Вектор Генерал - Vector General

Вектор Генерал (VG) был серией графические терминалы и название калифорнийской компании, которая их производила. Впервые они были представлены в 1969 году и использовались в компьютерных лабораториях до начала 1980-х годов.

Терминалы были основаны на общей платформе, которая читала векторов предоставленный хозяином миникомпьютер и включенное оборудование, которое могло выполнять основные математические преобразования в терминале. Это значительно улучшило производительность таких операций, как вращение объекта или увеличение масштаба. Преобразованные векторы затем отображались на встроенном в терминал векторный монитор.

В отличие от аналогичных терминалов других производителей, системы Vector General содержат мало внутренних объем памяти. Вместо этого они сохраняли векторы в памяти главного компьютера и получали к ним доступ через прямой доступ к памяти (DMA). Полностью оборудованные терминалы VG3D стоили около 31000 долларов, включая недорогие. PDP-11 компьютер[1] по сравнению с машинами, подобными IBM 2250 которые стоили 100000 долларов только за терминал.[2][а]

Среди множества известных применений, известных в области компьютерной графики, это был терминал VG3D, подключенный к PDP-11/45 который использовался для создания анимации "Атака Звезды Смерти будет непростой" в Звездные войны.[4][5]

Описание

Оборудование

В конце 1960-х годов распространенной попыткой улучшить производительность графического отображения, особенно в 3D, было использование специальных терминалов, содержащих список векторов во внутренней памяти, а затем использовало оборудование или программное обеспечение, работающее в контроллер дисплея для обеспечения основных преобразований, таких как поворот и масштабирование. Поскольку эти преобразования были относительно простыми, они могли быть реализованы в терминале за относительно низкую стоимость и, таким образом, не тратить время на выполнение этих операций центральным процессором. Системы, выполняющие хотя бы некоторые из этих операций, включали IDI, Adage и Имлак ПДС-1.[6]

Ключевым нововведением в терминалах серии VG стало использование прямой доступ к памяти (DMA), чтобы разрешить ему доступ к памяти главного компьютера. Это означало, что терминалам не требовалось много собственного хранилища, и это давало им возможность быстро получать доступ к данным без их копирования по более медленному каналу, например, по последовательному каналу. Tektronix 4010 или аналогичные системы.[7] Обратной стороной этого подхода является то, что его можно было использовать только на машинах, предлагающих DMA, и только через относительно дорогой адаптер.[b]

Основная идея заключалась в том, что главный компьютер будет выполнять вычисления для создания серии точек для 2D или 3D модели и выражать это как 12-битные значения, обычно сохраняемые в 16-битных словах с дополнительными фаршированный биты состояния. Затем терминал периодически прерывал работу компьютера от 30 до 60 раз в секунду,[8] и быстро считывать и отображать данные.[9] Каждый пункт был прочитан один за другим в местном регистры памяти для временного хранения, в то время как к ним применялись математические функции для масштабирования, перевода и (необязательно) вращения, а когда были рассчитаны окончательные значения, эти точки отправлялись в электронно-лучевая трубка (CRT) для отображения.[9]

Было три разные модели аппаратных средств преобразования координат. Самая простая система включает оборудование, необходимое для панорамирования и масштабирования 2D-изображений, и в этом случае терминал, содержащий его, будет известен как Vector General 2D. В другой версии добавлена ​​возможность поворота 2D-изображения вокруг произвольной точки, известная как 2DR (от Rotate). Самым дорогим вариантом был 3D, который обеспечивал вращение, панорамирование и масштабирование трехмерных векторов. Другой вариант, который мог быть добавлен к любой из этих моделей и не отражался в названии, добавил генератор персонажей.[10]

Квадратные ЭЛТ управлялись непосредственно с выхода оборудования преобразования, в отличие от отображения с использованием традиционных растровое сканирование метод.[9] Компания назвала этот тип операции «случайным сканированием»,[8] хотя его повсеместно называют векторный монитор в современных справочниках. Были доступны две базовые модели ЭЛТ с диагональю 17 дюймов (430 мм) и 21 дюйм (530 мм). 21-дюймовая модель также была доступна в специальной «высокоскоростной» версии, которая улучшила скорость рисования. В ЭЛТ используется электромагнитное отклонение, а не магнитное, как в телевизорах, для обеспечения высокой скорости сканирования.[11]

К системе можно подключить несколько различных устройств ввода. Самым распространенным был 70-клавишный клавиатура, в то время как другие включали набор кнопочных переключателей мгновенного действия с внутренними индикаторами, управляемыми регистром, графический планшет, а световое перо, а коробка набора, а джойстик.[12] Система в целом была довольно большой, размером с небольшой холодильник.[13]

Концепции рисования

Векторы были логически представлены двумя конечными точками в пространстве. Каждая точка была определена двумя или тремя 12-битными значениями, тем самым представляя пространство от 0 до 4095 в X, Y и (необязательно) Z.[11] Терминал имел три 12-битных регистра для хранения значений во время манипулирования ими.[14]

Система позволила векторам быть представленными в памяти разными способами. Самый простой режим, «абсолютный», требовал двух точек, по одной на каждом конце вектора.[15] «Относительные» векторы были выражены как смещения от последнего набора значений, поэтому для определения вектора требовалась только одна точка, причем первая точка была конечной точкой последнего. Это могло бы вдвое сократить количество точек, необходимых для описания полного чертежа, если бы данные были непрерывными, как линейный график. «Инкрементальные» векторы дополнительно уменьшили память за счет использования только 6 битов для каждой точки, что позволило данным быть упакованный в меньшее количество памяти в хосте. Система может быть настроена на добавление значений к 6 старшим или младшим 6 битам последнего значения, что обеспечивает полное или точное перемещение. Наконец, «автоинкрементные» векторы еще больше снизили требования к памяти, потребовав сохранения только одного значения, а остальные увеличивались на заданную величину по мере считывания каждой новой точки. Они были похожи на относительные векторы с одной из двух осей всегда с одинаковым относительным смещением.[16] В системе также была отдельная схема для создания дуг окружности, вместо того, чтобы отправлять серию точек.[17]

Дисплей способен отображать 32 различных уровня яркости. Это можно было запрограммировать напрямую, установив регистр в терминале, но чаще использовалось в программном режиме в 3D. В этом режиме интенсивность изменялась автоматически по мере рисования вектора, при этом элементы, расположенные глубже по оси Z, рисовались менее интенсивно. Это дало сигнал глубины, благодаря которому передняя часть объекта выглядела ярче на дисплее. Скорость этого изменения устанавливалась через регистр ISR.[18]

В отдельном 12-битном регистре PS хранится масштабный множитель. Когда это значение не использовалось, система координат представляла физическую область, примерно вдвое превышающую размер экрана, что позволяло преобразовывать изображение для обеспечения прокрутки. Когда значение было помещено в этот регистр, координаты в векторных регистрах и системе рисования символов умножались на это значение, создавая эффект масштабирования.[19]

Дополнительный генератор символов рисовал символы с использованием набора из пяти аппаратно определенных форм, круга, квадрата с вертикальной линией посередине, квадрата с горизонтальной линией посередине и фигур песочных часов, ориентированных вертикально, и аналогичных фигур, ориентированных горизонтально. . Включая и выключая луч, когда каждая из этих фигур рисовалась оборудованием, система могла рисовать любой требуемый символ. Например, буква C была нарисована с использованием формы O и выключением луча, когда он находился справа. Буква D будет нарисована с использованием формы O и выключена, пока она находится слева, а затем нарисован прямоугольник с вертикальной линией с включенным лучом только тогда, когда рисовалась центральная вертикальная полоса. Для создания полноценного персонажа требуется от одной до трех таких «розыгрышей».[20] Система включала в себя ряд греческих букв и математических символов в дополнение к обычным ASCII символы.[21]

Программирование

Терминал периодически считывает основную память главного компьютера, используя DMA для обновления дисплея. Дальнейшая связь осуществлялась через единственный двунаправленный порт ввода-вывода.[9] после создания запроса на прерывание с подробностями запроса в регистре PIR.[22] Настройки и инструкции обрабатывались путем отправки данных в порт ввода / вывода и из него в один из 85 регистров терминала.[14]

Например, хост может установить значение регистра PS, что приведет к увеличению изображения. Для этого он будет вызывать прерывание, 16-битное сообщение которого содержит номер устанавливаемого регистра, в данном случае 17. Терминал ответит отправкой 16-битного сообщения обратно по каналу ввода-вывода. Записи обрабатывались с использованием аналогичного процесса, но терминал отвечал на прерывание, вместо этого считывая значение.[23]

Базовый адрес для начала списка векторов и смещение в нем были в регистрах 14 и 15.[14] Это позволяло дисплею выполнять своего рода «перелистывание страниц», записывая отдельные наборы точек в памяти компьютера, а затем сразу изменяя отображение, изменяя значение регистра 14, чтобы указать на другой базовый адрес. Это было ограничено объемом памяти, доступной на главном компьютере.[24]

Команды отображения имели множество форматов, которые позволяли создавать не только векторы, но и различные команды. Например, были инструкции для загрузки данных в заданный регистр, состоящий из двух 16-битных слов, первое - с деталями регистра, а следующее - со значением. Другие инструкции выполняли логическое ИЛИ или И над значениями регистров. Сами инструкции по отображению могут быть смешаны с этими операциями, так что система может, например, начать отображать выбранные элементы, включить лампу, повернуть изображение, а затем нарисовать больше векторов.[25]

Известные применения

VG3D исторически известен своим использованием в Звездные войны, но также хорошо известен своей ранней ролью в развитии системы автоматизированного проектирования.

В Звездных войнах

Часть анимации показывает выходные данные векторной графики, записанные на пленку, а затем проецируемые на сцену во время съемок.

Ларри Куба произвел два сегмента компьютерной анимации для Звездные войны на PDP-11/45 с терминалом VG3D. Чтобы снимать изображения по кадрам, провод был подключен между одним из источников света на кнопочной панели и спусковым крючком затвора на камере. Это было инициировано главным компьютером, заставив камеру один раз спустить затвор и продвинуть пленку на один кадр.[26][27]

Первый сегмент, показывающий внешний вид Звезда Смерти, полностью основывается на возможностях внутреннего дисплея VG3D. Модель состояла из простой серии трехмерных точек, представляющих контур станции, хранящейся в памяти PDP-11, построенной алгоритмически с использованием связанных Язык программирования GRASS код генерации кривой. Чтобы перемещать и вращать изображение, как показано в фильме, соответствующая программа GRASS загружала новые цифры поворота и увеличения в регистры терминала, а затем запускала камеру.[26]

Во втором сегменте показан полет вниз по траншее во время финальной атаки, сначала сверху, а затем с точки зрения пилота. Создать это было намного сложнее, потому что терминал не поддерживал расчет перспективы, который требовался в этой последовательности. Физическая модель траншеи, использованная во время съемок, состояла из серии из шести элементов, которые были многократно дублированы, а затем собраны различными способами для создания единой модели длиной 40 футов (12 м). Куба оцифровала каждую из этих шести деталей по фотографиям, а затем объединила их в различных конфигурациях в более 50 U-образных секций. Для каждого кадра пять из этих секций были уложены друг на друга, а затем были применены перспективные вычисления. Добавление новых разделов по мере продвижения анимации можно увидеть в фильме. Затем оно было отправлено на терминал в виде статического изображения, и камера сработала. На рендеринг каждого кадра уходило около двух минут.[28]

В армии

Майк Муусс (сидит) использовал PDP-11 / 70 и Vector General 3D, показанные здесь, чтобы сделать вращающееся изображение Танк ХМ-1. Это вызвало большой переполох среди армейского руководства, которое в течение следующих двух недель требовало демонстраций.

Майк Муусс рассказывает, что Армия Соединенных Штатов с Лаборатория баллистических исследований купил Cyber ​​173 и три рабочие станции, состоящие из терминала VG3D и PDP-11/34 для управления им. Их предполагалось соединить вместе, но никто не смог заставить это работать, и, в конце концов, рабочие станции VG остались неиспользованными. Он был обеспокоен тем, что все это оборудование тратится впустую, поэтому в 1979 году он подключил одну из рабочих станций и создал программу, которая создавала вращающийся трехмерный куб.[29]

Другой программист получил набор 3D-точек Танк XM1 дизайн и писал код для вывода его на Плоттер Calcomp. Он спросил Муусса, могут ли они вместо этого отобразить его на терминалах VG, чтобы они могли его повернуть. Сначала он вывел его как статическое изображение на Tektronix 4014, но следующей ночью удалось перенести дисплей на VG3D, где его можно было легко вращать с помощью внутреннего векторного оборудования.[30]

Никто в армии раньше не видел ничего подобного. На следующий день командующий ARRADCOM прилетел посмотреть вживую. В течение следующих двух недель Муус постоянно демонстрировал систему параду офицеров.[30] Демо стало настолько известным, что Muuss смог начать разработку BRL-CAD.[31]

Заметки

  1. ^ Более поздние модели, такие как IBM 2250 Model III, могли контролировать до четырех терминалов, поэтому стоимость терминала была ближе к 65 000 долларов плюс хост.[3]
  2. ^ Хотя в руководстве указано, что с соответствующим адаптером можно использовать «любой» компьютер, во всех ссылках сторонних производителей упоминается только используемый PDP-11.

использованная литература

Цитаты

  1. ^ Филлипс 1978, п. C.24.
  2. ^ Вайсберг 2008, стр. 13-8–13-9.
  3. ^ Вайсберг 2008, п. 13-9.
  4. ^ Сладкий 1981.
  5. ^ Боррелли 2017.
  6. ^ Педди 2013, п. 316.
  7. ^ Ссылка 1972, п. 1-1, 1–3.
  8. ^ а б Ссылка 1972, п. 1-4.
  9. ^ а б c d Ссылка 1972, п. 1-3.
  10. ^ Ссылка 1972, п. 1-1.
  11. ^ а б Ссылка 1972, п. 1-7.
  12. ^ Ссылка 1972, п. 1-2.
  13. ^ Боррелли 2017, п. Смотрите изображения ..
  14. ^ а б c Ссылка 1972, п. 3-3.
  15. ^ Ссылка 1972, п. 1-14.
  16. ^ Ссылка 1972, п. 1-16.
  17. ^ Ссылка 1972, п. 2-12.
  18. ^ Ссылка 1972, п. 1-23.
  19. ^ Ссылка 1972, п. 1-9–1-14.
  20. ^ Ссылка 1972, п. 1-20.
  21. ^ Ссылка 1972, п. 2-13.
  22. ^ Ссылка 1972, п. 3-4.
  23. ^ Ссылка 1972, п. 3-4–3-6.
  24. ^ Ссылка 1972, п. Приложение Б.
  25. ^ Ссылка 1972, п. 3-14–3-35.
  26. ^ а б Сладкий 1981, п. 29.
  27. ^ ДеФанти и Сандин, 1981, п. 50.
  28. ^ Сладкий 1981, п. 30.
  29. ^ Muuss 2000, п. 91.
  30. ^ а б Muuss 2000, п. 92.
  31. ^ "Обзор". BRL-CAD.

Список используемой литературы

внешние ссылки