Experimentelle grafische Systeme

Die bis hierhin beschriebenen interaktiven Computersysteme mit angeschlossenen Fernschreibern oder später mit Text-Terminals beschränkten sich in ihrer Schnittstelle auf rein textuelle Ein- und Ausgaben oder allenfalls auf Textzeichen, mit denen eine Art Pseudo-Grafik erzeugt werden konnte.

Im „vim“-Beispiel des vorherigen Kapitels wurde ein Cursor räumlich positioniert, um Objekte am Bildschirm zu selektieren. Eine solche Selektion per Cursor-Tasten ist innerhalb von Texten praktikabel, in vielen Fällen aber jedoch recht umständlich und indirekt. Von Smartphones kennen Sie heute alle eine erheblich direktere Methode, nämlich das Zeigen auf ein Objekt mit dem Finger. Es ist durchaus erstaunlich, dass etwas ganz Ähnliches bereits in den 1950er Jahren erdacht und genutzt wurde. Zwar brauchte das Zeigen damals noch ein Zusatzgerät, doch dieses Zusatzgerät konnte damals schon direkt auf den Bildschirm gerichtet werden. Die Anfänge dieser direkten räumlichen Selektion und der grafischen Darstellung von Informationen liegen, wie oft in der Computergeschichte, beim Militär.

Whirlwind und SAGE

Mitte der 1940er bis Anfang der 1950er Jahre entwickelte das Massachusetts Institute of Technology (MIT) einen Echtzeitcomputer für die US Navy. Er war zunächst als Flugsimulator geplant, wurde dann später aber für die Anforderungen der Flugüberwachung neu konzipiert. Dieser „Whirlwind“-Computer war in vielerlei Hinsicht technisch beachtenswert, schon allein weil es sich um einen Echtzeit-Computer handelte, der laufend Daten verarbeitete, anzeigte und Eingaben erwartete. Whirlwind konnte unter anderem auch Speicherinhalte auf dem Bildschirm eines Oszilloskops zur Anzeige bringen. Das war für sich genommen nicht außergewöhnlich. Selbst der britische EDSAC von 1945 verfügte schon über eine solche Einrichtung, bei der Speicherinhalte des Computers als Punkte auf einem Bildschirm angezeigt werden konnten. Eine Innovation war jedoch die Entwicklung eines stiftartigen Geräts, „Lightpen“ oder zu Deutsch „Lichtgriffel“ genannt. Das einfache Instrument ist rechts abgebildet. Mit diesem Stift konnte auf Punkte auf dem Bildschirm gezeigt werden. Der Computer konnte die Position des Stiftes auf dem Bildschirm erkennen und somit das Speicherbit, auf das gezeigt wurde, identifizieren.

Der Lightpen war eine genial einfache Konstruktion, die sich die Funktionsweise von Monitoren mit Bildröhre zunutze machte. Stifte dieser Art bestanden im Prinzip nur aus einer einfachen Fotozelle, die an der Spitze des Stiftes angebracht war. Der Stift selbst kann also nur feststellen, ob es an der Spitze des Stiftes hell ist oder nicht. Bei einem Monitor mit Kathodenstrahlröhre, also etwa auch bei den alten, klobigen Fernsehern, wurde ein Bild dadurch erzeugt, dass ein Elektronenstrahl Punkte auf einer fluoreszierenden Schicht auf der Vorderseite der Röhre zum Leuchten bringt. Der Bildaufbau erfolgte dabei wie ein geschriebener Text Zeile für Zeile von links nach rechts und von oben nach unten. Dies geschah allerdings so schnell, dass man mit bloßem Auge den Bildaufbau nicht erkennen konnte. Zeigte man nun mit einem Lightpen auf eine Stelle auf einem erleuchteten Bildschirm, wurde die Fotozelle zu einem spezifischen Zeitpunkt hell beleuchtet. Durch präzise Messung dieses Zeitpunktes und den Abgleich mit dem Wissen, wann die Darstellung des Bildes in der oberen linken Ecke begann, konnte errechnet werden, auf welche Bildschirmposition der Lightpen gerade zeigte. Der Lightpen des Whirlwind-Computers war allerdings noch nicht als Eingabegerät für die eigentliche Funktionalität des Computers gedacht, sondern wurde zu Fehlerbehebungszwecken genutzt.

Der Whirlwind-Computer war die Grundlage für das in den 1950er Jahren vom MIT und IBM aufgebaute SAGE-System. SAGE steht für Semi-Automatic Ground Environment. Das Herzstück von SAGE waren zwei riesige, von IBM hergestellte Computer. Die beiden Systeme arbeiteten parallel, um Computerfehler und Ausfälle möglichst auszuschließen. Die Aufgabe des SAGE-Systems war die Luftraumüberwachung. Feindliche sowjetische Flugzeuge sollten erkannt und gegebenenfalls Abwehrmaßnahmen eingeleitet werden können. Eine einfache Radarüberwachung des Luftraums konnte das nicht gut leisten, da mit einer üblichen Radaranlage immer nur recht kleine Bereiche überwacht werden konnten und es zum damaligen Zeitpunkt bereits viele völlig ungefährliche militärische und zivile Flugbewegungen gab.

Ein verdächtiges Radar-Echo konnte so leicht in der Fülle der Informationen untergehen. Um die Luftraumüberwachung zu verbessern, wurden die Daten vieler verteilter Radarstationen im SAGE-Computer zusammengeführt. Diese Daten wurden mit den vorhandenen Informationen über gemeldete Flugbewegungen abgeglichen. Alles für ungefährlich Erachtete wurde herausgefiltert, sodass nur noch Informationen über abweichende, potenziell feindliche Flugzeuge übrigblieben. Der Luftraum wurde mit einer Vielzahl spezieller Konsolen überwacht. Oben abgebildet sehen Sie eine Weapons Director Console. Zentral war ein Bildschirm, ein sogenanntes „View Scope“, der der Radartechnik entliehen wurde. Er zeigte die vom Computer berechneten Daten, also etwa eine Karte vom Umriss des Geländes und die Positionen von eventuell feindlichen Flugzeugen an. Die Soldaten, die an diesen Konsolen saßen, konnten mittels eines Zeigegeräts Objekte auf dem Bildschirm auswählen. Sie nutzten dafür eine sogenannte „Lightgun“, die sie auf den Bildschirm hielten und „abdrückten“. Die vielen Knöpfe rund um den Bildschirm erlaubten es unter anderem, auf das markierte Objekt bezogene Funktionen aufzurufen, also etwa die bisherige Route des Flugobjektes anzuzeigen, oder die aktuelle Route virtuell in die Zukunft fortzusetzen. Schlussendlich konnten auf diese Weise Ziele zum Abfangen durch Raketen vorgemerkt werden.

TX-0 und TX-2

In Zeiten des Kalten Krieges beflügelten sich zivile und militärische Forschung oft gegenseitig. Das Lincoln Lab des MIT, an dem Whirlwind gebaut wurde und das am SAGE-System beteiligt war, entwickelte 1955 bis 1956 eine experimentelle, transistorbasierte Version des Whirlwind-Computers mit dem Namen TX-0 (Transistorized Experimental Computer Zero). Mit dem System wurden neue Ansätze zur Mensch-Maschine-Interaktion exploriert. Es verfügte wie der Whirlwind über eine grafische Ausgabe mittels eines an die Radartechnik angelehnten Bildschirms. Er diente nun aber nicht mehr nur der Fehlerbehebung, sondern wurde auch als reguläre Ausgabemöglichkeit genutzt. Wie beim SAGE-System konnte ein Gerät zur räumlichen Eingabe an diesem Bildschirm genutzt werden. Im nicht-militärischen Kontext wurde dafür nun wieder der Begriff „Lightpen“ verwendet.

Der TX-0 hatte zwei direkte Nachfolger. Zum einen wurde am Lincoln Lab mit dem TX-2 ein weiterer experimenteller Rechner entwickelt und 1958 in Betrieb genommen. Aus den Erkenntnissen des TX-0 und einigen Einflüssen des TX-2 entstand aber auch der erste kommerzielle Rechner mit grafischer Ein- und Ausgabe, die PDP-1 der Firma Digital Equipment (DEC), von der später noch einmal die Rede sein wird. An den drei Systemen, dem TX-0, dem TX-2 und der PDP-1, wurde am MIT in den 1950er und 1960er Jahren an so fortschrittlichen Ideen wie Handschrifterkennung, grafischen Texteditoren, interaktiven Debuggern (Programmen zum Finden und Entfernen von Programmfehlern), Schachprogrammen und anderen frühen Projekten der sogenannten „künstlichen Intelligenz“ gearbeitet.

Eines der Projekte, das wegweisend für die Entwicklung von Nutzungsschnittstellen mit räumlich-grafischer Anzeige und Objektmanipulation war, war das „Sketchpad“-System, das 1963 von Ivan Sutherland im Rahmen seiner Doktorarbeit konzipiert und umgesetzt wurde. Das Foto unten zeigt einen Wissenschaftler des MIT am auf dem TX-2 laufenden Sketchpad-System. In der Hand hat er einen Lightpen. Mit diesem Stift konnten grafische Objekte erzeugt und manipuliert werden. Dies geschah durch Zeigen auf einen Punkt und die Betätigung einer der Tasten auf der Tastatur auf der linken Seite. Auf diese Art und Weise konnten Strecken oder Kreise aufgezogen werden. Beschränken wir uns hier beispielhaft auf Strecken. Um eine Strecke zu zeichnen, wurde der Stift zum gewünschten Startpunkt bewegt und eine Taste auf der Tastatur gedrückt. Nun wurde der Stift zum Endpunkt der Strecke bewegt. Das System zeichnete während dieses Erzeugungsprozesses fortlaufend eine gerade Linie zwischen dem Startpunkt und der aktuellen Position des Stifts auf dem Bildschirm. Ein Tastendruck fixierte auch diesen Punkt, der dann wiederum zum Ausgangspunkt der nächsten Strecke wurde. Dieser Prozess konnte abgebrochen werden, indem der Stift vom Bildschirm genommen wurde.

Alle Punkte von Strecken und den anderen geometrischen Figuren konnten auch im Nachhinein noch bearbeitet werden. Dafür musste ein Punkt zunächst ausgewählt werden. Dies geschah durch Zeigen mit dem Lightpen. Der Punkt musste dabei nicht ganz genau getroffen werden, was sich hätte schwierig gestalten können. Das System unterstützte die Auswahl eines Punkts dadurch, dass auch die unmittelbare Umgebung des Punktes dem Punkt zugeordnet wurde. Ein Auswahlcursor, der unter der Stiftposition angezeigt wurde, sprang in diesem Fall auf den Punkt, um anzuzeigen, dass sich die folgenden Manipulationen auf diesen Punkt beziehen würden. Auch wenn mit dem Stift also leicht neben den Punkt gezeigt wurde oder wenn die Abtastung nicht genau war, konnte ein Punkt präzise selektiert werden. War ein Punkt selektiert, konnte dieser durch Betätigen einer Taste in einen Verschiebezustand gebracht werden, der wiederum per Tastendruck oder durch Wegnehmen des Stiftes beendet wurde. Auch bei dieser Operation wurde während des kompletten Manipulationsvorgangs die Zeichnung laufend aktualisiert, sodass der Sketchpad-Nutzer jederzeit fortlaufend über die Konsequenzen seiner Manipulation auf dem Laufenden war.

Diese direkte Manipulation setzt eine Reihe von technischen Gegebenheiten voraus, die zur Zeit von Sketchpad noch alles andere als selbstverständlich waren.

• Objekte mussten dauerhaft und stabil sichtbar gemacht werden. Hierfür bedurfte es eines Bildschirms und einer Ansteuerung desselben, die es ermöglichen, die Zeichen oder Grafiken in so schneller Folge zur Anzeige zu bringen, dass sie für das menschliche Auge als stabile Objekte erschienen.
• Die Objekte mussten räumlich selektiert werden können. Es bedurfte also eines räumlichen Eingabegeräts, das sich auf Koordinaten am Bildschirm beziehen konnte. Diese Rolle übernahm bei Sketchpad der Lightpen des TX-2. Darüber hinaus brauchte es eine Programmierung, die diese Koordinaten den am Bildschirmort vorhandenen Objekten zuordnen konnte.
• Räumliche Manipulationen mussten umgehend in Manipulationskommandos übersetzt werden, die wiederum unverzüglich für eine Aktualisierung der Darstellung sorgten, denn nur durch die schnelle und unmittelbare Verarbeitung konnte der Eindruck einer direkten Manipulation erreicht werden. Wäre es in solchen Abläufen zu Verzögerungen gekommen, wäre ein präzises Arbeiten nicht mehr möglich gewesen. Um diesen extrem hohen Grad der Responsivität zu erreichen, entwickelte Sutherland eine performante Datenstruktur¹⁸, die in Kombination mit der hohen Rechenleistung der Maschine, die entsprechende Verarbeitungsgeschwindigkeit erlaubte.

Für Sketchpad entwickelte Sutherland neben den geschickten Datenstrukturen, die die direkte Manipulation ermöglichten, eine Vielzahl anderer spannender Konzepte, die sich auch noch in heutigen CAD-Systemen (Computer Aided Design) wiederfinden. All diese würden sicher eine umfangreiche Betrachtung verdienen, können hier aber nur exemplarisch und in aller Kürze aufgezählt werden. Beachtenswert ist etwa:

• Beim Zeichnen geometrischer Strukturen konnten Zwangsbedingungen, sogenannte „Constraints“, definiert werden. Ein Zeichner konnte zum Beispiel festlegen, dass der Winkel zwischen zwei Strecken neunzig Grad betragen muss, dass zwei Strecken gleich lang sein sollen oder dass Linienführungen parallel zueinander verlaufen müssen.
• Sketchpad bot seinen Nutzern nicht nur mehrere virtuelle Zeichenblätter, zwischen denen umgeschaltet werden konnten. Jedes dieser Zeichenblätter war zudem noch erheblich größer als die Darstellung auf dem Bildschirm. Sketchpad erlaubte es, den sichtbaren Ausschnitt zu verschieben und die Granularität der Anzeige zu verändern, also zu zoomen.
• Bei Sketchpad konnten Objekte aus Teilobjekten zusammengesetzt werden. Ein auf einem der virtuellen Zeichenblätter erzeugtes Objekt konnte in ein anderes Blatt in beliebiger Größe und Rotation eingefügt werden. Die auf diese Art eingefügten Objekte waren keine Kopien, sondern Referenzen auf das Ursprungsobjekt. Änderungen an einem der Teilobjekte wurden somit automatisch in alle zusammengesetzten Objekte übernommen. Ein Sketchpad-Nutzer konnte zum Beispiel auf einem Zeichenblatt ein Fenster zeichnen, auf dem zweiten eine Tür und auf dem dritten ein Haus. Für das Haus verwendete er die vorher gestalteten Komponenten. Kehrte er nun zum Zeichenblatt der Tür zurück und verfeinerte die Darstellung durch Hinzufügen eines Schlosses und einer Klinke, hatte auch das Haus auf dem dritten Blatt ein Schloss und eine Klinke in seiner Tür.

Das Vermächtnis von SAGE, Sketchpad und Co.

Die technischen Gegebenheiten des TX-2, die eine Software wie Sketchpad ermöglichten, waren zum damaligen Zeitpunkt herausragend. Es handelte sich um ein experimentelles System, auf dem genau solche Versuche durchgeführt werden konnten. Der große Rest der Computerwelt war noch lange Zeit ganz anders als diese Rechner mit ihrer direkten Nutzerinteraktion.

Die Entwicklung vom Whirlwind über SAGE und TX-0 zum TX-2 und entsprechender innovativer Software führte 1959 zur Entwicklung der PDP-1¹⁹, dem ersten Minicomputer, den man käuflich erwerben konnte. Das Foto oben zeigt eine voll ausgestattete PDP-1. Der eigentliche Computer ist das schrankartige Gebilde auf der linken Seite. Im unteren Bereich des Rechners sehen Sie das Bedienfeld zur Steuerung. Darüber befand sich ein Lochstreifenleser. DEC verwendete Lochstreifen mit einer speziellen Faltung. Sie sehen einige dieser Lochstreifen in der Halterung über dem Leser. Ebenso wie beim TX-0 und dem TX-2 stand bei der PDP-1 die Interaktion im Fokus. Ein- und Ausgaben erfolgten also nicht nur über das Bedien-Panel, sondern auch über eine angeschlossene elektrische Schreibmaschine oder über Bildschirm und Lightpen. Sie sehen beides rechts im Bild. Auch hier wurde wieder auf die bewährte Technik aus dem Radarbereich zurückgegriffen. Mit 53 Exemplaren war die PDP-1 noch kein wirklich viel verkaufter Rechner. Mit einem Preis von 120.000 Dollar (umgerechnet auf 2021 etwa 1,1 Million Dollar) war der Rechner auch nicht gerade erschwinglich. Das sollte sich durch die von der PDP-1 eröffnete neuen Geräteklasse der Minicomputer aber ändern. Die PDP-8, die Sie im nächsten Kapitel kennenlernen, war eine der erfolgreichsten Vertreterinnen dieser Geräteklasse, deren Eigenschaften ein wichtiger Schritt in Richtung Personal Computer waren.