50 años de CAD

Jan 05, 2024

Por Evan Yares | 13 de febrero de 2013

porEvan Yares, editor sénior y analista, software

El primer sistema CAD se creó a principios de los años 60. Los programas CAD modernos nunca se han puesto al día.

En enero de 1963, Ivan Sutherland, candidato a doctorado en el MIT, presentó su tesis, titulada “Sketchpad: un sistema de comunicación gráfica hombre-máquina”, que describía su trabajo en la creación de lo que ahora se reconoce como uno de los primeros sistemas CAD interactivos.

Sketchpad se ejecutó en la computadora TX-2 de MIT Lincoln Labs. En aquel momento era una de las máquinas más grandes del mundo, con 306 kilobytes de memoria central. Se diferenciaba de la mayoría de las computadoras contemporáneas en que fue diseñada para probar la interacción persona-computadora. Además del complemento estándar de dispositivos de E/S, el TX-2 tenía botones programables para ingresar comandos, un osciloscopio/pantalla de video (direccionable a 1024 × 1024 píxeles), un lápiz óptico para entrada y un trazador de lápiz para salida. . Fue, en cierto modo, la primera computadora personal, aunque ocupó un edificio entero.

Ivan Sutherland en la computadora TX-2 de los Laboratorios Lincoln del MIT.

A diferencia de las aplicaciones informáticas anteriores, que estaban orientadas por lotes, Sketchpad era interactiva. Usando el lápiz óptico y los botones de entrada, puedes dibujar directamente en la pantalla, usando un cursor en forma de cruz. El programa admitía puntos, segmentos de línea y arcos como elementos básicos, pero permitía guardarlos en dibujos maestros, que podían copiarse o crear instancias. Esta función se utilizó para crear glifos de caracteres alfanuméricos y símbolos esquemáticos eléctricos.

Una cosa que hizo que Sketchpad realmente se destacara fue su subsistema de gestión de restricciones. No solo admitía restricciones explícitas, agregadas a las entidades después de que fueron dibujadas, sino que también admitía restricciones implícitas, creadas a medida que se dibujaban las entidades. Por ejemplo, si comienza a dibujar una línea y acerca el cursor al punto final de otra línea, se ajustará a ese punto final. Y recordaría que las dos líneas estaban conectadas. Si, mientras editaba, movía una línea, la otra línea se movería con ella.

Sketchpad incluía 17 tipos diferentes de restricciones, incluidas verticales, horizontales, perpendiculares, coincidentes, paralelas, alineadas, de igual tamaño y más. Estas restricciones nativas (o “atómicas”) podrían combinarse para crear relaciones más complejas. Sketchpad incluso permitió la visualización de restricciones en la pantalla, utilizando iconos (símbolos) para representar cada tipo.

Con el sistema de restricciones, era posible esbozar una forma de manera flexible y luego agregar relaciones geométricas y topológicas para modificarla y darle la forma exacta que necesitaba. Incluso fue posible utilizar restricciones para realizar análisis estructurales de armaduras de celosía, como las que se pueden encontrar en puentes voladizos y en arco.

Visualmente, Sketchpad fue sorprendentemente interactivo. Admitía el uso de bandas elásticas al dibujar o editar entidades (para que las entidades se estiraran a medida que movía el cursor). Admitía el movimiento, rotación y escala dinámica de entidades (lo que significa que se movían, rotaban y escalaban a medida que movía el cursor). no solo admitía zoom y panorámica (dinámicamente, por supuesto), sino que lo hacía de forma transparente, incluso cuando estaba en medio de otra operación de dibujo o edición.

Sketchpad fue diseñado para ser extensible, con posibilidad de agregar nuevos tipos de elementos gráficos y nuevos tipos de restricciones. Poco después de que Sutherland presentara su tesis de Sketchpad, Timothy E Johnson presentó su tesis de maestría que describe Sketchpad III, una versión 3D del programa. Casi al mismo tiempo, Lawrence G. Roberts presentó su tesis doctoral, en la que había agregado soporte a Sketchpad para sólidos 3D, incluidos ensamblajes y eliminación de líneas ocultas en tiempo real.

Timothy E. Johnson

Si bien es probable que Sketchpad hubiera recibido mucha atención por sí solo, Sutherland, Johnson y Roberts hicieron películas de 16 mm, demostrando su trabajo. Una combinación de estas películas se utilizó en un programa de 30 minutos en 1964 para la estación de televisión de Boston WBGH. (Hay una película que parece ser una versión editada de esto en YouTube. Simplemente busque "Ivan Sutherland"). Además, tanto Sutherland como Johnson presentaron artículos sobre su trabajo en la Spring Joint Computer Conference de 1963.

Sketchpad fue pionero en algunos de los conceptos más importantes de la informática, incluida la interfaz gráfica de usuario, la programación no procedimental y la programación orientada a objetos. Si utiliza una computadora o un teléfono inteligente, está utilizando tecnología de la que Sketchpad fue pionera.

Sutherland no se durmió en los laureles después de Sketchpad. Luego dirigió ARPA (el predecesor de DARPA). Co-creó la primera pantalla montada en la cabeza de realidad virtual y realidad aumentada. Cofundó Evans and Sutherland, donde realizó un trabajo pionero en el campo del hardware en tiempo real, gráficos 3D acelerados y lenguajes de impresión. Fue miembro y vicepresidente de Sun Microsystems. Enseñó en Harvard, la Universidad de Utah y Caltech. Ahora, a la edad de 74 años, dirige la investigación sobre computación asincrónica en la Universidad Estatal de Portland.

Como resultado de su trabajo en Sketchpad y sus muchas contribuciones posteriores a la informática, Sutherland ha recibido una deslumbrante variedad de honores, incluido el Primer Premio Zworykin de la Academia Nacional de Ingeniería, el Premio IEEE Emanuel R. Piore, el ACM Steven A. Coons Award, el Premio ACM Turing, la Medalla IEEE John von Neumann y, más recientemente, el Premio Kyoto.

Alan Kay, que recibió numerosos honores por su trabajo pionero en informática, ha descrito Sketchpad como "la tesis más importante jamás realizada". En un momento, le preguntó a Sutherland: "¿Cómo es posible que hayas creado el primer programa de gráficos interactivos, el primer lenguaje de programación no procedimental y el primer sistema de software orientado a objetos, todo en un año?" La respuesta de Sutherland fue "bueno, no sabía que era difícil".

¿Qué pasa con el CAD? Tan fácil como es rastrear las líneas de influencia desde Sketchpad directamente hasta Apple y Microsoft, es un poco más difícil rastrear las líneas de influencia desde Sketchpad hasta los sistemas CAD modernos de hoy. Sobre todo porque esas líneas son muy omnipresentes.

Cualquiera que pasó del MIT a la industria CAD en los años 1960 o 1970 (y hubo muchas personas que lo hicieron) fue influenciado por Sketchpad. Incluso Jon Hirschtick, un graduado del MIT a mediados de la década de 1980 que fundó SolidWorks, fue influenciado por Sketchpad.

A pesar de la importancia de Sketchpad, ningún sistema CAD moderno tiene sus raíces en Sketchpad. Hay algunas buenas razones para esto: Primero, Sketchpad era un programa de prueba de concepto para la interacción hombre-máquina. Sutherland nunca tuvo la intención de que fuera la base de un producto comercial. En segundo lugar, Sketchpad fue diseñado para ejecutarse en el TX-2, una computadora de investigación no comercial. Habría sido difícil trasladarlo a una computadora comercial (y es cuestionable si en ese momento había computadoras comerciales que tuvieran suficiente capacidad para ejecutar Sketchpad).

Los altos costos de la informática y la falta de hardware de visualización de gráficos suficientemente bueno hicieron que la comercialización de Sketchpad fuera prácticamente imposible. No sería hasta 1969 que Applicon y Computervision pudieron comenzar a ofrecer sistemas CAD comerciales que realmente pudieran producir dibujos de manera económica.

La historia más profunda Lo que he escrito hasta ahora sobre Sketchpad se puede encontrar en Wikipedia o en la mayoría de las historias simples de la industria CAD. Pero hay una historia más profunda. Comienza con esta observación: Sutherland nunca llamó a Sketchpad un sistema de diseño asistido por computadora. Esto, a pesar de que, entre quienes supervisaron su trabajo en Sketchpad se encontraban las mismas personas que acuñaron el término y definieron los requisitos para el diseño asistido por computadora.

En diciembre de 1959, el Departamento de Ingeniería Mecánica y el Laboratorio de Sistemas Electrónicos del Departamento de Ingeniería Eléctrica del MIT iniciaron un proyecto conjunto, patrocinado por la Fuerza Aérea de los EE. UU., para explorar las posibilidades de algo que llamaron "Diseño asistido por computadora".

Al año siguiente, en octubre de 1960, Douglas Ross, jefe del Grupo de Aplicaciones Informáticas del Laboratorio de Sistemas Electrónicos, publicó un memorando técnico titulado “Diseño asistido por computadora: una declaración de objetivos”, en el que exponía su visión. Un mes después, Steven Coons y Robert Mann, del Grupo de Diseño y Gráficos del Departamento de Ingeniería Mecánica publicaron un memorando complementario, titulado “Diseño asistido por computadora relacionado con el proceso de diseño de ingeniería”, en el que exponen su filosofía de enfoque. Si bien cada grupo tenía una filosofía algo diferente, su objetivo común era desarrollar un sistema hombre-máquina que permitiera a un diseñador humano trabajar juntos en problemas de diseño creativo.

En ese momento, el MIT estaba excepcionalmente calificado para asumir este proyecto de investigación. Tenían el TX-0, una computadora de investigación optimizada para explorar la interacción hombre-máquina, y ubicada en el Laboratorio Lincoln del MIT estaba la TX-2, una computadora de investigación aún más grande.

Durante el invierno de 1960-61, Ivan Sutherland pasó algún tiempo trabajando en el TX-0, utilizando su pantalla y su lápiz óptico. Se le ocurrió la idea de que la aplicación de las computadoras para hacer dibujos lineales sería un tema interesante para su tesis doctoral. En el otoño de 1961, el profesor Claude Shannon firmó para supervisar la tesis de dibujo por computadora de Sutherland. Entre otros miembros de su comité de tesis estaban Marvin Minsky y Steven Coons.

Aunque Sutherland no formó parte del Proyecto de Diseño Asistido por Computadora del MIT, recibió un gran apoyo. Wesley Clark, entonces a cargo de aplicaciones informáticas en el Laboratorio Lincoln, accedió a darle acceso al TX-2. En noviembre de 1961, Sutherland tenía funcionando la primera versión de Sketchpad. Esta versión, basada en un memorando de proyecto interno escrito por Coons, podía dibujar líneas horizontales y verticales y admitía el zoom de la pantalla. En su tesis, Sutherland dijo que "este esfuerzo inicial proporcionó de hecho las capacidades de T-cuadrado y triángulo del dibujo convencional". Definitivamente era más un sistema de dibujo asistido por computadora que un sistema de diseño asistido por computadora.

La versión de Sketchpad descrita en la tesis de Sutherland era bastante más avanzada que la primera versión. Basado en una sugerencia de Shannon, admitía tanto segmentos de línea como arcos. Sutherland también incorporó conceptos desarrollados por miembros del Proyecto de diseño asistido por computadora, incluida la programación compleja (un precursor de la programación moderna orientada a objetos), la teoría algorítmica del lenguaje, la teoría de los operadores y el lenguaje de imágenes Bootstrap. Esta versión de Sketchpad también incluía un solucionador de restricciones desarrollado por Lawrence Roberts.

Sutherland hizo una presentación sobre Sketchpad en la Spring Joint Computer Conference de 1963. También intervinieron Coons, cuya presentación se tituló “Un esquema de los requisitos para un sistema de diseño asistido por computadora”, Ross y Jorge Rodríguez, quienes presentaron “Fundamentos teóricos para el sistema de diseño asistido por computadora”, y Robert Stotz, quien presentó sobre “Instalaciones de consola hombre-máquina para el diseño asistido por ordenador”.

Sutherland, como muchas otras personas que han logrado grandes cosas, se apoyó en los hombros de gigantes. Clark había diseñado el TX-2, un ordenador perfectamente adaptado para crear un programa de dibujo interactivo. Los ingenieros del Laboratorio Lincoln habían optimizado el diseño de los bolígrafos luminosos. Shannon había creado la teoría de la información. Roberts había contribuido con tecnología de resolución. Pero fueron Ross y Coons quienes proporcionaron a Sutherland muchos de los fundamentos conceptuales que ayudaron a que Sketchpad realmente se destacara.

Aunque Sutherland no era miembro del Proyecto CAD del MIT, Ross y Coons estuvieron felices de apoyar y promover su trabajo. Tenían una visión mucho más amplia del diseño asistido por computadora, pero Sketchpad fue una excelente prueba de concepto y se reflejó bien en ellos.

Ross, en un escrito de 1967, dijo: “La habilidad, la inventiva y la diligencia de Sutherland al expresar estos poderosos conceptos en un sistema que funciona sin problemas, aprovechando al máximo las potentes funciones del TX-2 Computer, permitieron a Sketchpad hacer realidad para muchas personas el vasto potencial para el diseño asistido por ordenador. En particular, las películas ampliamente difundidas de Sketchpad en funcionamiento han tenido una profunda influencia en todo el campo de los gráficos por ordenador”.

Las lecciones de Sketchpad Sutherland nunca quiso crear un sistema de diseño asistido por computadora. Quería crear un sistema de dibujo por computadora. Para él, era de importancia secundaria que un sistema así pudiera usarse para dibujar o como herramienta para el diseño de ingeniería.

Sutherland, en su artículo Technology and Courage, dijo: "¡Sin diversión, ninguno de nosotros continuaría!". En Sketchpad, llegó tan lejos como pudo con el software de dibujo por computadora sin dejar de divertirse. Llevarlo más lejos habría sido más un trabajo que una diversión (como lo han descubierto muchos desarrolladores de CAD en los últimos 50 años). En el proceso de creación de Sketchpad, Sutherland descubrió que el impedimento más desafiante para hacer que un sistema de este tipo fuera práctico era el desempeño de su sistema de visualización. En 1968, cofundó Evans and Sutherland y abordó ese problema.

Sutherland creó dos versiones de Sketchpad: una que hacía bocetos y otra que diseñaba. Incluso hoy en día, las personas que ven las películas de la versión de diseño de Sketchpad quedan impresionadas por su capacidad. Sin embargo, ¿qué capacidades buscan cuando compran software CAD 2D? Redacción.

Con el tiempo, varias empresas han desarrollado programas de diseño 2D similares a Sketchpad que ofrecen bocetos restringidos. En su mayoría han fracasado en el mercado. Al mismo tiempo, AutoCAD, un sencillo programa de dibujo 2D, creció hasta convertirse en el programa CAD más popular del mundo. Recién obtuvo capacidades de restricción en 2010, unos 47 años después de que Sketchpad las tuviera.

El lugar donde la capacidad similar a Sketchpad ha encontrado aceptación es en el modelado basado en funciones 3D. Los módulos de dibujo para programas como Pro/E y SolidWorks se parecen mucho a Sketchpad. Al menos, en capacidad. Donde fallan en comparación con Sketchpad es en la extensibilidad.

Posiblemente la lección más valiosa de Sketchpad se pueda extraer de la observación de que Sutherland en realidad construyó dos versiones del software. Cuando descubrió que la primera versión no podía modificarse fácilmente para hacer lo que se requería, comenzó de nuevo y desarrolló una arquitectura de software limpia y cuidadosamente diseñada.

Si desea obtener más información sobre la historia de CAD, incluidos Sketchpad y el proyecto CAD del MIT, visite www.designworldonline.com/cadhistory.

Allí encontrará copias de los documentos originales que lanzaron la industria CAD, incluidas, por primera vez desde su publicación en 1961, versiones descargables de las notas técnicas originales del MIT sobre diseño asistido por computadora de Doug Ross, Steven Coons, y Robert Mann. También encontrará una versión descargable gratuita de la autorizada historia de la industria CAD de 667 páginas de David Weisberg, The Engineering Design Revolution.

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