Jak nauczyliśmy maszyny liczyć i myśleć za nas?

Komunikacja użytkowników z pierwszymi komputerami odbywała się metodą alfanumeryczną, to znaczy polecenia człowieka kierowane do maszyny miały formę tekstów – początkowo dziurkowanych na taśmach papierowych lub kartach perforowanych, a potem wpisywanych wprost z klawiatury. Ówczesnych informatyków (do których ja też się zaliczałem) to całkowicie zadowalało, bo nie wyobrażali sobie, że mogłoby być inaczej.

A jednak obecnie jest inaczej. Opowiem, jak do tego doszło.

Prapoczątki GUI – graficznego interfejsu użytkownika

Człowiek jest wzrokowcem i chętnie operuje obrazami. O ile jednak użycie obrazu do przesłania informacji od komputera do człowieka nie nastręczało trudności, bo grafika komputerowa, czyli zbiór metod generowania przez komputer różnych obrazów, powstała i rozwinęła się bardzo wcześnie – o tyle użycie obrazu do komunikacji od człowieka do komputera nie było banalne. Pierwszym systemem, w którym wykorzystano koncepcję okien, czyli wielu obszarów zawierających różne informacje na jednym ekranie komputera, było SAGE – półautomatyczne środowisko naziemne służące do zbiorczego przedstawiania informacji o przestrzeni powietrznej USA na podstawie danych z wielu stacji radarowych. Jego głównym zadaniem było wykrycie radzieckiego ataku lotniczego na USA i kierowanie obroną. Na szczęście do tego celu system ten nigdy nie musiał być użyty, chociaż – jak wyliczono – kosztował więcej niż Projekt Manhattan, w wyniku którego Amerykanie stworzyli pierwsze bomby atomowe, zrzucili je na Hiroszimę i Nagasaki, i w ten sposób zakończyli II wojnę światową. Oczywiście szczegóły budowy i działania tego systemu były tajne, ale idea wielu okien przedostała się do środowisk informatycznych i zainspirowała pierwsze prace nad cywilnymi GUI.

Naukowcem, który zbudował pierwszy cywilny system graficznej interakcji człowiek–komputer, był Ivan Edward Sutherland. W ramach swojej pracy doktorskiej w 1963 r. stworzył program Sketchpad, który był pierwszym działającym systemem graficznej komunikacji między człowiekiem a komputerem. Do przekazywania informacji graficznych od człowieka do komputera służyło tzw. pióro świetlne – urządzenie wykrywające miejsce, w którym człowiek dotknął ekranu owym piórem. To wykrycie było możliwe, ponieważ monitory ekranowe działały wtedy w ten sposób, że obraz był rysowany wiązką elektronów formowaną w próżniowej lampie kineskopowej (opisywanej skrótem CRT). Wiązka ta przemiatała cały ekran punkt po punkcie i linia po linii, dlatego wykrycie miejsca, w którym pióro świetlne przyłożono do ekranu, było możliwe na podstawie ustalenia momentu pojawienia się błysku świetlnego pochodzącego od tej wiązki elektronów w tym właśnie miejscu, gdzie owo pióro przyłożono. Dzisiaj byłoby to niemożliwe, bo powszechnie używane monitory typu LED nie tworzą obrazu w taki sposób, ale w latach 60. pióro świetlne było bardzo użytecznym uzupełnieniem klawiatury. Sam go używałem przy testowaniu komputerów Odra 1204 w 1970 r. w Elwro. Ale dzisiaj wszyscy używamy myszki.

Jak wynaleziono myszkę?

Koncepcja myszki komputerowej krystalizowała się powoli. Jej „pradziadkiem" był tzw. trackball, manipulator kulowy wynaleziony w 1941 r. przez Ralpha Benjamina. Początkowo służył on do celów wojskowych (obrony przeciwlotniczej) i był tajny, ale po wojnie wynalazek odtajniono i w 1947 r. Benjamin uzyskał cywilny patent. Ruchem kursora na ekranie sterowała w nim umieszczona na odpowiedniej podstawce kulka, którą użytkownik mógł swobodnie obracać we wszystkie strony. Nad podobnym rozwiązaniem pracowali również Kanadyjczycy w ramach projektu DATAR, ale ich wyniki pozostały do końca tajne, nie przyczyniły się więc do rozwoju informatyki jako takiej.

Produkcją manipulatorów kulowych zajęła się niemiecka firma Telefunken, która 2 października 1968 r. wypuściła produkt o nazwie Rollkugel będący urządzeniem typu trackball, przystosowanym do pracy z komputerami firmy Telefunken (modele TR 86 i TR 440), ale także do wspomagania pracy kontrolerów lotu na lotniskach. Urządzeń typu trackball do dzisiaj chętnie używa się np. w ultrasonografach, bo mają liczne zalety, ale z większości zastosowań wyparła je znana powszechnie myszka.

Pierwsze myszki były jak gdyby odwróconymi urządzeniami typy trackball. Odwróconymi, bo miały formę trzymanego ręką pudełka, w którego dolnej ściance wycięto otwór, a w nim umieszczono obracającą się kulkę, która toczyła się po stole, gdy użytkownik przesuwał pudełko. Pierwszą taką myszkę zbudował w 1960 r. Douglas Engelbart pracujący wspólnie z inżynierem Billem Englishem w firmie SRI International. Opatentował on swój wynalazek w listopadzie 1970 r., ale ani wynalazca, ani firma nie dostali za niego złamanego grosza, bo w latach 70. użytkownicy komputerów mainframe nie potrzebowali takiego manipulatora jak myszka, a z kolei gdy „wybuchła" era komputerów osobistych, w których myszka jest jednym z głównych elementów wyposażenia, patent SRI już wygasł.

Kulka tocząca się „pod brzuchem" myszki była na początku istnienia tych urządzeń tak ważna, że gdy myszki zawędrowały do Polski, to próbowano lansować dla nich nazwę „manipulator stołokulotoczny". Na szczęście prosta i sympatyczna nazwa „myszka" zyskała powszechne uznanie – i dobrze, bo obecnie produkowane myszki już nie mają kulki, tylko ruchy myszki śledzi (i przekazuje do komputera) czujnik laserowy.

Początkowy brak uznania

Gdy Douglas Engelbart wynalazł myszkę, środowisko informatyków przyjęło ten wynalazek obojętnie, bo myszka miała sens w przypadku stosowania GUI – graficznego interfejsu użytkownika, a we wczesnych latach 70. XX w. dominowały interfejsy alfanumeryczne. Można w przenośni powiedzieć, że wynaleziono już nowy sposób przemawiania do komputera, ale komputery nie miały jeszcze „ucha", żeby tę przemowę usłyszeć.

Pierwsze zastosowania myszki związane są z firmą Xerox. Po raz pierwszy użyto tam myszki w wyposażeniu komputera Xerox Alto w 1973 r. Nie zrobiło to jednak na nikim specjalnego wrażenia. W 1981 r. w myszkę i graficzny interfejs użytkownika wyposażono komputer Xerox 8010. Trudziło się nad tym wiele osób: Alan Kay, Larry Tesler, Dan Ingalls, David Smith, Clarence Ellis. Wymyślono okna, ikony, kursor, rozwijalne menu, otwieranie, zamykanie i przenoszenie plików za pomocą myszki. Ale znowu był to komputer, który miał stosunkowo niewielu zwolenników. Produkcję seryjną myszek podjęła firma The Mouse House, ale nie sprzedawały się wtedy zbyt dobrze, do czego przyczyniła się z pewnością cena: myszka kosztowała wtedy 415 USD, a więc dużo (wartość nabywcza dolarów w latach 80. XX w. była znacznie większa niż obecnie). Również pomysł firmy Apple, która w styczniu 1983 r. zaprezentowała komputer osobisty Lisa z GUI i myszką, okazał się niewypałem. Ludzie masowo kupowali wtedy znacznie mniej zaawansowane komputery Apple II (bez myszki), a Lisy (z myszką) nie chcieli.

Mocne wejście firmy Microsoft

Przełom nastąpił w 1983 r. Wtedy to Microsoft wypuścił pierwszą wersję programu do edycji tekstów o nazwie Word, który działał wprawdzie pod alfanumerycznym systemem DOS, ale przewidywał użycie myszki, która przy edycji tekstów jest szczególnie przydatna. Sprzedaż myszek wzrosła, ale firma The Mouse House miała bardzo krótko powód do radości, bo Microsoft w tym samym roku wprowadził na rynek myszkę własnej produkcji, zwiększając zakres swego działania: obok głównej części produkującej oprogramowanie pojawiła się część sprzętowa pod nazwą Microsoft Hardware.

Liczba użytkowników myszek wzrosła, gdy wyprodukowano komputery wykorzystujące graficzny interfejs użytkownika (GUI): najpierw w 1984 r. bardzo udany Mackintosh firmy Apple, potem – w 1985 r. – Amiga i Atari ST, a na końcu system Windows firmy Microsoft, który otworzył GUI dla niezliczonej rzeszy użytkowników komputerów klasy PC. Dzisiaj trudno sobie wyobrazić komputer bez myszki, jakkolwiek w komputerach mobilnych rolę myszki najczęściej przejmują touchpad albo ekran dotykowy.

Dotyk jako sygnał

Dobrze jest mieć pod ręką myszkę, ale gdy jej nie ma – np. przy obsłudze smartfona – to można się posłużyć po prostu palcem. Jest to możliwe, gdyż powstały i zostały bardzo udoskonalone ekrany dotykowe. Zamiana dotyku na sygnał dla komputera możliwa jest na kilka sposobów, jest więc też kilka równoległych wątków w historii powstania i rozwoju tego wynalazku. Najwcześniej chyba powstały urządzenia działające na zasadzie pojemnościowej. Zbliżony do ekranu palec użytkownika staje się elementem kondensatora, którego pozostałymi elementami są fragmenty wyświetlacza. Tę ideę jako pierwszy opisał (w 1965 r.) Anglik Eric Johnson z Royal Radar Establishment, a rozwiązanie to stosowane było w radarowej kontroli ruchu lotniczego. Ekran dotykowy działający na zasadzie zmiany rezystancji przy dotyku opracował w 1971 r. pracownik Uniwersytetu Kentucky, Sam Hurst.

Tę technologię wykorzystywała założona przez Hursta firma Elographics, która w 1974 r. zaczęła sprzedawać oparte na tym pomyśle sensory dotykowe. Trzy lata później firma ta opatentowała technologię five-wire resistive, która jest najbardziej popularnym rozwiązaniem stosowanym w dzisiejszych ekranach dotykowych. Warto dodać, że w tym samym czasie, w jakim powstała pierwsza koncepcja Hursta, podobne rozwiązanie opracowali Frank Beck i Bent Stumpe, inżynierowie z CERN (Europejska Organizacja Badań Jądrowych). Ich rozwiązanie było nawet lepsze niż Hursta, bo panel dotykowy był przezroczysty. Firma Elographics taki przezroczysty sensor pokazała po raz pierwszy w 1982 r. Ale Beck i Stumpe swojego wynalazku nie komercjalizowali, podczas gdy Hurst robił to perfekcyjnie.

Podczerwień w akcji

Obok ekranów dotykowych, działających na zasadzie zmian (w wyniku dotyku) parametrów elektrycznych ekranu (pojemność albo rezystancja) duże znaczenie mają dotykowe ekrany optyczne. Zasada jest prosta: po jednej stronie ekranu są źródła równoległych podczerwonych promieni, a po drugiej – detektory wykrywające, czy taki promień doszedł do celu, czy napotkał przeszkodę. Gdy taką siatkę podczerwonych (niewidocznych dla oka) promieni ułoży się zarówno w pionie, jak i w poziomie na tle ekranu, to można niezawodnie wykryć, w którym miejscu coś się zbliżyło do ekranu. Tę zasadę działania ekranu dotykowego opatentowała w 1972 r. grupa pracowników i studentów Uniwersytetu Illinois. Zbudowali oni taki ekran dotykowy dla systemu komputerowego nauczania o nazwie Plato IV. Ekran ten był potem produkowany przez firmę Meganvox i cieszył się dużym powodzeniem właśnie w systemach elektronicznego nauczania.

Do komputera ekran tego typu zastosowała po raz pierwszy firma Hewlett-Packard w 1983 r. Maszyna HP-150 była w tym zakresie pionierskim rozwiązaniem, przegrała jednak z gorszymi, lecz tańszymi komputerami kompatybilnymi z IBM PC.

Technika ekranów dotykowych spotkała się z dużym uznaniem w Japonii, ponieważ pozwalała na korzystanie z sytemu znaków kanji, które przy użyciu zwykłej klawiatury komputera były trudne do wygenerowania. Wykorzystała to w 1984 r. firma Fujitsu, wypuszczając wyposażony w ekran dotykowy komputer Micro 16, a następnie w roku 1985 firma Sega w komputerze SC-3000 oraz w konsoli do gier wideo SG-1000.