ベクタージェネラル

Vector General ( VG ) は、グラフィックス端末のシリーズであり、それを製造したカリフォルニアの会社の名前です。1969 年に初めて導入され、1980 年代初頭までコンピュータ ラボで使用されていました。

端末は、ホストミニコンピュータによって提供されるベクトルを読み込む共通プラットフォームに基づいており、端末内で基本的な数学的変換を実行できるハードウェアが含まれていました。これにより、オブジェクトの回転やズームインなどの操作のパフォーマンスが大幅に向上しました。変換されたベクトルは、端末に内蔵されたベクトル モニターに表示されます。

他のベンダーの同様の端末とは対照的に、ベクタージェネラルシステムには内部メモリがほとんどありませんでした。代わりに、ホストコンピュータのメモリにベクトルを保存し、ダイレクトメモリアクセス（DMA）を介してアクセスしました。フル装備のVG3D端末は、ローエンドのPDP-11コンピュータを含めて約31,000ドルで動作しました^{[1]。一方、} IBM 2250などのマシンは、端末だけで100,000ドルかかりました^{[2] 。 [a]}

コンピュータグラフィックス分野では数多くの有名な用途が知られていますが、その中でもスターウォーズで「デススターへの攻撃は容易ではない」というアニメーションを制作するために使用されたのは、PDP-11/45に接続されたVG3D端末でした。^{[4] [5]}

1960年代後半、特に3Dのグラフィックス表示のパフォーマンスを向上させるための一般的な試みは、内部メモリにベクトルのリストを保持し、ディスプレイコントローラで実行されるハードウェアまたはソフトウェアを使用して回転や拡大縮小などの基本的な変換を提供する特別な端末を使用することでした。これらの変換は比較的単純であったため、比較的低コストで端末に実装でき、ホストCPUでこれらの操作を実行する時間を費やす必要がなくなりました。これらの操作の少なくとも一部を実行するシステムには、IDI、Adage、およびImlac PDS-1が含まれていました。^[6]

VG シリーズ端末の重要な革新は、ホスト コンピュータのメモリにアクセスするためにダイレクト メモリ アクセス(DMA) を使用したことです。これにより、端末は独自のストレージをあまり必要とせず、シリアル ベースのTektronix 4010や同様のシステムのような低速リンクを介してデータをコピーすることなく、データに迅速にアクセスできるようになりました。^[7]このアプローチの欠点は、DMA を提供するマシンでのみ使用でき、比較的高価なアダプタを介してのみ使用できることです。^[b]

基本的な概念は、ホスト コンピュータが計算を実行して 2D または 3D モデルの一連のポイントを作成し、それを 12 ビット値として表現し、通常は追加のステータス ビットが詰め込まれた16 ビット ワードに格納されるというものでした。その後、端末は定期的にコンピュータに割り込み (1 秒間に 30 ～ 60 回)、^[8]データをすばやく読み出して表示します。^{[9]各ポイントは、数学関数を適用して拡大縮小、変換、(オプションで) 回転する間、一時保存のためにローカル}メモリ レジスタに 1 つずつ読み込まれ、最終的な値が計算されると、それらのポイントはブラウン管( CRT) に送信されて表示されます。^[9]

座標変換ハードウェアには3つの異なるモデルがあった。最も基本的なシステムには、2D画像のパンとズームに必要なハードウェアが含まれていた。この場合、それを含む端末はVector General 2Dと呼ばれる。別のバージョンでは、任意の点を中心に2D画像を回転する機能が追加され、2DR（Rotateの略）と呼ばれた。最も高価なオプションは3Dで、3Dベクトルの回転、パン、ズームを提供した。これらのモデルのいずれかに追加でき、名前に反映されていない別のオプションは、文字ジェネレーターを追加した。^[10]

正方形の CRT は、従来のラスタースキャン方式で表示されるのではなく、変換ハードウェアの出力から直接駆動されました。^[9]同社はこのタイプの操作を「ランダムスキャン」と呼んでいましたが、^{[8]現代の参考文献では一般的に}ベクターモニターと呼ばれています。 対角線が 17 インチ (430 mm) と 21 インチ (530 mm) の 2 つの基本的な CRT モデルが用意されていました。21 インチ モデルには、描画速度を向上させる特別な「高速」バージョンも用意されていました。 CRT は、テレビのような磁気ではなく、電磁偏向を使用して高速スキャン性能を提供しました。^[11]

システムにはいくつかの異なる入力デバイスを接続できます。最も一般的なのは70キーのキーボードですが、他には内部レジスタ制御ライト付きのモーメンタリプッシュボタンスイッチ、グラフィックタブレット、ライトペン、ダイヤルボックス、ジョイスティックなどもありました。^[12]システム全体はかなり大きく、小型冷蔵庫ほどの大きさでした。^[13]

ベクトルは空間内の2つの端点によって論理的に表現されます。各点は2つまたは3つの12ビット値によって定義され、X、Y、および（オプションで）Zの0から4,095までの空間を表します。^[11]端末には、操作中に値を保持するための12ビットレジスタが3つありました。^[14]

このシステムでは、メモリ内でベクトルをさまざまな方法で表現できます。最も基本的なモードである「絶対」では、ベクトルの両端に 1 つずつ、合計 2 つのポイントが必要です。^[15]「相対」ベクトルは、最後の値セットからのオフセットとして表現されるため、ベクトルを定義するには 1 つのポイントのみが必要で、最初のポイントは最後のポイントの終点になります。これにより、データが折れ線グラフのように連続している場合は、完全な描画を記述するために必要なポイントの数が半分になります。 「増分」ベクトルは、ポイントごとに 6 ビットのみを使用することでメモリをさらに削減し、ホスト内のメモリを少なくしてデータをパックできます。システムは、最後の値の上位または下位 6 ビットに値を追加するように設定できるため、大まかな移動または細かい移動が可能です。最後に、「自動増分」ベクトルは、1 つの値のみを保存し、新しいポイントが読み込まれるたびに他の値を事前設定された量だけ増分することで、メモリ要件をさらに削減します。これらは相対ベクトルに似ており、2 つの軸の 1 つは常に同じ相対オフセットを持ちます。^[16]このシステムには、一連の点を送信するのではなく、円弧を生成するための別の回路もありました。^[17]

ディスプレイは 32 種類の輝度レベルを生成できました。これは端末のレジスタを設定することで直接プログラムできますが、3D のプログラム モードでより一般的に使用されました。このモードでは、ベクトルが描画されるにつれて輝度が自動的に変更され、Z 次元の深い項目は輝度が低く描画されます。これにより、オブジェクトの前面がディスプレイ上でより明るく見える奥行きの手がかりが生成されます。この変更の速さは ISR レジスタで設定されました。^[18]

独立した12ビットのPSレジスタにはスケール乗数が保持されていました。この値が使用されていない場合、座標系は画面の約2倍の物理領域を表し、画像を変換してスクロールすることができます。このレジスタに値が配置されると、ベクトルレジスタと文字描画システムの座標にこの値が乗算され、ズーム効果が生成されます。^[19]

オプションの文字ジェネレータは、ハードウェア定義の 5 つの図形、つまり円、中央に縦線がある正方形、中央に横線がある正方形、縦向きの砂時計と横向きの同様の砂時計の 1 セットを使用して文字を描画します。ハードウェアによってこれらの図形が描画されるときにビームをオン/オフすることで、システムは必要な文字を描画できます。たとえば、文字 C は O の図形を使用して描画され、右側にあるときはビームをオフにします。文字 D は O の図形を使用して描画され、左側にあるときはオフにし、中央の縦線が描画されるときのみビームをオンにして縦線のボックスを描画します。完全な文字を生成するには、このような「描画」を 1 回から 3 回行う必要があります。^{[20]システムには、通常の}ASCII文字に加えて、ギリシャ文字や数学記号もいくつか含まれていました。^[21]

端末は定期的にDMAを使用してホストコンピュータのメインメモリを読み取り、ディスプレイを更新します。その後の通信は、PIRレジスタに要求の詳細を含む割り込み要求を作成した後、単一の双方向I/Oポート^{[9]を介して処理されます。 [22]}設定と指示は、I/Oポートと端末の85個のレジスタの1つとの間でデータを送受信することによって処理されました。^[14]

たとえば、ホストはPSレジスタの値を設定して、画像を拡大することができます。これは、設定するレジスタの番号（この場合は17）を含む16ビットのメッセージを含む割り込みを呼び出すことによって行われます。端末は、I/Oチャネルを介して16ビットのメッセージを送り返すことで応答します。書き込みも同様のプロセスを使用して処理されますが、端末は代わりに値を読み取ることで割り込みに応答しました。^[23]

ベクトルリストの開始のベースアドレスとその中のオフセットはレジスタ14と15にありました。^[14]これにより、ディスプレイはコンピュータのメモリ内の別々のポイントセットを書き出し、レジスタ14の値を別のベースアドレスを指すように変更することで、ディスプレイを一度に変更することで、一種の「ページフリップ」を実行できました。これは、ホストコンピュータで使用可能なメモリの量によって制限されました。^[24]

表示命令にはさまざまな形式があり、ベクトルだけでなくさまざまなコマンドも作成できます。たとえば、特定のレジスタにデータをロードする命令があり、最初の 16 ビット ワードにレジスタの詳細、次の 16 ビット ワードに値が含まれます。他の命令は、レジスタ値に対して論理 OR または AND を実行します。表示命令自体はこれらの操作と組み合わせることができるため、たとえば、システムは選択した項目の表示を開始し、ランプを点灯し、画像を回転し、さらにベクトルを描画することができます。^[25]

VG3D は歴史的にはスターウォーズで使用されたことで有名ですが、コンピュータ支援設計の開発における初期の役割でもよく知られています。

ラリー・キューバはVG3D端末を備えたPDP-11/45でスターウォーズのコンピュータアニメーション2部を制作した。フレームごとに画像を撮影するために、プッシュボタンパネルのライトの1つとカメラのシャッタートリガーの間にワイヤーが接続された。これはホストコンピュータによってトリガーされ、カメラはシャッターを1回解放し、フィルムを1フレーム進めた。^{[26] [27]}

デス・スターの外観を示す最初の部分は、VG3Dの内部表示機能のみに基づいています。モデルは、PDP-11のメモリに保持されたステーションの輪郭を表す単純な一連の3Dポイントで構成され、関連するGRASSプログラミング言語の曲線生成コードを使用してアルゴリズム的に構築されました。映画で見られるように画像を移動および回転するには、関連するGRASSプログラムが新しい回転およびズーム数値を端末のレジスタにロードし、カメラをトリガーします。^[26]

2 番目のセグメントは、最後の攻撃で塹壕を飛行する様子を、最初は上空から、次にパイロットの視点から示している。このシーケンスに必要な遠近法の計算が端末でサポートされていなかったため、この作成ははるかに困難だった。撮影中に使用された塹壕の物理モデルは、一連の 6 つの特徴で構成されており、これらが何度も複製され、さまざまな方法で組み立てられて、1 つの 40 フィート (12 メートル) の長さのモデルが作成された。キューバは、これらの 6 つの特徴を写真からデジタル化し、さまざまな構成で 50 を超える U 字型のセクションに組み合わせた。各フレームでは、これらのセクションのうち 5 つが深さ方向に積み重ねられ、遠近法の計算が適用された。アニメーションが進むにつれて新しいセクションが追加される様子は、映画で見ることができる。これは、静止画像として端末に送信され、カメラがトリガーされた。各フレームのレンダリングには約 2 分かかった。^[28]

マイク・ムウスは、米陸軍の弾道研究所がサイバー173と、それを駆動するためのVG3D端末とPDP-11/34からなる3台のワークステーションを購入したことを回想している。これらは互いに接続することを意図していたが、誰もこれを動作させることができず、結局VGワークステーションは使われずに放置された。彼はこれらのハードウェアがすべて無駄になっているのを見て困惑し、1979年にワークステーションの1台を接続して、回転する3Dキューブを生成するプログラムを作成した。^[29]

別のプログラマーは、 XM1戦車設計の3Dポイントのセットを与えられ、それをCalcompプロッターに出力するコードを書いていた。彼はMuussに、代わりにVGターミナルに表示して回転させることができるかどうか尋ねた。彼は最初、 Tektronix 4014で静止画像として出力したが、翌晩、VG3Dに表示して、内部のベクトルハードウェアを使用して簡単に回転できるようにした。^[30]

陸軍では誰もこのようなものを見たことがなかった。翌日、 ARRADCOMの司令官が実際に見るために飛行機でやって来た。その後2週間、Muussは次々と将校たちにシステムのデモを行った。^{[30]このデモは非常に有名になり、Muussは}BRL-CADの開発を始めることができた。^[31]

• ボレッリ、クリストファー (2017 年 5 月 23 日)。「『スターウォーズ』デススターの設計図は UIC で作成されました」。シカゴトリビューン。

• デファンティ、トム、サンディン、ダン (1981)。「システムを目標に合わせる - テレビにするか、しないか」。クラーク、デイビッド (編)。イメージ作成のためのコンピューター。ペルガモン プレス。39 ～ 55 ページ。ISBN 9781483294636。

• Vector General グラフィックス表示システムリファレンスマニュアル。Vector General。1972 年 1 月。

• Muuss, Michael (2000 年 9 月)。「最近の歴史: スーパーコンピュータとネットワーク」。Bergin, Thomas (編)。陸軍コンピューティングの 50 年: ENIAC から MSRC まで。DIANE Publishing。ISBN 9781428916593。

• ペディ、ジョン（2013）。コンピュータにおけるビジュアルマジックの歴史。シュプリンガー。ISBN 9781447149323。

• Phillips, Richard (1978)。コンピュータグラフィックスアプリケーション。ミシガン大学。

• スウィート、ニーサ (1981 年 2 月)。「デス・スター・トレンチのアニメーション化」(PDF)。『The Very Best of Fantastic Films: The Magazine of Imaginative Media』。pp. 26–30。

• ワイスバーグ、デイビッド (2008)。エンジニアリングデザイン革命(PDF)。

• スターウォーズのコンピュータグラフィックスの制作。スターウォーズのアニメーションの制作プロセスを説明するためにラリー・キューバが制作した短編映画です。

• LDS-1（線描画システム-1）