал, който по-късно може да бъде открит и възстановен със същата енергия, причинила първоначалното намагнитване. Той разработва идеята си като "телефонен секретар", наречен Telegraphone и започнало производството им. Други устройства, различни от това на Poulsen могат да се считат за първоизточника на твърдия диск. Те се състоят от стоманен диск с диаметър 4,5 инча с повдигаща се спирала на повърхността, която се очертава с електромагнит, след като дискът се завърта, магнетизирайки го по същия начин, както нишката.


Допълнителните подобрения на магнитните записи по-нататък са малко, докато Fritz Pfleumer не разработил магнитна лента, която била ивица хартия, покрита с магнитен прах (първата използвана книжна лента, била покрита с висококачествен железен оксид под формата на боя (ръждиво червена) и облак от червен прах се разпръсвал във въздуха, докато се използвала касетата. Немската фирма General Electric купува патентите от Pfluemer и продава първото истинско записващо устройство, наречено Magnetophone (магнетофон - от френски език) през 1936 г. Американското Бюро по преброяването било загрижено по повод трудностите около изчисленията по преброяването през 1890 г. Един от статистиците там Herman Hollerith изградил представата за машина, която може да автоматизира процеса, въз основа на идея, подобна на тази на стана на Jacquard. Hollerith проектирал основите на системата, която той нарича Hollerith Electric Tabulating System (електрическа система за изчисления на Hollerith) . Контактен щифт минава през отвор в картата за преброяване, за да направи електрическа връзка с живака, поставен отдолу. Полученият електрически ток активира механичен брояч и информацията се изчислява. Тази система е включена в изданието от 1900 г. на Scientific American magazine (Американско научно списание).


80-колонната перфокарта, представена от Hollerith през 1928 г. се превръща в стандартния входящ носител на информация за компютрите до края на 70-те години, когато интерактивните системи влизат в употреба. Той е с размери 7 3/8 инча ширина, 3 1/4 инча височина и 0,007 инча дебелина. Преди 1929 г., това е стандартен размер за много банкноти в САЩ и Hollerith очевидно го избира така, че да може картите да се съхраняват в кутии, направени за Treasury Department (трезора). Hollerith получава над 30 патента за научните си изследвания, но той не бил търговец. Смятал, че имал сериозни заслуги за машините за преброяване и вземал на Бюрото по преброяване повече, отколкото щяло да струва да го направиш на ръка. В резултат на това, те разработват, а след това и патентоват собствена версия на машината. Hollerith почти затворил компанията си, но бил в състояние да привлече един брилянтен човек, Thomas J. Watson. Така компанията му оцелява, а по-късно става International Business Machines (IBM).  
 В края на века вече имало значителен брой свързани с електрониката разработки. Една от най-значимо е вакуумната тръба, изобретена от Lee de Forest през 1906 г. Това било подобрение на тръбата или клапата на Fleming, представена от John Ambrose Fleming две години по-рано. Вакуумната тръба се състояла от три компонента: анод, катод и контролна мрежа. Тя можела да контролира потока от електрони между анода и катода с помощта на мрежа и да действа като превключвател или усилвател.

 

 

Симулация на вакуум тръбата


Инженерите се интересували от функционалността на вакуумната тръба, но възнамерявали да открият алтернатива. Голяма колкото електрическа крушка, вакуумната тръба генерира огромно количество топлина и имало опасност да изгори за много кратко време. Тя изисквала много електричество и била бавна и обемна. Например, първият цифров компютър (на ENIAC) тежал над тридесет тона, консумирал 200 киловата електрическа енергия и съдържал около 19 000 вакуумни тръби, много бързо загрявал и непрекъснато горял, което го правело не много надежден.
Специален вид вакуумна тръба, изобретена през 1885 г., била наречена електронно лъчева тръба (Cathode Ray Tube – CRT). Изображенията се генерирали когато поток от електрони от катода достигнат фосфоресциращата андона повърхност. Практически тази тръба е показана през 1897 г., когато немският учен Ferdinand Braun представя CRT с флуоресцентен екран, известен като електроннолъчев (катодно лъчев) осцилоскоп. Екранът излъчва видима светлина, когато срещне сноп от електрони.
Това откритие е в основата на модерния телевизор. Когато през 1927 г. Philo Farnsworth представи дисектора на изображения, е показана първата 60 редова "растерно сканирана" картина. (Това било изображение на знака за долар.) Farnsworth е наречен един от най-великите изобретатели на всички времена, но той пострадал и за дълъг период от време бил в неизвестност, поради множество обстоятелства. RCA оспорва патентите на Farnsworth, получени през 1930 г. за технология, като телевизията например и въпреки, че той спечелил делото, то се проточило толкова, че неговите патенти изтекли и RCA започнала обществена кампания за представяне на един от техните инженери като действителния изобретател.  
Варианти на CRT били използвани в цялата история на компютърната графика, това било графичното устройство до избора на LCD дисплея 100 години по-късно. Трите основни вариации на CRT са векторен дисплей, на "storage tube" CRT (разработен през 1949 г.), както и растерния дисплей.


По време на Втората световна война, когато необходимостта от изчисляване на комплексни стойности, като например траекториите на оръжията и горивата, използвани от армията, подтикнали военните да подменят техните механични компютри, които давали грешки. Лейтенант Herman Goldstine Aberdeen Proving Grounds, се договаря с двама професори от Техническия Университет в Пенсилвания за разработване на цифрови устройства. На Dr. John W. Mauchly и J. P. Eckert, младши, професори в Университета, през 1943 г. бил възложен договор за разработване на предварителни проекти за този електронен компютър. ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) влизат в експлоатация в Moore School през 1944. Финалната версия излиза през есента на 1945 г. и е официално обявена през 1946 година.
ENIAC е прототип, от който произлизат повечето от съвременните компютри. Всички основни компоненти и концепции на съвременните цифрови компютри били включени в проекта. ENIAC знаел разликите в знаците на числата, можел да се сравнява числа, да събира и изважда, да умножава и дели, както и да изчислява квадратен корен. Неговите електронни акумулатори комбинират функциите на машина за събиране и за съхранение на части. Не съществувала централна памет.
Основната цел на конструкторите била да се постигне по-висока скорост, като се направи ENIAC възможно по-електронен. Единствените механични елементи в крайния продукт са всъщност външни за самия калкулатор. Това били IBM четец на карти на входа, перфокарта на изхода, както и 1500 свързани релета.
След доставката на прототипа на военните, Eckert и Mauchly основали фирма, за да продават компютъра. Възникнали спорове за това на кого принадлежат патентите за конструкцията и професорите били принудени да подадат оставка от факултета на университета. Концепцията за "трансфер на технологии" от университетски изследователски лаборатории към частния сектор, която се среща често днес, не е имала еквивалент в края на 40-те и дори в 80-те години.


Революцията в електрониката може да бъде проследена от успешната замяна на тръбата до откриването на транзистора през 1947 г. от екип на Bell Labs (Shockley, Bardeen и Brattain). Въз основа на полупроводниковите технологии, транзисторът, като и вакуумната тръба, функционират като превключвател или усилвател. За разлика от тръбата, транзисторът бил малък, имал много стабилна температура, бил бърз и много надежден. Поради малкия си размер и ниска температура, той можел да бъде вграден в много на брой малки пространства, което позволява значително да се намали размера на устройствата. Транзисторът все още трябвало да бъде запояван на ръка, така че се налагало още да се намалят размерите. Вездесъщото присъствие на транзистора се отразява на всички видове устройства със среден размер, от радиостанции до компютри, които били въведени през 50-те години. Следващият пробив, който повлиял сериозно на цялата микроелектроника дошъл през 1958 г. с откриването (независимо от две физически лица) на интегралната схема. Интегралната схема (integrated circuit – IC или чип), изобретена от Jack St. Clair Kilby от Texas Instruments и Robert Noyce от Fairchild Electronics, позволява на цялата верига (транзистори, кондензатори, резистори, кабели, ...) да бъдат направен от силиций на един комутатор. Бележки:
1. Следният текст е от Времето на 100 най-големи изобретателя:     

"Когато се случва това, [Vladamir] Zworykin бил направил заявка за патент през 1923, а след 1933 г.  разработил камерната тръба, която той нарича Iconoscope. Така се случило, че до тогава Zworykin бил свързан с американската Radio Corporation, чийто шеф Дейвид Sarnoff, нямал намерение да плаща хонорар на Farnsworth за правата за производство на телевизори. "RCA не плащат хонорари," се твърди, че казал той "Тя ги събира."
      И така там започнала правна битка за правата над изобретяването на телевизора. Адвокатите на RCA твърдели, че патентът на Zworykin от 1923 г. е базиран на някой от патентите на Farnsworth, включително и този за неговия Image Dissector – дисектор на образи. Положението на RCA не било стабилно, докато не успяла да представи доказателства, че през 1923г. Zworykin произвел един използваем телевизионен предавател. Нещо повече, старият учител от гимназията на Farnsworth, Justin Tolman, не само заявил, че Farnsworth замислял идеята още като ученик в гимназията, но и че направил оригиналната скица на електронната тръба по това време. Тази скица била почти точно копие на изображението на дисектора.
      През 1934 г. Патентното ведомство на САЩ излязло с решение, че присъжда приоритет на изобретението на Farnsworth. RCA обжалвали и загубили, но споровете по различните въпроси продължили още много години, докато Sarnoff накрая се съгласил да заплати хонорар на Farnsworth.
      Но това не продължило дълго. По време на Втората световна война, правителството спира продажбите на телевизори и до края на войната, ключовите патенти на Farnsworth почти изтекли. Когато това станало, RCA побързали да поемат отговорността за производството и продажбите на телевизори, а различни обществени кампании, представяли и двамата Zworykin и Sarnoff като бащи на телевизията."



2. ENIAC патентите (обхващащи основните патенти, свързани с конструирането на електронни цифрови компютри), били подадени през 1947 г. от John W. Mauchly and J. Presper Eckert, започвали дейността си от Техническия университет Moore School и  Университета в Пенсилвания. През 1946 г., Eckert and Mauchly напуснали Moore School и формирали свое собствено търговско дружество за компютри, Electronic Control Company, което по-късно влязло в Eckert-Mauchly Computer Corporation. През 1950 г. Remington Rand придобили Eckert-Mauchly, както правата на ENIAC патента преминали към Sperry Rand в резултат от сливането на Sperry Corporation и Remington Rand през 1955 г. След като патентът е издаден на Sperry Rand Corporation през 1964 г., корпорацията искала хонорари (за авторски права) от всички основни участници в компютърната индустрия. От Honeywell отказали да сътрудничат, но през 1967 г. Sperry Rand подали иск да нарушение на патента срещу Honeywell. Honeywell реагирали още същата година с антитръстови такси, тъй като кръстосаното лицензионно споразумение Sperry Rand-IBM било заговор за монопол в компютърната промишленост, а също и с твърдения, че ENIAC патентите били закупени с измама и невалидни.



  
_______________________________________