他让人类能用电脑画图,完全创造了一个新的世界

好奇心日报 – 徐佳辰:说出来你可能不信,世界第一款绘图程序是这样开发出来的……

1960 年,22 岁就在 MIT 念电子工程学博士的年轻人 Ivan Sutherland 特别想在实验室里巨大的电脑上画点什么东西出来。

他将这个主题做成了自己的博士论文,编写出世界上第一款绘图程序 Sketchpad。当时他还没有想到,这篇论文和程序影响到了我们今天住房结构、汽车形状、电脑界面、乃至家具、智能手机的制造和生产……如果没有他的发明和理论,乔布斯可能还需要更多时间钻研麦金托什电脑的人机交互方式,我们也许也没机会观看到皮克斯工作室创造的优质动画。

他让人类能用电脑画图,完全创造了一个新的世界

△  Ivan Sutherland 正在 TX-2 上操作 SketchPad程序。

自 SketchPad 问世以后,设计行业(也许设计能成为一个具备标准化的行业,一部分也归功于它)进入了利用电脑进行辅助设计(Computer Assisted Design)——也就是 CAD 工具的时代。

事情是怎么发生的?

二战结束以后,1950 年代下半期,MIT 得到了来自美国空军的大笔资金资助,用于开发军用电脑系统。MIT 林肯实验室里安装了当时世界上最先进、储存量最大的电脑 TX-2,它拥有一块能够用一支光笔来进行操作的 9 英寸屏幕,以图像形式输出和输入。

如果不是 TX-2,Sutherland 不会有机会设计出 Sketchpad,因为当时普通的运算机器还需要通过一摞打孔卡才能进行人机交互。

Ivan Sutherland 出生于美国内布拉斯加州黑斯廷斯(Hastings)的一个中产阶级家庭。父亲是土木工程师。有一种说法,Sutherland 曾在一次采访中提到了自己在小学三年级之前患有读写障碍症,无法正确拼写。从而影响到了他对绘图方式和图形表达的浓厚兴趣。消息的来源无法准确查证。但 Sutherland 曾多次在公开场合描述自己为一个“视觉思考者”。

高中的时候,Sutherland 第一次接触到了计算机,那是一台世界上最早的个人电脑 Simon。并和哥哥一起用打孔卡写出了一些简单的程序。19 和 21 岁时,他在专业杂志上发表几篇关于计算机编程的论文。

他在加州大学获得了电子工程专业的硕士学位后,以博士生的身份在 MIT 得到了数学家 Steve Coons 和信息论的创造者 Claude Shannon 的指导。并加入到 MIT 正在开发的电脑辅助设计项目中,这个项目是为了想要简化人机之间的交互方式。

但真正激发 Sutherland 设计出绘图程序的,是看到同事们在玩由计算机科学家 Steve Russell 设计的最早电子游戏之一—— Spacewar!。它搭载在一台同样拥有圆形屏幕的电脑 PDP-1 上。这款简单的对战游戏在当时校园和各个科研机构里流传。

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△  图片版权:Nick Clayton

Sutherland 受到 Spacewar!游戏中使用的星际图背景、恒星周遭的重力设计、操控对战的模式等功能的启发,认为自己可以设计出一款类似的实时绘图系统。

他把自己的研究成果集结成一篇名为《SketchPad:图形化人机交流》的论文,以及一部他自己录制的 Sketchpad 操作视频。

在他的论文演讲中,Sutherland 不仅展示了一种新的计算机图形绘制方法,也提出了新的计算机操作方法——图形化的人机互动方式。

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△ Sutherland 在 《SketchPad:图形化人机交流》论文中解释了的计算机绘图方法。

Sketchpad 的出现快速推动了电脑辅助设计项目的发展。一门名叫“计算机图形学”的新学科因此诞生。

但它能在短时间内快速扩展却得益于 MIT 的一次营销——研究所把 Sutherland 使用 Sketchpad 的录像和项目组的研究成果复制了 200 多份寄往各种研究机构、新闻媒体和行业厂商。

人们在录像带中看到一名年轻人在一台庞大计算机的一块小屏幕上,用光笔绘画直线、虚线、曲线、圆等等。随着他调节按钮,这些图形也可以根据人的要求进行变化。图像的放大缩小、删除、后退、复制、黏贴….各种绘图功能一个不少。

这份报告为美国人对设计和生产过程的想象产生了巨大的影响。

尽管如此,由于当时先进的大型计算机造价昂贵,SketchPad 绘图软件出现的伊始,主要被汽车、飞机等大型工业、军事生产商作为设计部件和产品外型的工具。比如当时福特汽车公司和航空航天制造商洛克希德都邀请了 MIT 的电脑辅助设计项目组员参加电脑辅助设计程序的开发。

随着图形化人机交互的形式渐渐被越来越多人接受,欧美国家开始对电脑作为一个战争机器的形象转变为一个听话机器“奴隶”或“工作伙伴”。但是在当时,这种观念上的改变也仅仅是认为用电脑来代替笔和纸。

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△ 报纸上在介绍SketchPad的使用原理和方法。

少年天才的 Sutherland 职业发展得很顺利,他因 Sketchpad 项目而成为了美国高级研究计划署(APAR)的成员。随后又去了哈佛大学执教,在那里发表了一份名叫“终极显示”(Ultimate Dispaly)的论文,讨论了交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本设想。成为虚拟现实技术的开端。

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△  Ivan Sutherland 设计的世界上第一台虚拟现实头盔显示器。不过它用起来非常不舒服,而且巨重无比。

他在犹他大学的执教历程为现代计算机图形学的发展奠定了更重要的基础。先后培养了影响美国、乃至我们现在生活的一批计算机图形学大师。其中包括了图形用户界面的先驱者 Alan Kay 和 Pixar 创始人之一 Edwin Catmull、Adobe 公司创始人之一 John Warnock。

Sutherland 喜欢计算机和几何学,热衷于将两者结合在一块儿。Alan Kay 曾经问过他为什么能在这么短的时间内解决了这么复杂的计算机图形学问题,Sutherland 的回答是:“因为当时我没意识到有这么复杂。”

他在 SketchPad 的论文阐述中,创造性地将 SketchPad ——一个计算机工具比做设计行为本身,给电脑辅助设计做了精确的定义:“我们可以将在 SketchPad 上进行绘画操作的过程本身看作设计的过程——设置多点和多线的绘画方式,类似设计过程中产生的丰富创意;但点、线所形成的有限几何图形,也类似于设计限制为产品价值所能带去的有限的多样性。”

他继续写到:“SketchPad 的几何图形能在多大程度上满足设计师的要求,也相当于一个好的设计师能多有效地利用有限材料、有限成本做出满足各种需求的设计。事实上,现在很多领域里的设计师除了绘制图纸之外什么都不做。当这样的设计条件被加入到 SketchPad 的受限列表中时,电脑不仅可以帮助用户绘制出漂亮的图纸,也能帮助人们做出更为安全合理的设计。”

Sutherland 将“在电脑上建造一件事物”和“在图纸上画出一件事物”两者区分了开来,同时又指出了关于设计表现的多样性和设计执行过程中所受的限制性之间永恒不断的冲突。

Daniel Cardoso Llach 在《建造与视野》一书中提到:“当年这群 MIT 电脑辅助设计研究员将设计(Design)这一过程变成了建造(Building),导致产生了一种观念——即设计过程变成了一系列有结构的信息管理过程。令设计师能够为一件设计作品推测出一个尚未存在的形式。”

这种转变在个人电脑使用爆发后,为设计行为带来了福祸相依的状况。

1990 年代是 CAD 在设计行业开始真正被大规模使用的年代。包括 Marc Newson、Phillip Stack、Jasper Morrison 等设计大师都开始尝试用电脑绘图制作产品设计

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△  Marc Newson 第一次利用 CAD 工具做的设计:Ikepod手表的橡胶表带设计。可以看出今天苹果手表的表带设计受此影响很大。图片来源:A Blog to Wtach

由于计算机运算能力不断增强,从前使用计算尺和计算器工具所出现的工程误差被减小,严格按照规范建筑的四方形建筑形态立刻被打破了。

建筑大师 Frank Ghyre 在设计西班牙毕尔巴鄂古根海姆美术馆的时候,用到了最初由福特汽车公司研发,法国达索集团改进后推出的的 CATIA——3D 参数建模系统。他是一个热爱电脑辅助设计的建筑师,还自己开发了一套数字建模系统,成立了 Digital Project 科技公司。赫佐格在设计北京的“鸟巢”时,利用的便是这套系统。

他让人类能用电脑画图,完全创造了一个新的世界

△  利用 Digital Project 建模工具呈现的“鸟巢”建筑设计设计。

以往,为了确保安全,工程师必须按照一种既定的规范来设计。但日本建筑师石上纯也在建造神奈川工科大学 KAIT 工房时候,利用自己编写的 CAD 程序设计出了一座玻璃房,打破了柱子传统的矩阵排列方式。305 根柱子呈现不规则状态散步在房子中,每一根的切面形状也各不相同。这是一个完全打破规则的实验性设计作品,没有 CAD,这种建筑是不可能被建造出来的。

他让人类能用电脑画图,完全创造了一个新的世界

△ 神奈川工科大学(Kanagawa Institute of Technology,KAIT)于2008年春天落成启用的 KAIT 工房。

反之,尽管计算机图形学和电脑辅助设计为世界创造了巨变,它逐渐演变成一种设计的“方式”,而不仅是纯粹的工具。(尽管建筑学院都尽量让学生将 CAD 看作工具,但它能做的事情实在太多了)。因此,不论是建筑师、设计师、还是文化学者们在谈论到这一点时都看上去显得有些警惕。

社会学、人类学教授 Richard Sennett 在《匠人》一书中提出:“现代电脑程序确实能够通过更新的形式从它们的经验中吸取教训,因为算法可以借鉴反馈的资料进行重写。但问题在于人们可能会让机器学习,自己只是被动地见证和消费这种不断扩展的能力,而不是参与到其中去。滥用 CAD 的例子表明,当双手和大脑分离时,受到伤害的是大脑。”

一个例子是十多年前关于空客 A380 的建造项目。显然,作为这个世界上最复杂的交通工具设计之一,没有 CAD 工具,飞机的设计和制造都难以完成。但这个项目却由于内部线路的设计问题而推迟交付了两年,并多花费了几十亿美元预算。

事情起源于当工程师在法国图卢兹建造第一架 A380 原型时发现,已经在按设计规格生产的电线完全无法满足飞机内服复杂的线路集成系统的需求——它们都太短了。

空客管理层几经内部审查,才弄明白原委:问题的关键在于,由于该设计制造项目涉及 4 个不同国家的 16 方团队,不同设计团队使用了不同的 CAD 设计软件,从而导致电线穿过飞机机身的弯曲半径的计算在不同软件中的结果是不一致的。

最后,1100 名工程师不得不在图卢兹通宵露营,试图纠正这个失误。

斯坦福大学研究员 Polly Brown 在一篇论文中指出,在 CAD 工具被普遍利用之前,设计的步骤是非常复杂而充满了重复性的:从想法到实体必须经过草图、图纸、模型、最终模型,最后制作之间来回反复转换。而 CAD 出现之后,设计和修改图纸都变得非常容易——设计过程变得只有几个基本步骤——想法、CAD 图纸、模型、制作。

这种差异其实是一系列 CAD 软件在商业上取得成功的部分原因——人们可用它来生产漂亮的图纸,而掩盖在实施或实际使用过程中会出现的问题。

苹果的设计总监 Jony Ive 在一次伦敦设计博物馆的讨论会里稍稍抱怨过一次:“我们现在面试过太多知道怎么设计,但不知道怎么制作的设计师。因为显然,学校里的创意研讨班很贵,但一台电脑很便宜。而且 CAD 能让一个坏的设计看上去是可以被接受的。”

Henry Petroski 在《设计,人类的本性》一书中则提出了另一种担忧:“由于电脑的成本低廉,计算机软件容易获取,年轻的工程师对演算出的设计缺乏判断力。”这一方面导致了产品安全系数存疑,另一方面——复制变得容易、成本更低——在产品设计图纸上的互相抄袭造成了大量山寨产品。

“我们用什么来衡量某项工作是否出色呢?其中一个标准是某件事应该怎么做,另一个标准是这项工作有没有用。这是正确性和功能性之间的区别。在理想的情况下,这两者是没有冲突的;但在现实世界,它们经常是有冲突的。” Richard Sennett 说,他认为,真正执行制作的匠人会对产品的制作和使用拥有更周全的考虑,而他们往往无法参与设计。“这正是技能的问题所在:大脑和双手分离不是因为知识不够,而是社会造成的。”

题图来自:Pinterest

「工具取代纸笔,AI 取代设计师?」

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