Айвен Сазерленд — создатель VR и компьютерной графики

16 мая исполнилось 85 лет Айвену Сазерленду — человека, который стоял у истоков компьютерной графики и виртуальной реальности. Отмечаем день рождения ученого переводом статьи историка Дэвида Брока о нем.

Айвен Сазерленд всегда был многосторонним человеком. Его интересовали многие разделы компьютерных наук — взаимодействие человека и компьютера, компьютерная графика, виртуальная реальность, трехмерная графика, асинхронные системы. Важно то, что у этих разнообразных интересов есть общий знаменатель.

Этот знаменатель — геометрия. С юности Сазерленд обладал необычайно сильным пространственным, геометрическим мышлением. Чтобы нарисовать перспективу, нужно уметь, изображать трехмерные предметы на двухмерной плоскости. Такие рисунки можно выполнить разными способами, которые определяются количеством центров перспективы. Вместе центры перспективы определяют точку зрения наблюдателя. Одноточечная, двухточечная и трехточечная перспективы сильно отличаются друг от друга, давая различные способы понимания изображаемой сцены.

Эта смена точек зрения, способность взглянуть на что-то под новым и неожиданным углом, а затем интегрировать эту новую перспективу с предыдущими, кажется мне связующим звеном между пространственным мышлением Сазерленда и его вкладом в компьютерные науки. Это связующее звено — способность найти новую точку зрения на предмет, посмотреть на него, а затем исследовать, как эта точка зрения может изменить сам предмет с помощью новых решений и направлений.

Ключевое влияние на Айвена Сазерленда и его брата Берта оказало общение с двумя пионерами компьютерные наук — Эдмундом Беркли и Клодом Шенноном. Благодаря этому судьба обоих братьев оказалась связана с компьютерами.

Еще учась в начальной школе, Айвен познакомился с Эдмундом Беркли через знакомого своей матери. В то время Беркли зарекомендовал себя как ведущий автор, издатель и консультант по новому миру цифровых компьютеров. В его офисе братья Сазерленды увидели разработанного Беркли робота-белку, который ориентировался по источнику света.

Дома братья тоже строили роботов, ищущих источник света. Находить детали им помогал их отец, который был инженером. Родители были рады помогать сыновьям удовлетворять свое любопытство. Отец даже приобрел для них «компьютер» — списанный прицел Sperry P4, который вычислял траекторию полета снаряда в зависимости от скорости и расстояния до цели.

Будучи студентом сначала инженерного факультета Технологического института Карнеги (сегодня это Университет Карнеги-Меллон), а затем Калтеха, Сазерленд продолжал разрабатывать и строить более совершенных роботов. Причина? Эстетика. Для Сазерленда инженерия имела важное эстетическое значение. Красота и простота привлекали его в работе инженера. «На самом деле, я считаю, что инженерия и искусство очень тесно связаны», — объяснял он.

Также, в офисе Беркли братья Сазерленды имели возможность поработать с его новым изобретением — очень простым и недорогим компьютером «Саймон». В отличие от огромных вычислительных машин на электронных лампах, «Саймон» был компактным и работал на нескольких реле — простых электрических переключателях. Несмотря на это, компьютер был способен выполнять математические и логические операции.

Кроме того, «Саймона» можно было программировать, используя перфоленту. В 1950-х годах, во время учебы в школе, Айвен разработал программу для «Саймона», которая позволяла выполнять деление. Для такой скромной машины это было настоящим достижением.

Через Беркли братья Сазерленды познакомились и с Клодом Шенноном, известным разработкой теории информации. Будучи способным теоретиком, Шеннон был не чужд практической работы. Во время посещения офиса в Bell Telephone Laboratories Шеннон показал братьям свое изобретение — «Тезея».

«Тезей» состоял из небольшого лабиринта на крышке ящика, в котором были магниты и реле, подобные «Саймону» Беркли. Благодаря действию реле и магнитов игрушечная мышь могла найти путь через лабиринт и затем «запомнить» успешный маршрут. Братья Сазерленды были впечатлены этим ранним примером искусственного интеллекта, но воссоздать его им не удалось.

После окончания Технологического института Карнеги в 1959 году Айвен Сазерленд отправился в Калтех, чтобы получить степень магистра в области электротехники. Там его пригласили на обед с Марвином Мински и Оливером Селфриджем, двумя ключевыми фигурами в области компьютеров и ИИ в Массачусетском технологическом институте. За обедом Сазерленд слушал рассказы увлеченных Мински и Селфриджа о компьютерных разработках в MIT. К радости Сазерленда, в MIT перешел на работу и Клод Шеннон. Сазерленд сразу решил поступить в аспирантуру MIT, а Шеннон согласился стать его научным руководителем.

В MIT Сазерленд познакомился с Уэсли А. Кларком, разработчиком и создателем чрезвычайно мощного экспериментального компьютера TX-2. Кларк включил в TX-2 две важнейшие инновации: высокоскоростные транзисторы и память большого объема на магнитных сердечниках. Эта машина должна была дать ценные уроки по использованию, возможностям и потенциалу этих новых технологий.

Кларк считал, что TX-2 способна воплотить в жизнь новый вид вычислений. Как объясняет Сазерленд, «Уэс считал TX-2 окном в будущее вычислительной техники, в котором у каждого был свой собственный компьютер». Сазерленд предложил использовать TX-2 для создания программного обеспечения для черчения. Не раздумывая, Кларк предоставил ему доступ к машине.

Шестьдесят лет назад, в январе 1963 года, Сазерленд защитил докторскую диссертацию по системе Sketchpad, созданной им на TX-2. С ее помощью пользователь мог интерактивно и в реальном времени делать рисунки на экране, используя световое перо для ввода данных. Sketchpad предоставлял множество различных возможностей для работы с изображениями, включая автоматическое дорисовывание фигур, изменение размеров, возможность копирования и повторения элементов.

Sketchpad представлял собой нечто большее, чем просто новый способ создания рисунков. Как писал Сазерленд в своей диссертации, «Sketchpad позволяет человеку и компьютеру быстро общаться посредством изображений. До сих пор большинство взаимодействий между людьми и компьютерами замедлялось из-за необходимости сводить все общение к письменным запросам; в прошлом мы писали письма, а не общались с нашими компьютерами.... Sketchpad... открывает новую эру общения человека и компьютера».

После окончания MIT Сазерленд отправился служить в американскую армию — сначала в Агентстве национальной безопасности, где он продолжал работать над компьютерной графикой, а затем в качестве второго директора Офиса технологий обработки информации Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США. Сазерленду не было и тридцати, когда он стал преемником Дж. К. Р. Ликлайдера, который создал это подразделение и был одним из главных экспертов по поддержке исследований в области информатики и искусственного интеллекта в США.

Сазерленд не только продолжил многие проекты Ликлайдера, но и добавил свои собственные разработки. Он поддержал новые усилия Кларка, который к тому времени перешел из MIT в Университет Вашингтона в Сент-Луисе. Кларк создал небольшой инновационный компьютер LINC, предназначенный для индивидуального пользователя и особенно подходящий для биомедицинских исследований в режиме реального времени. Кларк перевел свой проект и команду в Сент-Луис.

Теперь Кларк представлял себе совершенно новый подход к проектированию компьютеров. Компьютеры будут собираться из отдельных блоков, каждый из которых будет выполнять определенную функцию. Таким образом, компьютеры можно собирать индивидуально и приспосабливать под разные задачи. Кларк назвал этот подход макромодульным. Сазерленд выделил финансирование для этого проекта.

Этот новый подход стал радикальным шагом в разработке вычислительных систем. В большинстве компьютеров все операции координировались, следуя регулярному ритму — тактовой частоте. Для макромодульного подхода требовался иной, асинхронный подход к синхронизации операций. Впоследствии проблемы и возможности асинхронных систем стали основной страстью и предметом внимания Сазерленда.

После работы в Агентстве перспективных исследовательских проектов Сазерленд получил постоянную должность в Гарвардском университете. Там он сделал шаг от двухмерных возможностей Sketchpad до трехмерной графики и нового интерфейса для ее восприятия. Он создал лабораторию для разработки трехмерной графики, а также носимого 3D-дисплея. Дисплей был интерактивным — он изменял отображение трехмерной сцены в зависимости от направления взгляда пользователя. К концу 1960-х годов уже была создана функциональная система. Этот проект часто упоминается как ранняя веха в истории виртуальной реальности.

В 1968 году Сазерленд перешел в Университет штата Юта и стал соучредителем новой компании, занимавшейся разработкой трехмерной компьютерной графики. Ключевым партнером Сазерленда в обеих сферах деятельности был Дэвид К. Эванс, опытный исследователь компьютеров. Эванс создавал в Университете штата Юта факультет компьютерных наук, специализирующийся на трехмерной компьютерной графике. Трехмерной графикой занималась и их с Сазерлендом компания, Evans & Sutherland. Она быстро перешла к производству рабочих станций для создания трехмерной графики, начав с LDS-1, а затем перейдя к очень успешной Picture System. Другие их продукты стали важными для компьютерной анимации и обучения военных пилотов.

Сазерленд и Эванс создали в Юте удивительно продуктивное и творческое сообщество студентов, которые впоследствии стали соучредителями компаний Adobe, Pixar и Silicon Graphics.

Опыт, полученный Сазерлендом во время работы в Юте, составляет лишь первую половину его истории в области вычислительной техники и инженерии. За ней следуют еще один стартап, карьера преподавателя в Калтехе, революция в разработке микрочипов VLSI, проект шагающего робота в Карнеги-Меллон, венчурное инвестирование, консалтинговая фирма, ставшая основой Sun Laboratories, и новый вклад в асинхронные системы, который продолжается и по сей день в Университете штата Портленд.

Недавно Музей компьютерной истории записал с Сазерлендом интервью в двух частях. Интервью были созданы благодаря коллеге Сазерленда Бобу Спроуллу при участии Марка Вебера, Джима Уолдо и Дэвида Брока, автора этой статьи.