Что такое световое перо? Предок современного стилуса?

Хороший вопрос. Шестьдесят лет назад операторы ЭВМ пользовались им точно так же, как мы сегодня стилусом: тыкали в экран, чтобы отметить самолёт-нарушитель, набросать чертеж детали для будущего самосвала или поставить точку на графике. На первый взгляд — два поколения одной и той же идеи.

Но при общей задумке механика работы у них совершенно разная. Стилус просто просто отмечает место «тыка» на сенсорном экране. А световое перо… Впрочем, давате я расскажу всю историю этого удивительного гаджета, а заодно и про принцип его действия.

Еще вы узнаете, почему на современных мониторах классическое световое перо бесполезно. И, скорее всего, удивитесь: есть шанс, что вы сами держали его в руках и даже не подозревали об этом.

Немного вводных

Начну с главного недоразумения. По названию кажется, что перо светит. Ну логично же: «световое» — значит, испускает свет, как, например, лазерная мышка. Логично?

Логично. Только все наоборот. Перо не светит, перо считывает.

Наконечник светового пера — это не стилус. Это коллиматор (система линз и диафрагм), который пропускает свет с очень маленького участка экрана. За коллиматором стоит фотоэлемент (миниатюрный фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) или быстрый фотодиод). Электронный луч в ЭЛТ рисует картинку построчно, слева направо, сверху вниз и именно ее считывает чувствительный элемент пера.

Важно понимать: в любой конкретный момент времени светится только одна точка на всем экране (там, куда ударил луч и возбудил люминофор). Все остальное изображение — это инерция нашего зрения и послесвечение люминофора. Глаз этого не замечает, для нас на экране ровная картинка. Единственный артефакт, который мы в состоянии отметить: мерцание экрана. 

И вот тут самое интересное. Фотоэлемент в пере фиксирует ровно тот миг, когда луч пробежал под его кончиком. 

Дальше используется простая арифметика. На векторных дисплеях машина определяет, какую точку она рисовала, когда перо зафиксировало вспышку. На растровых — считает время: сколько микросекунд прошло от начала строки и от начала кадра. Из этого времени определяется точка, над которой находится перо и вычисляется, куда вы тычете.

Люминофор светится не мгновенно и гаснет не сразу. Если просто смотреть на яркий белый фон, фотоэлемент будет залит светом послесвечения и сигнал превратится в непрерывный гул. Для борьбы с этим использовали сложные схемы стробирования и дифференцирования. Но суть в том, что нам важно зафиксировать только передний фронт импульса — момент начала свечения, а не плато послесвечения.

Из этого принципа следуют сразу два ограничения. 

Во-первых, перо работает только там, где что-то светится. Ткните им в черную область экрана — и не зафиксируете ничего. Первоначальное позиционирование пера обязательно должно начинаться с яркой области. 

Во-вторых — и это важно для всей дальнейшей истории — оно намертво привязано к электронно-лучевой трубке. Уберете бегающий луч — пропадет сам механизм позиционирования пера относительно экрана. Запомните этот пункт, мы к нему еще вернемся.

На пере обычно была кнопка, иногда две — нажимаете, и программа понимает, что вы не просто водите, а «кликаете». В сущности, мышь с ее левой и правой кнопкой переизобрела ровно этот принцип, только зайдя с совершенно другой стороны.

Какие бывали перья

Несмотря на то, что внешне перья выглядели относительно одинаково (ручка с проводом), у них были вариации.

Первое: деление по типу экрана. Как мы помним, они могли быть векторными и растровыми. Перу все равно, на чем ловить вспышку, но математика нахождения луча в этих двух случаях разная. Ранние серьезные системы — военные, инженерные — чаще были векторными. Домашние компьютеры восьмидесятых — почти все растровые, телевизионного типа.

Второе деление — по тому, что перо вообще умело. Самый простой режим: указать и выбрать. Ткнул в пункт на экране, нажал кнопку — программа поняла, какой объект вы имеете в виду. Это перо-указка, считайте замена мыши. Режим посложнее — рисование с отслеживанием. Тут система не ждет, пока вы ткнете, а постоянно «ведет» перо: рисует под его кончиком яркий крестик и таскает его за рукой. Двигаете перо — крестик бежит следом, и за ним тянется линия. Именно так работал знаменитый Sketchpad, до которого мы сейчас доберемся. Это уже не выбор готового, а создание нового.

И третье деление, неформальное, — по эпохе. Сначала был грубый лабораторный «пистолет» на проводе. Потом — аккуратное перо при больших терминалах и чертежных станциях, дорогая профессиональная штука. И наконец — дешевое перо в коробке для домашнего компьютера, которое можно было купить ребенку к Новому году. Три совершенно разных мира, и устройство в них играло три разных роли. С мира военных и начнем.

Пистолет, которым можно стрелять в экран

В начале пятидесятых годов в Массачусетском технологическом институте работали над машиной Whirlwind — «Вихрь». Это была одна из первых ЭВМ, умевших работать в реальном времени, а не просто пережевывать пачку перфокарт за ночь и выплевывать распечатку к утру. У «Вихря» был экран. И инженерам понадобился способ ткнуть в конкретную точку этого экрана. Поначалу тыкать нужно было для отладки: проверить, ту ли точку машина зажгла, правильно ли она рисует. Задачу поручили инженеру Роберту Эверетту.

Первая версия пера была очень простой. К экрану подносили де-факто фоточувствительный датчик с проводом. Никакого корпуса-ручки, никакой эргономики. Просто «глаз» на кабеле. И называлось это, кстати, не «перо», а «световой пистолет» — light gun. В Смитсоновском музее лежит экземпляр от «Вихря»: алюминиевый корпус буквой «Г», микропереключатель в рукоятке, оптика наверху. Это и правда больше похоже на пистолет, чем на перо.

Технологию «Вихря» развили в систему SAGE — компьютеризированную систему противовоздушной обороны Северной Америки, заработавшую в конце пятидесятых. Система состояла из ЭВМ AN/FSQ-7, залов с операторами и экранов с отметками воздушных целей. 

Представьте себе эту картину. Сидит человек перед круглым экраном с диагональю 19 дюймов. По экрану ползут отметки самолетов, запеленгованных радарами. Оператор видит цель, наводит пистолет, нажимает. ЭВМ подхватывает цель и ведет ее дальше. В системе таких операторских консолей было больше полутора сотен.

Форму ручки, привычную нам по более поздним фотографиям, придумали чуть позже. В 1957 году в той же лаборатории Бен Герли довел конструкцию до удобного «карандашного» вида. 

Сазерленд рисует подмигивающую девушку

Если военные дали перу путевку в жизнь, то по-настоящему знаменитым его сделал один ученый. В 1963 году Айвен Сазерленд защитил в MIT диссертацию, к которой прилагалась программа Sketchpad. Мало какая диссертация производит эффект разорвавшейся бомбы. Сазерленду это удалось.

Sketchpad крутился на машине TX-2 в Линкольновской лаборатории. По тем временам TX-2 была очень мощной ЭВМ: около 320 килобайт памяти — больше, чем у любой коммерческой машины тогда. 

Со стороны Sketchpad работал примерно так. Перед оператором стоял экран диагональю девять дюймов, размеченный сеткой 1024 на 1024 точки. Рядом — коробка с кнопками команд и четыре крутилки для масштаба и положения картинки. Помогая себе этими кнопками, оператор рисовал пером прямо на экране: линии, фигуры, чертежи. Не вводил координаты с клавиатуры, не описывал геометрию текстом, а водил пером — и линия шла за ним.

Звучит как обычный графический редактор, каких сегодня сотня. Но это был 1963 год. До Sketchpad никто не рисовал инженерные чертежи прямо на экране компьютера. Вообще никто. Причем Sketchpad умел не просто проводить линии. Он понимал ограничения. Например, команда «эти отрезки равны по длине» выравнивала два отрезка. По сути, это идеи, на которых до сих пор стоит любой САПР: объекты, связи между ними, повторное использование. Сазерленду за Sketchpad в 1988 году дали премию Тьюринга — высшую награду в ремесле программиста тех лет.

Но как? Мы же только что разобрали, как работало световое перо? Каким образом Сазерленд нарушил главный принцип устройства и заставил его рисовать по черному экрану?

Начнем с того, что в Sketchpad перо не позволяло ткнуть в произвольную точку и начать работу. Можно было только выбрать уже существующий объект или команду в меню. Все остальное — рисование линий, перемещение элементов, изменение размеров — держалось основных принципах: 

• Tracking Cross (отслеживающий крестик).

• Предиктивное отслеживание.

• Спиральный поиск. 

Начнем с крестика.

Представьте: оператор подносит перо к экрану и нажимает кнопку на корпусе. В этот момент программа создает в дисплейном списке новый объект — крошечный символ (обычно крестик или квадратик), который размещается точно в том месте, где перо зафиксировало последний сигнал. 

Если стартовой точкой было попадание по концу уже существующей линии — прекрасно, крестик встает туда. Если перо «проснулось» в специальной зоне меню — крестик материализуется там. С этой секунды машина начинает гоняться за ним. Как только электронный луч прочерчивает этот крестик в очередном кадре, фотодиод пера ловит вспышку и посылает импульс. TX-2 считывает координаты луча, тут же стирает старый крестик и рисует новый — на долю миллиметра смещенный в том направлении, куда движется рука. 

Так рождается цикл: вспышка → замер координат → стирание → рисование со смещением → снова вспышка. Частота этого цикла могла достигать 30–60 раз в секунду (по числу кадров). 

Пользователь видит не дерганый огонек, а плавно ползущий курсор. Но линия, которую он «ведет», на самом деле — это след, оставляемый перемещающимся отслеживающим крестиком. То есть рисование в Sketchpad — это всегда непрерывное перемещение специального маркера, а не захват случайной координаты.

Но. Если бы крестик просто смещался на фиксированный шаг, любое ускорение руки приводило бы к потере захвата. Поэтому в алгоритм вшили предиктор скорости и направления. Несколько последних измеренных координат хранились в памяти, и специальная подпрограмма вычисляла вектор движения. В следующем кадре крестик рисовался не там, где перо было только что, а чуть впереди — с упреждением, пропорциональным скорости.

Вы двигаете руку плавно — упреждение маленькое. Ускорились — крестик прыгает дальше, «убегая» от вас ровно настолько, чтобы не выскочить из поля зрения фотоэлемента. Это упрощало взаимодействие: вам казалось, что курсор сам липнет к кончику пера. Я напомню, это 1963 год.

Но были у Sketchpad и ограничения. Если оператор дергал рукой слишком быстро, предсказанное положение оказывалось неточным, луч проходил мимо фотодиода, и сигнал пропадал. Перо «слепло». Тут в дело вступал третий принцип — режим поиска. 

Программа, обнаружив, что молчание длится дольше одного-двух кадров, экстренно меняла изображение на дисплее: вместо отрисованной геометрии на экран на долю секунды выводилась расширяющаяся спираль, расходящаяся от последнего известного положения курсора. Электронный луч с огромной скоростью прочерчивал витки, накрывая область вероятного местоположения пера. Как только фотодиод улавливал свет от любого витка спирали, программа немедленно фиксировала координаты, гасила спираль и рисовала новый крестик точно в точке попадания. Цикл восстанавливался. С точки зрения пользователя это выглядело как короткая вспышка и мгновенное появление курсора на новом месте.

Если же перо уходило совсем далеко (например, оператор отдернул руку от экрана), спираль не помогала. Курсор исчезал, и перо «засыпало» окончательно. Чтобы оживить его, нужно было вновь поднести наконечник к заведомо светлой области — обычно к яркому полю системного меню, которое специально рисовалось с большим белым фоном, чтобы обеспечить надежный захват даже без крестика. Там фотодиод выдавал импульс, и все начиналось сначала.

Таким образом, перо Сазерленда работало по классической схеме. Но ученый умудрился навернуть сверху столько алгоритмов, что со стороны казалось, будто он все принципы нарушил.

Самая известная картинка из его диссертации — подмигивающая девушка, нарисованная линиями на том самом экране. Угловатая, по нынешним меркам совсем простенькая. Но это первый настоящий интерактивный рисунок пером. Тогда это был прорыв.

Sketchpad по-настоящему работал только на одной-единственной машине — той самой TX-2, заточенной под него. Когда Сазерленд защитился, железо перенастроили под другие задачи. Но основные идеи, которые он использовал, по сути, дали начало всем системам САПР. 

Перо идет в дело

После Sketchpad перо перестало быть лабораторной экзотикой и пошло работать. В шестидесятых оно стало обычным делом на графических терминалах — например, на здоровенной станции IBM 2250, которую цепляли к мейнфрейму. Был даже вариант для текстового терминала IBM 3270: тут пером не рисовали, а выбирали пункты на экране, как мы сейчас тыкаем мышью в меню. 

Логика применения везде была примерно одна. Перо хорошо там, где надо быстро ткнуть в конкретный объект на экране и сказать «вот этот». Выбрать деталь в чертеже, указать цель или отметить точку на схеме. С этим оно справлялось отлично.

Отдельная любопытная ветка — видеомонтаж. Первый нелинейный монтажный комплекс, CMX 600, появившийся в начале семидесятых, управлялся как раз световым пером. Оператор тыкал пером в символы, наложенные поверх видео, и так собирал сцену. Считайте, прародитель таймлайна.

Но самый неожиданный поворот в карьере пера случился не у военных и не в недрах конструкторских бюро. Он случился в телевизоре. И про это надо рассказать отдельно.

Перо уходит в телевизор

Если вы хоть раз видели, как спортивный комментатор рисует прямо поверх повтора стрелочки и кружочки — «вот сюда побежал нападающий, вот тут защита прозевала» — вы видели потомка светового пера в естественной среде обитания. Штука называется телестратор, и придумал ее человек с биографией, которая сама просится в отдельную статью.

Это был физик Леонард Райффел. В конце пятидесятых он вел на чикагском общественном телевидении научно-популярные передачи и хотел рисовать пояснения прямо на экране — для детской аудитории. Ранняя версия устройства позволяла чертить по телекартинке как раз световым пером. Идея отлежалась пару десятилетий, а потом выстрелила в спорте.

Звездный час телестратора — Супербоул начала восьмидесятых. Комментатор и бывший тренер Джон Мэдден взял устройство и начал разрисовывать схемы прямо поверх повторов: кого куда вести, где разрыв в обороне. Зрителям зашло так, что Мэдден потом таскал телестратор за собой годами, а сам жанр с тех пор живет во всех видах спорта, от хоккея до фигурного катания. 

Массовые перья

Так уж вышло, что таким же повседневным инструментом инженера, как карандаш или клавиатура, световое перо не стало. Именно поэтому операторы ЭВМ чаще слышали о перьях, чем видели их вживую. С одной стороны, образ ручки, которой можно рисовать по экрану — это красиво и технологично, об этом говорили. Но с другой стороны, редко кому везло зайти дальше разговоров. Все изменилось в восьмидесятые.

Именно тогда, когда компьютеры начали появляться в обычных домах и квартирах, в комплекте с ними часто шло и перо

Перья делали почти для всего, что тогда стояло на столах. ZX Spectrum, Commodore, Atari, BBC Micro, разные MSX, машинки Amstrad, французские Thomson. На IBM-совместимые PC перо тоже можно было прицепить — соответствующий разъем был у ранних монохромных адаптеров, CGA, карты Hercules и часть EGA. Под музыкальную рабочую станцию Fairlight CMI перо шло чуть ли не штатным способом управления: тыкаешь им по экрану и буквально рисуешь музыку. В общем, направлений было много.

Но дальше всех ушли французы. Они сделали ставку на собственные домашние компьютеры Thomson — сперва TO7, потом TO7/70 и MO5. И почти все они шли со световым пером — «crayon optique» — прямо в стандартной комплектации. На рождественской рекламе 1984 года MO5 продавали в наборе с кассетником, пером и парой программ под слоганом вроде «целый мир в одном подарке».

В 1985 году во Франции запустили программу «Информатика для всех»: выделили два миллиарда франков на то, чтобы поставить компьютеры в школы. И опорными машинами стали как раз Thomson с их перьями. MO5 разошелся тиражом под полмиллиона штук. Это значит, что для целого поколения французских школьников самый первый в жизни компьютер был с пером, а не с мышью или джойстиком.

Победа мышей над перьями

Тут мы подходим к развязке. Перо появилось раньше мыши, умело тыкать прямо в экран, было интуитивно понятным. Но, несмотря на все успехи, оно потихоньку ушло в историю. В отличие от мыши, без которой нельзя представить современный ПК. Причин тут несколько.

Первое. Вспомните, как перо вычисляет позицию в массовом сегменте растровых кинескопов: по времени пролета луча. По вертикали оно считает, какую строку сейчас рисует компьютер. Тут точность приличная, строки идут одна за другой, их легко пересчитать. А вот по горизонтали надо засечь момент внутри строки, и здесь начинаются проблемы. В некоторых реализациях горизонтальная координата фактически округлялась до четных пикселей — то есть даже если у оператора совсем не дрожали руки, перо немного промахивалось. 

Добавьте наводки на проводе, нестабильность сигнала и тогдашние выпуклые экраны-«пузыри», на которых линия в углу норовила съехать куда не надо. Получалось, что перо, устройство для точного наведения, наводилось так себе.

Вторая причина: физиология. Попробуйте подержать руку вытянутой к экрану. Не секунду, а минут двадцать. Через какое-то время плечо начинает ныть, рука тяжелеет, и хочется отдохнуть. У этого явления даже есть полушутливое инженерное название — «рука гориллы». Перо требовало именно такой позы: тянись к экрану и держи. 

Мышь устроена ровно наоборот. Рука лежит на столе. Кисть двигает мышь по горизонтали, а курсор бегает по вертикальному экрану. Связь между движением руки и движением курсора непрямая, опосредованная — и именно это оказалось удобнее на длинной дистанции. Перо тыкало в экран напрямую, но проиграло как раз потому, что тыкать в вертикальную поверхность весь день человеку тяжело. 

Третья причина чуть тоньше и связана с экранами. Перу лучше всего работалось на дисплеях с коротким послесвечением — там вспышка люминофора резкая, момент пролета луча ловится четко. Но именно такие экраны заметнее мерцают для глаза. Получалась неприятная развилка, которую сформулировали еще в начале восьмидесятых. Экран, удобный для глаза, плохо дружит с пером, а экран, удобный для пера, утомляет глаз. Замкнутый круг.

Сложите все вместе — ноющую руку, посредственную точность по горизонтали, мерцание — и получите ответ. К концу восьмидесятых перо как универсальный манипулятор фактически вымерло. Мышь его пережила и закопала.

Смерть от плоского экрана

Но даже если бы перо как-то пережило конкуренцию с мышью, то к концу 90-х его ждал бы второй фатальный удар.

Как вы помните, весь фокус пера держался на одном — на бегающем по экрану луче и на том, что компьютер в каждый момент знает или рассчитывает, где он сейчас. Это работает только с ЭЛТ.

Жидкокристаллическая панель меняет картинку целым кадром, у нее нет летящей точки, по которой можно засечь время. Световое перо на ЖК-мониторе не работает в принципе, вообще никак.

Но. Помните, в начале я говорил, что первое световое перо называлось «световым пистолетом»? И что вы тоже могли держать его в руках, не подозревая об этом? Так вот, у пера был близкий родственник, которого знают вообще все, кто рос в 90-е. Световой пистолет для видеоигр. Та самая оранжевая «пушка», из которой стреляли по уткам в Duck Hunt на «Денди» и ее многочисленных клонах.

Идея световых пистолетов даже старше компьютеров. Еще в 1936 году была игра Ray-O-Lite, где пистолет светил лучом, а мишени-утки ловили этот свет датчиками. Заметьте — там направление было обратное: светил пистолет, ловила мишень. Потом, уже в семидесятых, световой пистолет пытались пристроить к домашней приставке Magnavox Odyssey. Но там была схемотехническая недоработка: пистолет могла ввести в заблуждение обычная лампочка с люстры. Продажи провалились. 

По-настоящему пистолет внедрила в игры приставка NES — ее Zapper приехал к американским детям осенью 1985 года. Корни у него японские: за основу взяли игрушечный световой пистолет, который Нинтендо делала еще раньше. Кстати, изначально Zapper был серым и сильно похожим на настоящий револьвер, а в оранжевый его перекрасили позже, когда власти потребовали, чтобы игрушечное оружие нельзя было спутать с боевым.

А теперь — как этот пистолет работал. Ведь это прямая родня нашему перу. 

Внутри ствола стоял фотодатчик. Когда вы жмете на курок, игра на один кадр гасит весь экран в черный. Потом по очереди подсвечивает белым прямоугольником каждую мишень — одну, другую, третью. Фотодатчик в стволе ловит вспышку, а по тому, в какой именно момент она пришла, машина понимает, в какую из мишеней вы целились. И попали ли вообще. Один кадр — это около шестнадцати миллисекунд, глаз эту мельтешащую черноту и белые квадраты не замечает, а датчик считывает их прекрасно.

Чтобы пистолет не путал экранную вспышку с лампочкой в комнате, в нем стоял фильтр, настроенный на частоту строчной развертки — примерно пятнадцать килогерц. Лампа так часто не мигает, а вот строки на экране сменяются именно с такой частотой. Хитро.

И умерли они с пером, кстати, тоже одинаково. Световой пистолет на современном телевизоре не работает ровно по той же причине, что и перо: нет бегущего луча, есть целый кадр сразу плюс задержка вывода. Поэтому достать с антресолей «Денди», воткнуть пистолет и пострелять по уткам на новом телевизоре у вас не выйдет. 

Во что выродилось перо?

Получается, перо умерло насовсем? И да, и нет.

Само световое перо — да, умерло, причем дважды: сначала его задвинула мышь, потом добил плоский экран. Оно осталось только в музеях, в работе более не используется. Но идея «брать ручку и тыкать прямо в экран» никуда не делась. 

Сегодня многие каждый день делают то, ради чего изобретали перо: водят стилусом по планшету, жмут пальцем в экран смартфона, рисуют на графическом планшете. 

Но под капотом теперь обратный принцип действия.

Световое перо было датчиком: оно само ловило свет экрана, а экран был пассивной светящейся стеной. Современный стилус — наоборот. Теперь датчик — это поверхность, а стилус всего лишь выполняет механическую функцию нажатия.

Вот, собственно, и вся история про световое перо. Родилось как отладочный пробник в военной лаборатории, ненадолго стало звездой интерактивной графики, заехало в телевизор рисовать стрелочки и в детскую — стрелять по уткам, побыло первым компьютерным манипулятором для полумиллиона французских школьников, проиграло мыши, окончательно умерло вместе с электронно-лучевой трубкой — и переродилось наизнанку в стилусе. Неплохая биография.

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.