Jak nauczyliśmy maszyny liczyć i myśleć za nas? Historia grafiki komputerowej

Do tego, że komputery operują dziś obrazami, zdążyliśmy się już tak bardzo przyzwyczaić, że wręcz nie wyobrażamy sobie, by mogło być inaczej. Tymczasem dla pierwszych użytkowników komputerów było z kolei nie do pomyślenia, żeby komputer mógł pobrać obraz albo go w dobrej jakości wyprodukować. Komputery operowały najpierw na liczbach, a potem także na tekstach, ale przez bardzo długi czas nie było możliwości wprowadzenia do komputera obrazu, na przykład zdjęcia, ani nie było narzędzi, które by pozwoliły pokazać tworzony czy obrabiany przez komputer obraz na ekranie, czy go wydrukować. Znam to bardzo dobrze, bo w latach 70. XX w. budowałem pierwszy w Polsce i jeden z pierwszych w Europie systemów komputerowych przystosowanych do obróbki obrazów, przedstawiony na zdjęciu, i zmagałem się z tymi trudnościami. Jednak mój system nazwany CESARO (Cyfrowy Eksperymentalny System Analizy i Rozpoznawania Obrazów) nie zapisał się w historii, natomiast owa historia grafiki komputerowej jest ciekawa, zachęcam więc Państwa do jej poznania.

Pierwsze rysunki z samych kresek

Pierwsze komputerowo generowane rysunki uzyskano w ramach projektu o nazwie Whirlwind. Projekt ten, zapoczątkowany w roku 1950, był stosunkowo mało znany, ponieważ służył do celów wojskowych (miał związek z systemem obrony powietrznej USA o nazwie SAGE) i na długi czas go utajniono. Obrazki w systemie Whirlwind były tworzone z odcinków linii prostej kreślonych przez strumień elektronów na fluoryzującym ekranie, gdzie mogły być oceniane wizualnie przez twórcę programu sterującego ruchami tych elektronów. Wiązkę elektronów można było dowolnie włączać (wtedy kreśliła odcinek na ekranie) albo wyłączać i wtedy przejście do nowej pozycji wyznaczonej przez nowe wartości natężenia pól elektrycznych lub magnetycznych kierujących elektronami w lampie obrazowej nie pozostawiało śladu na ekranie.

Obraz – po stwierdzeniu, że jest poprawny – można było utrwalić, stosując ploter, elektromechaniczne urządzenie, które mogło przemieszczać pisak nad powierzchnią papieru, dokładnie tak samo jak wiązkę elektronów na ekranie. Pisak podczas tego przemieszczania mógł być elektromagnetycznie opuszczony (i wtedy ruch pozostawiał ślad w postaci kreski na papierze) albo podniesiony – w czasie przesuwania do nowej pozycji, gdzie powinien powstać następny element rysunku.

Wszystkie te ruchy musiały być dokładnie zaprogramowane, dlatego twórca takiej grafiki komputerowej musiał się bardzo natrudzić, żeby opisać w komendach programu wszystkie potrzebne ruchy, kreski i przemieszczenia. W efekcie chętnych do korzystania z tej techniki było niewielu. W dodatku monitory z fluoryzującymi ekranami były drogie, plotery też. Tę technikę mogło więc stosować wojsko, które zawsze miało pod dostatkiem pieniędzy i ludzi do pracy, natomiast do powszechnego zastosowania w tamtych czasach nie doszło.

Na początku było... pióro świetlne

Uciążliwość tworzenia grafiki komputerowej starano się zmniejszyć, stosując metody odręcznego szkicowania rysunków (z możliwością ich poprawiania przez komputer). Jednak w czasach, kiedy nie było jeszcze myszki ani ekranu dotykowego (historię tych urządzeń opisuję w: „Rzecz o Historii”, 3 grudnia 2021 r.), rysowanie czegokolwiek na komputerze nie należało do łatwych zadań. Rozwiązanie (dalekie jeszcze od doskonałości) zostało zaproponowane w 1963 r. przez Ivana Sutherlanda. Wymyślił sposób rysowania na ekranie komputera za pomocą tzw. pióra świetlnego.

Jak się z niego korzystało? Stosowane w owym czasie monitory ekranowe działały na zasadzie sterowanego cyfrowo kineskopu (lampy elektronowej, używanej wtedy powszechnie w telewizorach). Obecnie ta technika jest już zarzucona, ponieważ zarówno w monitorach komputerowych, jak i w telewizorach stosuje się płaskie ekrany LED. Ale w czasie, kiedy wymyślono pióro świetlne, obraz na monitorze komputerowym powstawał w ten sposób, że w próżniowej lampie zwanej CRT wiązka elektronów sterowana polem magnetycznym przebiegała po wewnętrznej powierzchni ekranu. To skanowanie ekranu było systematyczne. Przy każdym kolejnym obrazie zaczynało się od lewego górnego rogu. Potem wiązka elektronów przemieszczała się w prawo, biegnąc po ekranie wzdłuż poziomej linii. Po dotarciu wiązki do prawego brzegu ekranu następował błyskawiczny przeskok do lewego marginesu z niewielkim przesunięciem w dół – i skanowana była kolejna linia, poniżej tej wcześniejszej. Trochę przypominało to czytanie przez Państwa tego tekstu – od lewej do prawej, z góry na dół, wiersz po wierszu.

Miejsce na ekranie, w które w danym momencie uderzał strumień elektronów, dawało krótki błysk światła, ponieważ wnętrze ekranu pokryte było luminoforem, specjalną substancją świecącą pod wpływem tego elektronowego „bombardowania”. Wyświetlanie konkretnych informacji polegało na tym, że w wybranych momentach strumień elektronów otrzymywał dodatkowy zastrzyk energii i – silniej uderzając w ekran – tworzył jasno świecącą kropkę. Z milionów takich kropek tworzyły się na całym ekranie litery tekstów i fragmenty rysunków. Bezwładność ludzkiego oka powodowała, że użytkownik komputera nie widział pojedynczych krótkich błysków, tylko cały ekran, na którym świeciły się napisy i rysunki.

Na początku stosowano luminofory świecące na zielono, bo to podobno kolor zdrowy dla oczu i uspokajający, ale to nie był dobry pomysł, bo czułość oka dla barwy zielonej jest niewielka i monitor musiał świecić dość jaskrawo, by zapewnić zawartości czytelność. Ale potem zmieniono luminofor na taki, który świecił miłym żółtym światłem i litery widać było jako żółte (bursztynowe, bo ten typ monitora nazywano „amber”) na intensywnie czarnym tle. Uwielbiałem te monitory po latach mordęgi z tymi zielonymi!

Ekran monitora CRT był stale przemiatany wiązką elektronów poruszającą się według ściśle znanego schematu czasowego. Wymyślono więc bardzo proste urządzenie w kształcie pióra, w istocie będące czułą fotokomórką. Przykładając to urządzenie do ekranu monitora, otrzymywaliśmy impuls elektroniczny, ilekroć w punkt, do którego przyłożono owo pióro świetlne, uderzała wiązka elektronów. Nieważne, czy wiązka była silna, jak w przypadku fragmentu tekstu, czy słaba, jak w przypadku tła. Ważne, że zawsze można było ją wykryć. Rejestrując moment pojawienia się tego impulsu w fotokomórce i porównując go ze znanym schematem czasowym omiatania wiązką elektronów całego ekranu, można precyzyjnie ustalić, które miejsce na ekranie zostało wskazane. Dziś to samo osiągamy kursorem myszki albo dotknięciem ekranu, ale w latach 50. XX w. tych udogodnień jeszcze nie było.

Pierwsze pióra świetlne zastosowano w 1957 r. w MIT na komputerze Lincoln TX-0, ale nie odegrały istotnej roli w rozwoju informatyki. Dopiero stworzenie w 1963 r. przez Ivana Sutherlanda programu Sketchpad pozwoliło rysować na ekranie różne przedmioty, przemieszczać je, kopiować i usuwać – wszystko za pomocą pióra świetlnego.

Historia skanerów

Opisane wyżej urządzenia działały na zasadzie grafiki wektorowej. Obraz opisywano jako zbiór odcinków, łuków, kół lub innych krzywych, których położenie i rozmiary były pamiętane i mogły być odtworzone w dowolnej skali (powiększanie obrazu nie powodowało utraty jakości).

Jednak wcześniej używano już urządzeń przesyłających obraz do komputera – w postaci grafiki rastrowej. W tym rodzaju grafiki powierzchnia obrazu jest dzielona na dużą liczbę punktów (pikseli) i w pamięci komputera zapisywane są wartości jasności (a czasem także barwy) każdego piksela. Tak działają obecnie skanery, ale także np. cyfrowe aparaty fotograficzne. Zaletą grafiki rastrowej jest prostota wszystkich urządzeń działających na tej zasadzie, a wadą to, że przy powiększaniu jakość obrazu się pogarsza.

Czytaj więcej

Technologie

Maszyna może już czytać ludzkie myśli. Niezwykły eksperyment w Ameryce

Naukowcy z Uniwersytetu Teksańskiego w Austin nauczyli komputer czytać ludzkie myśli. Wszystko za pomocą sztucznej inteligencji.

Do pozyskiwania obrazów rastrowych używane były (i są) skanery będące bezpośrednią kontynuacją urządzeń telefoto. Używano ich od... 1860 r. do przesyłania obrazów przez telegraf. Pierwszymi obrazami były twarze złoczyńców poszukiwanych listami gończymi, czasem jakieś rękopisy, rzadziej mapy. Twórcą odpowiedniego urządzenia (nazwanego po włosku pantelegrafo) był Giovanni Caselli. Używano go przez ponad pół wieku. Doskonalszą wersję systemu do przesyłania fotografii linią telefoniczną opracował Édouard Belin w 1913 r. Z urządzeń według jego pomysłu, nazwanych Bélinographe, korzystano aż do połowy lat 90. XX wieku!

Nic dziwnego, że mając urządzenia przetwarzające obraz na sygnał elektryczny, informatycy bardzo szybko zaczęli ten sygnał elektryczny pomysłowo wprowadzać do komputera. Pierwszym, który to uczynił w 1957 r., był pracownik amerykańskiego NBS Russell A. Kirsch. Użył tzw. skanera bębnowego (wprowadzany do komputera obraz musiał być nawinięty na obrotowy bęben). Zeskanowany obraz miał rozmiar 176 x 176 pikseli przy rozmiarach obrazu 5 x 5 cm. Łatwo wyliczyć, że jego rozdzielczość według dziś stosowanych jednostek wynosiła 88 DPI. Obecnie popularne skanery zapewniają przynajmniej 300 DPI, a specjalne nawet do 24 tys. DPI. Widać więc, jaki tu został poczyniony postęp.