50 Jahre CAD

Jan 05, 2024

Von Evan Yares | 13. Februar 2013

vonEvan Yares, leitender Redakteur und Analyst, Software

Das erste CAD-System wurde Anfang der 1960er Jahre entwickelt. Moderne CAD-Programme haben nie aufgeholt.

Im Januar 1963 reichte Ivan Sutherland, ein Doktorand am MIT, seine Dissertation mit dem Titel „Sketchpad: ein grafisches Mensch-Maschine-Kommunikationssystem“ ein, in der er seine Arbeit bei der Entwicklung dessen beschrieb, was heute als eines der allerersten interaktiven CAD-Systeme gilt.

Sketchpad lief auf dem TX-2-Computer der MIT Lincoln Labs. Mit 306 Kilobyte Kernspeicher war es damals eine der größten Maschinen der Welt. Er unterschied sich von den meisten modernen Computern darin, dass er zum Testen der Mensch-Computer-Interaktion konzipiert war. Zusätzlich zu den Standard-E/A-Geräten verfügte der TX-2 über programmierbare Tasten zur Eingabe von Befehlen, einen Oszilloskop-/Videobildschirm (adressierbar auf 1024 x 1024 Pixel), einen Lichtstift für die Eingabe und einen Stiftplotter für die Ausgabe . Es war gewissermaßen der erste Personalcomputer, wenn auch einer, der ein ganzes Gebäude einnahm.

Ivan Sutherland auf dem TX-2-Computer der MIT Lincoln Labs.

Im Gegensatz zu früheren Computeranwendungen, die stapelorientiert waren, war Sketchpad interaktiv. Mithilfe des Lichtstifts und der Eingabetasten können Sie mithilfe eines Fadenkreuz-Cursors direkt auf dem Bildschirm zeichnen. Das Programm unterstützte Punkte, Liniensegmente und Bögen als Grundelemente, ermöglichte jedoch das Speichern dieser in Masterzeichnungen, die kopiert oder instanziiert werden konnten. Mit dieser Funktion wurden alphanumerische Zeichen und elektrische Schaltplansymbole erstellt.

Eine Sache, die Sketchpad wirklich auszeichnete, war das Subsystem zur Einschränkungsverwaltung. Es unterstützte nicht nur explizite Einschränkungen, die den Entitäten nach dem Zeichnen hinzugefügt wurden, sondern auch implizite Einschränkungen, die beim Zeichnen der Entitäten erstellt wurden. Wenn Sie beispielsweise mit dem Zeichnen einer Linie beginnen und den Cursor in die Nähe des Endpunkts einer anderen Linie bringen, wird er an diesem Endpunkt einrasten. Und es würde sich daran erinnern, dass die beiden Leitungen verbunden waren. Wenn Sie beim Bearbeiten eine Zeile verschieben, wird die andere Zeile mit verschoben.

Sketchpad umfasste 17 verschiedene Arten von Einschränkungen, darunter vertikal, horizontal, senkrecht, deckungsgleich, parallel, ausgerichtet, gleiche Größe und mehr. Diese nativen (oder „atomaren“) Einschränkungen könnten kombiniert werden, um komplexere Beziehungen zu schaffen. Sketchpad ermöglichte sogar die visuelle Anzeige von Einschränkungen auf dem Bildschirm, wobei Symbole (Symbole) zur Darstellung jedes Typs verwendet wurden.

Mit dem Beschränkungssystem war es möglich, eine Form lose zu skizzieren und dann geometrische und topologische Beziehungen hinzuzufügen, um sie genau in die gewünschte Form zu bringen. Es war sogar möglich, Einschränkungen für die Strukturanalyse von Gitterträgern zu verwenden, wie sie beispielsweise bei Ausleger- und Bogenbrücken zu finden sind.

Optisch war Sketchpad überraschend interaktiv. Es unterstützte Rubberbanding beim Zeichnen oder Bearbeiten von Elementen (sodass sich die Elemente ausdehnten, wenn Sie den Cursor bewegten). Es unterstützte das dynamische Verschieben, Drehen und Skalieren von Elementen (das heißt, dass sie sich bewegten, drehten und skalierten, während Sie den Cursor bewegten). unterstützte nicht nur Zoomen und Schwenken (natürlich dynamisch), sondern tat dies auch transparent – ​​selbst wenn Sie sich mitten in einem anderen Zeichen- oder Bearbeitungsvorgang befanden.

Sketchpad wurde erweiterbar konzipiert und bietet die Möglichkeit, sowohl neue grafische Elementtypen als auch neue Einschränkungstypen hinzuzufügen. Kurz nachdem Sutherland seine Sketchpad-Arbeit eingereicht hatte, reichte Timothy E. Johnson seine Masterarbeit ein, in der er Sketchpad III, eine 3D-Version des Programms, beschrieb. Ungefähr zur gleichen Zeit reichte Lawrence G. Roberts seine Doktorarbeit ein, in der er Sketchpad Unterstützung für 3D-Volumenkörper hinzufügte, einschließlich Baugruppen und Echtzeitentfernung verdeckter Linien.

Timothy E. Johnson

Während Sketchpad für sich allein wahrscheinlich viel Aufmerksamkeit erregt hätte, drehten Sutherland, Johnson und Roberts jeweils 16-mm-Filme, in denen sie ihre Arbeit vorführten. Eine Kombination dieser Filme wurde 1964 in einem 30-minütigen Programm für den Bostoner Fernsehsender WBGH verwendet. (Ein Film, der eine bearbeitete Version davon zu sein scheint, ist auf YouTube. Suchen Sie einfach nach „Ivan Sutherland“.) Darüber hinaus präsentierten sowohl Sutherland als auch Johnson auf der Frühjahrs-Computerkonferenz 1963 Vorträge über ihre Arbeit.

Sketchpad war Vorreiter bei einigen der wichtigsten Computerkonzepte, darunter der grafischen Benutzeroberfläche, der nicht-prozeduralen Programmierung und der objektorientierten Programmierung. Wenn Sie einen Computer oder ein Smartphone verwenden, verwenden Sie die von Sketchpad entwickelte Technologie.

Sutherland ruhte sich nach Sketchpad nicht auf seinen Lorbeeren aus. Anschließend leitete er ARPA (den Vorgänger von DARPA). Er war Mitentwickler des ersten am Kopf montierten Virtual-Reality- und Augmented-Reality-Displays. Er war Mitbegründer von Evans und Sutherland und leistete dort Pionierarbeit auf dem Gebiet der Echtzeit-Hardware, der beschleunigten 3D-Grafik und der Druckersprachen. Er war Fellow und Vizepräsident bei Sun Microsystems. Er lehrte an der Harvard University, der University of Utah und am Caltech. Jetzt, im Alter von 74 Jahren, leitet er die Forschung im Bereich asynchrones Rechnen an der Portland State University.

Als Ergebnis seiner Arbeit an Sketchpad und seiner vielen nachfolgenden Beiträge zur Informatik erhielt Sutherland eine Reihe überwältigender Auszeichnungen, darunter den National Academy of Engineering First Zworykin Award, den IEEE Emanuel R. Piore Award und den ACM Steven A. Coons Award, den ACM Turing Award, die IEEE John von Neumann Medal und zuletzt den Kyoto Prize.

Alan Kay, selbst Träger zahlreicher Auszeichnungen für seine bahnbrechende Arbeit im Computerbereich, hat Sketchpad als „die bedeutendste Dissertation aller Zeiten“ bezeichnet. Irgendwann fragte er Sutherland: „Wie hätten Sie das erste interaktive Grafikprogramm, die erste nicht-prozedurale Programmiersprache und das erste objektorientierte Softwaresystem in einem Jahr entwickeln können?“ Sutherlands Antwort war: „Nun, ich wusste nicht, dass es schwer ist.“

Was ist mit CAD? So einfach es ist, die Einflusslinien von Sketchpad direkt auf Apple und Microsoft zu verfolgen, ist es etwas schwieriger, die Einflusslinien von Sketchpad auf die heutigen modernen CAD-Systeme zu verfolgen. Vor allem, weil diese Zeilen so allgegenwärtig sind.

Jeder, der in den 1960er oder 1970er Jahren vom MIT in die CAD-Branche wechselte – und das taten viele –, wurde von Sketchpad beeinflusst. Sogar Jon Hirschtick, ein MIT-Absolvent Mitte der 1980er Jahre, der später SolidWorks gründete, wurde von Sketchpad beeinflusst.

Trotz der Bedeutung von Sketchpad gehen keine modernen CAD-Systeme tatsächlich auf Sketchpad zurück. Dafür gibt es einige gute Gründe: Erstens war Sketchpad ein Proof-of-Concept-Programm für die Mensch-Maschine-Interaktion. Sutherland hatte nie die Absicht, es als Grundlage für ein kommerzielles Produkt zu verwenden. Zweitens wurde Sketchpad für die Ausführung auf dem TX-2, einem nichtkommerziellen Forschungscomputer, entwickelt. Es wäre schwierig gewesen, es auf einen kommerziellen Computer zu portieren (und es ist fraglich, ob es zu dieser Zeit kommerzielle Computer gab, die über ausreichende Kapazität für die Ausführung von Sketchpad verfügten).

Die hohen Rechenkosten und der Mangel an ausreichend guter Grafikdisplay-Hardware machten die Kommerzialisierung von Sketchpad praktisch unmöglich. Erst 1969 konnten Applicon und Computervision mit der Bereitstellung kommerzieller CAD-Systeme beginnen, mit denen Zeichnungen tatsächlich wirtschaftlich erstellt werden konnten.

Die tiefere Geschichte Was ich bisher über Sketchpad geschrieben habe, kann in Wikipedia oder in den meisten einfachen Geschichtsbüchern der CAD-Branche gefunden werden. Aber es gibt eine tiefere Geschichte. Es beginnt mit dieser Beobachtung: Sutherland hat Sketchpad nie als computergestütztes Designsystem bezeichnet. Dies trotz der Tatsache, dass zu denjenigen, die seine Arbeit an Sketchpad beaufsichtigten, genau die Leute gehörten, die den Begriff geprägt und die Anforderungen für computergestütztes Design definiert hatten.

Im Dezember 1959 starteten die Abteilung für Maschinenbau und das Labor für elektronische Systeme der Abteilung für Elektrotechnik des MIT ein gemeinsames Projekt, das von der US Air Force gefördert wurde, um die Möglichkeiten für etwas zu erkunden, das sie „Computergestütztes Design“ nannten.

Im nächsten Jahr, im Oktober 1960, veröffentlichte Douglas Ross, Leiter der Computer Application Group des Electronic Systems Laboratory, ein technisches Memorandum mit dem Titel „Computer-Aided Design: A Statement of Objectives“, in dem er seine Vision darlegte. Einen Monat später veröffentlichten Steven Coons und Robert Mann von der Design- und Grafikgruppe der Abteilung Maschinenbau ein ergänzendes Memorandum mit dem Titel „Computergestütztes Design im Zusammenhang mit dem technischen Designprozess“, in dem sie ihre Ansatzphilosophie darlegten. Obwohl jede Gruppe eine etwas andere Philosophie hatte, bestand ihr gemeinsames Ziel darin, ein Mensch-Maschine-System zu entwickeln, das es einem menschlichen Designer ermöglichen würde, gemeinsam an kreativen Designproblemen zu arbeiten.

Zu dieser Zeit verfügte das MIT über die einzigartige Qualifikation, dieses Forschungsprojekt zu übernehmen. Sie hatten den TX-0, einen Forschungscomputer, der für die Erforschung der Mensch-Maschine-Interaktion optimiert war, und im MIT Lincoln Laboratory befand sich der TX-2, ein noch größerer Forschungscomputer.

Im Winter 1960/61 verbrachte Ivan Sutherland einige Zeit damit, am TX-0 zu arbeiten und dabei dessen Display und Lichtstift zu verwenden. Er kam auf die Idee, dass die Anwendung von Computern zur Erstellung von Strichzeichnungen ein interessantes Thema für eine Doktorarbeit sein würde. Im Herbst 1961 verpflichtete sich Professor Claude Shannon, Sutherlands Dissertation über Computerzeichnen zu betreuen. Zu seinem Dissertationskomitee gehörten unter anderem Marvin Minsky und Steven Coons.

Obwohl Sutherland nicht am MIT Computer-Aided Design Project beteiligt war, erhielt er enorme Unterstützung. Wesley Clark, damals verantwortlich für Computeranwendungen am Lincoln Laboratory, erklärte sich bereit, ihm Zugang zum TX-2 zu gewähren. Im November 1961 hatte Sutherland die erste Version von Sketchpad im Einsatz. Diese Version, die auf einem von Coons verfassten internen Projektmemorandum basiert, konnte horizontale und vertikale Linien zeichnen und unterstützte das Zoomen der Anzeige. In seiner Dissertation sagte Sutherland: „Dieser frühe Versuch lieferte tatsächlich die T-Quadrat- und Dreiecksfähigkeiten des herkömmlichen Zeichnens.“ Es handelte sich definitiv eher um ein computergestütztes Entwurfssystem als um ein computergestütztes Designsystem.

Die in Sutherlands Dissertation beschriebene Version von Sketchpad war um einiges weiter fortgeschritten als die erste Version. Basierend auf einem Vorschlag von Shannon unterstützte es sowohl Liniensegmente als auch Bögen. Sutherland integrierte auch Konzepte, die von Mitgliedern des Computer-Aided Design Project entwickelt wurden, darunter Plex-Programmierung (ein Vorläufer der modernen objektorientierten Programmierung), die algorithmische Sprachtheorie, die Operatorentheorie und die Bootstrap-Bildsprache. Diese Version von Sketchpad enthielt auch einen von Lawrence Roberts entwickelten Constraint-Löser.

Sutherland hielt auf der Spring Joint Computer Conference 1963 einen Vortrag über Sketchpad. Außerdem sprachen Coons mit dem Titel „Ein Überblick über die Anforderungen an ein computergestütztes Designsystem“, Ross und Jorge Rodriquez mit dem Titel „Theoretische Grundlagen für das computergestützte Designsystem“ und Robert Stotz mit einem Vortrag zum Thema „Mensch-Maschine-Konsolenfunktionen für computergestütztes Design“.

Sutherland stand, wie viele andere Menschen, die Großes erreicht haben, auf den Schultern von Riesen. Clark hatte den TX-2 entworfen, einen Computer, der sich perfekt für die Erstellung eines interaktiven Zeichenprogramms eignete. Ingenieure des Lincoln Laboratory hatten das Design von Lichtstiften optimiert. Shannon hatte die Informationstheorie entwickelt. Roberts hatte Solver-Technologie beigesteuert. Aber es waren Ross und Coons, die Sutherland viele der konzeptionellen Grundlagen lieferten, die dazu beitrugen, Sketchpad wirklich hervorzuheben.

Obwohl Sutherland kein Mitglied des MIT CAD-Projekts war, unterstützten und förderten Ross und Coons seine Arbeit gerne. Sie hatten eine viel größere Vision für computergestütztes Design, aber Sketchpad war ein hervorragender Proof of Concept und spiegelte sie gut wider.

Ross schrieb 1967: „Sutherlands Geschick, Erfindungsreichtum und Fleiß, diese leistungsstarken Konzepte in einem reibungslos funktionierenden System auszudrücken und dabei die leistungsstarken Funktionen des TX-2-Computers optimal zu nutzen, ermöglichten es Sketchpad, das enorme Potenzial für viele Menschen zum Leben zu erwecken.“ für computergestütztes Design. Insbesondere die weit verbreiteten Filme von Sketchpad in Betrieb hatten einen tiefgreifenden Einfluss auf den gesamten Bereich der Computergrafik.“

Die Lektionen von Sketchpad Sutherland wollte nie ein computergestütztes Designsystem entwickeln. Er wollte ein Computer-Zeichensystem entwickeln. Für ihn war es zweitrangig, dass ein solches System zum Zeichnen oder als Werkzeug für den technischen Entwurf verwendet werden konnte.

Sutherland sagte in seinem Aufsatz „Technology and Courage“: „Ohne den Spaß würde keiner von uns weitermachen!“ Mit Sketchpad ging er mit Computer-Zeichensoftware so weit, wie er konnte, und hatte dabei trotzdem Spaß. Es wäre eher Arbeit als Spaß gewesen, es weiterzuentwickeln (wie viele CAD-Entwickler in den letzten 50 Jahren herausgefunden haben). Bei der Entwicklung von Sketchpad stellte Sutherland fest, dass das größte Hindernis für die praktische Umsetzung eines solchen Systems in der Leistung lag sein Anzeigesystem. 1968 war er Mitbegründer von Evans und Sutherland und ging dieses Problem an.

Sutherland hat zwei Versionen von Sketchpad erstellt: eine für das Zeichnen und eine für das Design. Auch heute noch sind Menschen, die sich die Filme zur Designversion von Sketchpad ansehen, von seiner Leistungsfähigkeit überwältigt. Doch auf welche Funktionen achten sie beim Kauf einer 2D-CAD-Software? Abfassung.

Im Laufe der Zeit haben eine Reihe von Unternehmen Sketchpad-ähnliche 2D-Designprogramme mit eingeschränktem Skizzieren entwickelt. Sie sind größtenteils am Markt gescheitert. Gleichzeitig entwickelte sich AutoCAD, ein einfaches 2D-Zeichenprogramm, zum weltweit beliebtesten CAD-Programm. Erst im Jahr 2010 erhielt es Einschränkungsfunktionen – etwa 47 Jahre nachdem Sketchpad sie hatte.

Der Ort, an dem die Sketchpad-ähnliche Funktionalität Akzeptanz gefunden hat, ist die merkmalsbasierte 3D-Modellierung. Die Skizziermodule für Programme wie Pro/E und SolidWorks sind Sketchpad sehr ähnlich. Zumindest was die Leistungsfähigkeit betrifft. Was sie im Vergleich zu Sketchpad versagen, ist die Erweiterbarkeit.

Die vielleicht wertvollste Lehre aus Sketchpad lässt sich aus der Beobachtung ziehen, dass Sutherland tatsächlich zwei Versionen der Software erstellt hat. Als er feststellte, dass die erste Version nicht einfach an die Anforderungen angepasst werden konnte, begann er von vorne und baute auf einer sauberen – und sorgfältig entworfenen – Softwarearchitektur auf.

Wenn Sie mehr über die Geschichte von CAD, einschließlich Sketchpad und dem MIT CAD Project, erfahren möchten, besuchen Sie www.designworldonline.com/cadhistory.

Dort finden Sie Kopien der Originaldokumente, die die CAD-Branche ins Leben gerufen haben, darunter zum ersten Mal seit ihrer Veröffentlichung im Jahr 1961 herunterladbare Versionen der ursprünglichen technischen Memos des MIT zum Thema Computer-Aided Design von Doug Ross, Steven Coons, und Robert Mann. Sie finden auch eine kostenlos herunterladbare Version von David Weisbergs 667 Seiten umfassender, maßgeblicher Geschichte der CAD-Branche, The Engineering Design Revolution.

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