История планшетных компьютеров. От древних времен до конца двадцатого века

Как вы думаете, какой планшет был первым? Apple iPad? Может «интернет-планшеты» от Nokia? Мечтали и фантазировали люди о подобном устройстве с конца 19-го века. В середине века 20-го писатели фантасты всё чаще рассуждали о них в своих произведениях. Но фактическая история планшетных компьютеров началась в 80-е с разработкой первых реальных прототипов, а коммерчески успешным стал GRiDPad 89-го года, от американской компании GRiD, известной также по изобретению современного подобия ноутбука. В этой статье я постараюсь глубоко не погружаться в технические характеристики и принципы работы планшетных компьютеров, но попробую по полочкам разложить основные вехи этой истории и рассказать о самых интересных представителях семейства.

❯ Ранние годы

Всего до начала 50-х годов прошлого века в Америке было выдано несколько патентов, связанных с электронным вводом рукописной информации. Самый первый датируется 1888 и был получен Элишей Греем за описание электрического устройства, использующего стилус. Называлось оно Telautograph и использовалось для передачи рукописей и рисунков на расстояния.

Принцип работы устройства заключается в том, что специальный планшет с чувствительным пером подключен к телеграфу через электромагнитные приводы. Когда человек пишет или рисует на планшете, перо реагирует на давление и передаёт электрические сигналы на пишущий механизм, который воспроизводит эти движения на бумаге. Таким образом, можно дистанционно подписывать документы или создавать художественные произведения.

Следующее важное для нашего рассказа приспособление было создано в 1942 году. Патент за номером US1117184 был получен Хайманом Эли Голдбергом за устройство под названием Controller, которое считывало особым образом написанные  цифры и превращало их в поток электрических сигналов. По заявлению создателя, его изобретение можно подключать к различным типам механизмов: копирующим, сортирующим и даже к пишущим машинкам.

Для того, чтобы это работало, символы должны быть написаны токопроводящими чернилами. Затем сверху кладётся «контактор», состоящий из шести групп по 5 контактов. Чернила замыкают клеммы, каждая цифра определенным образом из-за особенностей формы и на выходе получаются соответствующие напряжения.

В том же 1942 году Ханна Муди, одна из будущих разработчиков цветного телевидения, изобретает систему «сенсорного» ввода рукописного текста на основе резистивных (реагирующих на изменение сопротивления) плёнок и источника переменного тока.

В каком-то смысле, это было дальнейшее развитие идей Telautograph. Но теперь устройство было полностью электрическим, а в качестве выводного интерфейса служила электронно-лучевая трубка.

❯ Stylator

Прежде чем перейти от отдельных изобретений к полноценному электронному устройству, давайте подумаем, что необходимо для работы с компьютером, использующим рукописный ввод. В наше время это кажется достаточно простым, но если вспомнить, как выглядели компьютеры в 50-60-е годы, становится очевидным, что многое пришлось сделать, прежде чем мы пришли к распознаванию текста. Потребовалось устройство ввода, дисплей для отображения результатов, мощный компьютер и сложное программное обеспечение, чтобы картинка сложилась.

Первой частью было устройство ввода. В 1957 году Том Даймонд представил свое изобретение в подробной статье под названием «Устройства для чтения рукописных символов». Stylator — это сокращение от стилуса и переводчика (translator), что должно четко указывать на то, что мы рассматриваем: графический планшет со стилусом.

Базовая концепция Stylator не так уж сильно отличается от «Контроллера» Голдберга. Однако она содержит несколько улучшений, наиболее важным из которых является то, что вместо соединения точек выводов проводящими чернилами для создания цепи, вы используете стилус для рисования по пластиковой поверхности со встроенными в нее медными проводниками. Провода расположены таким образом, что всего тремя линиями, состоящими из семи проводов, можно распознать все цифровые символы. Иллюстрация ниже из статьи Даймонда говорит сама за себя.

Как вы можете видеть, написание цифр вокруг двух точек гарантирует распознавание символов. Когда перо пересекает один из проводников, на нём появляется напряжение. Комбинация проводников, находящихся под напряжением, соответствует цифре. Эта система допускает гораздо большую вариативность стилей рукописного ввода, чем «Контроллер».

Двухточечная система может быть расширена до четырехточечной, чтобы соответствовать всем буквам алфавита, но, как вы можете видеть на примерах ниже, она требует определенных правил при написании букв. На этом моменте хочется сделать небольшое лирическое отступление и сказать, что подобный метод «Графити» использовался в Palm для облегчения распознавания ввода слабым процессором устройства.

Даймонд также перечисляет ряд возможных применений Stylator. «Он является конкурентом классических клавиатур во многих приложениях. Он успешно использовался для управления телетайпной машиной. Этот вариант привлекателен тем, что является недорогим и не требует длительного обучения работе с клавиатурой, — пишет Даймонд. — Если использовать области критериев для управления частотой генератора, получается недорогое передающее устройство, которое может быть подключено к телефонному аппарату для отправки информации к удаленным машинам».

Есть несколько ключевых выводов из проекта Stylator, наиболее важным из которых является то, что он затрагивает важнейший аспект реализации распознавания рукописного ввода: создаете ли вы систему, которая пытается распознавать рукописный ввод, независимо от того, чей это почерк, или, в качестве альтернативы, вы просите пользователей выучить конкретный почерк, который системе легче распознать? В первом случае вам понадобится очень, очень умное программное обеспечение и очень чувствительная поверхность для письма. Во втором — простые буквы и цифры с минимальным количеством штрихов, чтобы их было легко выучить, но программное обеспечение для распознавания может сосредоточиться именно на этом конкретном почерке, что значительно снижает его сложность. Stylator явно выбрал последнее из-за аппаратных ограничений.

Можно сделать вывод, что «Стайлатор», несмотря на огромный скачок вперед по сравнению с предыдущими системами, все еще был довольно ограничен в возможностях. Чтобы распознавание действительно стало эффективным методом ввода, нам нужно нечто большее. Давайте сделаем еще один шаг вперед и создадим систему, состоящую из графического планшета, ЭЛТ-дисплея, программного обеспечения для распознавания и пользовательского интерфейса — по сути, Palm Pilot размером с комнату.

❯ «Грааль»

В течение 1960-х годов над таким проектом трудилась корпорация RAND. Он назывался GRAIL, сокращенно от Graphical Input Language Project («Язык графического ввода»). Описание проекта простое: «Человек, используя планшет/стилус RAND и электронно-лучевой дисплей, может создавать и редактировать компьютерную программу с помощью блок-схем, а затем выполнять ее. Система обеспечивает соответствующую обратную связь на дисплее». Весь проект подробно описан в заключительном отчете, состоящем из трех частей, и был спонсирован Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США.

Проект GRAIL был частью более широкого в то время интереса отрасли к взаимодействию человека и машины. GRAIL включал в себя онлайн-распознавание рукописного ввода, графический пользовательский интерфейс с такими функциями, как ручки изменения размера, кнопки, несколько общесистемных жестов, возможности редактирования в режиме реального времени и многое другое.

Планшет состоит из листа майлара с печатными схемами на каждой из двух его сторон; верхняя схема содержит линии, обозначающие позицию x, в то время как нижняя схема содержит линии, обозначающие позицию y. Эти линии генерируют отрицательные и положительные импульсы, которые улавливаются стилусом с высоким входным сопротивлением. Каждая позиция x и y состоит из определенной последовательности отрицательных и положительных импульсов; отрицательные импульсы — это нули, а положительные импульсы — единицы, которые при объединении дают код Грея для каждой позиции x, y. Затем они могут быть введены в компьютер, где происходит дальнейшее волшебство.

Это всего лишь базовое описание того, как работает система, значительно упрощенное и основанное на очень простой, состоящей из 8 строк версии планшета RAND, используемой в статье в пояснительных целях. В глубине системы происходит гораздо больше интересных вещей (например, игнорирование случайных перемещений), и если вы хотите узнать больше технических подробностей, я настоятельно рекомендую прочитать эту статью.

Целью проекта GRAIL было создание «общей рабочей поверхности» как для человека, так и для компьютера — электронно-лучевого дисплея. Они пришли к выводу, что гибкость выходных данных (ЭЛТ-дисплея) должна соответствовать гибкости входных данных, чтобы было возможно прямое и естественное отображение на двумерной поверхности, и, очевидно, именно здесь планшет RAND снова вступает в игру. Перед проектом стояли четыре задачи проектирования:

1. Использовать только ЭЛТ и планшет для интерпретации движений стилуса в режиме реального времени;

2. Сделать операции наглядными;

3. Повысить отзывчивость системы;

4. Сделать продукт завершенным средством решения задач.

Это привело их к созданию графического языка программирования, который использует блок-схемы как средство, с помощью которого пользователь дает компьютеру инструкции по решению проблем. Блок-схемы были нарисованы вручную на планшете и отображались на экране в режиме реального времени. Пользователь может нарисовать произвольную фигуру (например прямоугольник), а компьютер заменит ее нормализованным вариантом. Затем можно манипулировать этими фигурами (изменять размер, перемещать, видоизменять) и соединять их, создавая блок-схему. Пользователь также мог писать на планшете и выводить текст на экран и как и в случае с прямоугольником, компьютер распознавал рукописные символы и превращал их в печатные.

Чтобы упростить взаимодействие, точка на дисплее отображала положение стилуса на планшете, и при каждом нажатии стилуса на планшет на дисплее отображались «чернила» в режиме реального времени. Поверхность планшета соответствует поверхности дисплея в соотношении 1:1. Сочетание этих трех элементов позволяет пользователю постоянно концентрироваться на дисплее, что, несомненно, является промежуточным этапом на пути к современным графическим планшетам высокого класса, которые сочетают в себе чувствительные к нажатию цифровые преобразователи и стилусы с дисплеями.

Система также содержала несколько элементов, которые будут возвращаться в более поздних пользовательских интерфейсах, таких как кнопки и маркеры изменения размера, и даже будут исправлять пользователя, если он нарисует что-то «неприемлемое» (например, нарисует переход от одного символа к другому, если такой переход запрещен).

Благодаря чудесам Интернета и YouTube мы можем увидеть GRAIL в действии и послушать рассказ Алана Кея. В видео Кей даже утверждает, что одно из элементов управления окнами Mac было «буквально» заимствовано из GRAIL. В проекте GRAIL также появилось несколько жестов, которые сохранятся и будут использоваться на протяжении десятилетий. Жест курсора использовался для вставки текста, жест очистки — для удаления чего-либо и так далее. Эти жесты позже появятся в системах, использующих парадигму пользовательского интерфейса ноутбука, таких как PenPoint OS и Newton OS.

Самой большой проблемой для инженеров проекта GRAIL было обеспечить, чтобы все происходило в режиме реального времени и чтобы система была достаточно отзывчивой, чтобы пользователь чувствовал непосредственный контроль над выполняемой им работой. Любая существенная задержка оказала бы сильное негативное влияние на работу пользователей (что по-прежнему остается проблемой для устройств с сенсорным управлением). Исследователи отмечают, что вычислительные затраты на обеспечение такой точной обратной связи с пользователем невероятно высоки, и поэтому им пришлось применить несколько специализированных методов для достижения этой цели.

Проект GRAIL был запущен на IBM System/360 с двумя жесткими дисками  в качестве дополнительного хранилища. ЭЛТ-дисплей и базовая операционная система были созданы с нуля специально для GRAIL. Несмотря на локальных характер проекта и низкую распространенность мейнфреймов, исследователи отмечают, что система была перегружена в условиях пиковых нагрузок, что свидетельствует о том, что проект, возможно, немного опередил свое время. Я был удивлен, обнаружив, насколько продвинутой была система распознавания — она вышла за рамки простого распознавания рукописных символов и позволяла использовать различные жесты для редактирования текста, а также автоматический синтаксический анализ для обеспечения корректности строк (в конце концов, это среда программирования).

❯ GRiDPad

Ближе к 80-м, благодаря распространению микрочипов, компьютеры в целом начали проникать в дома обычных людей. Они больше не представляли из себя целые шкафы, а скорее небольшой ящик или даже компактный корпус с клавиатурой «всё в одном». Первой компаний, которая скрестила готовую концепцию «планшета» и относительную миниатюрность вычислительной техники, стала Pencept. В 1982 году они запустили производство компьютерного терминала общего назначения, использующего планшет и функцию распознавания рукописного ввода вместо клавиатуры и мыши.

Pencept был известен прежде всего надежностью алгоритмов распознавания рукописного ввода и жестов (на то время), а также акцентом на разработку нового пользовательского интерфейса так, чтобы это работало бы с существующими аппаратными и программными приложениями.

Pencept использовал запатентованную технологию распознавания символов в реальном времени, основанную на функциональной атрибутивной модели человеческого чтения. Таким образом, в отличие от многих других алгоритмов распознавания, используемых для распознавания рукописного ввода распознавание, как правило, не зависело от пользователя и не требовало обучения определенному стилю письма пользователя.

И всё же первым устройством, которое можно отнести к планшетным компьютерам, стал Letterbug, разработанный стартапом Hindsight из Коннектикута. Устройство предназначалось для сферы образования, в частности, для обучения письму детей с дислексией.

Устройство использовало локальную сеть для загрузки программ, не имело встроенных накопителей и привнесло несколько новшеств, которые сейчас являются обыденными. Например, это экранная клавиатура и возможность одновременного ввода с нескольких устройств. Также из-за большой толщины стекла сенсорного дисплея, создателям пришлось создавать особую программу-драйвер, учитывающую эффект параллакса. К сожалению, дальше концепта дело не пошло и устройство так никогда и не было выпущено для широкой аудитории.

Не считая других концептов от Pencept, Linus Technologies и Acorn, первый коммерчески успешный планшет появился спустя 3 года, в 1989. Им стал GRiDPad 1900, выпущенный одноименной компанией GRiD, уже успевшей стать известной благодаря изобретению прообраза ноутбука. Он весил 4,5 фунта и имел резистивный экран с проводным стилусом. Система распознавания рукописного ввода была создана Джеффом Хокинсом, который руководил разработкой GRiDPad, а позже создал PalmPilot. Его программное обеспечение GRiDPen работало под управлением MS-DOS и позже было лицензировано как PenRight.

GRiDPad 1900 - это, по сути, чрезвычайно портативный IBM PC-XT. Он оснащался монохромным сенсорным CGA-дисплеем с разрешением 640x400, 2 МБ системной памяти и  2,5-дюймовым IDE-диском объемом 20 МБ. Имелась возможность подключения внешней клавиатуры, модема и устройств с последовательным портом RS-232. Также для устройства существовала док-станция, добавляющая разъемы под внешний дисковод и принтер. Информацию также можно было переносить через карты памяти стандарта PCMCIA тип 1. На корпусе расположены кнопки с F1 по F5, кнопка перехода в режим ожидания, а также переключатель питания.

Это устройство использовалось в основном для инвентаризации и тому подобного. По-видимому, оно использовалось Chrysler и армией Соединенных Штатов. Военные требовали от корпуса большей жесткости и долговечности, чем от гражданской версии, и поэтому GRiD изготовила корпус из магния. Магниевые «гриды» никогда не продавались широкой публике.

Кроме оригинальной модели, внимания заслуживают, пожалуй PalmPad и GRiDPad Convertible. Первый появился в марте 1992 года и представлял из себя ещё более миниатюрное устройство с дисплеем 6.5 дюйма против 10. Кроме того он был в полтора раза легче. В минусы можно записать отсутствие подсветки, как на модели 1910 и меньшее количество портов для подключения устройств и расширений.

GRiDPad Convertible же представлял из себя более продвинутое устройство, в первую очередь отличавшееся наличием встроенной клавиатуры. Он оснащался процессором Intel 80386 или 486, имел до 20 МБ оперативной памяти и до 120 — дискового пространства. 

Важное отличие от предыдущих моделей — операционная система. Да, в основе здесь всё ещё MS-DOS, но на Convertible также могла устанавливаться специальная редакция Windows 3.1 for Pen Computers. К Windows на планшетных компьютерах мы ещё вернемся, но это была одна из первых попыток.

К сожалению, уже в 1993 году GRiD Systems ждало банкротство. Трансформеры ещё какое-то время продавались под именем AST PenExec, но в 1994 году их поддержка прекратилась.

На самом деле история GRiD Systems заслуживает отдельного большого рассказа, но уже существует замечательная иллюстрированная книга, поэтому я не вижу смысла повторяться.

❯ Apple Newton

За пару лет до выхода «Грида» Apple Computer начала разработку своего устройства с сенсорным экраном и распознаванием рукописного ввода. В 1987 году был представлен концепт Knowledge Navigator. Он описывает не только планшет, но целую новую систему взаимодействия человека с компьютером. Пользователи буквально могли путешествовать через «миры знаний».

Так описывает проект Джон Скалли, генеральный директор компании на тот момент: «Это Macintosh будущего поколения, который должен появиться в начале двадцать первого века, вполне может быть замечательной фантастической машиной под названием Knowledge Navigator, первооткрывателем миров, инструментом, столь же прорывным, как печатный станок. Люди могли бы использовать его для навигации по библиотекам, музеям, базам данных или архивам. Этот инструмент не просто приведет вас к этим огромным ресурсам, как это делают сейчас сложные компьютеры; он пригласит вас глубоко проникнуть в его секреты, интерпретируя и объясняя — преобразуя огромные объемы информации в персонализированные и понятные знания».

Видеоролик Apple Knowledge Navigator иллюстрирует использование ряда технологий, включая:

• Планшетный компьютер;

• Гибкий дисплей;

• Сенсорный интерфейс;

• Карты памяти;

• Университетские исследовательские сети;

• Гипертекст в распределенных базах данных;

• Программное обеспечение для моделирования, для разработки и экспериментов;

• Видеоконференции;

• Интеллектуальные агенты с распознаванием и синтезом голоса.

Всего за год было выпущено 5 видео-демонстраций, охватывающих период с 1992 по 2008 год. Они показывали различные  возможности планшетного компьютера, включая отличную систему преобразования текста в речь без «роботизированости», интерфейс на основе жестов, позже использованный на iPhone, и не менее мощную систему понимания речи, позволяющую пользователю общаться с системой через анимированного «дворецкого» в качестве программного агента.

Проект Newton изначально был нацелен на создание «персонального цифрового помощника» (personal digital assistant, PDA). Этот термин был внедрён самим Джоном Скалли на достаточно поздних стадиях проекта. Newton должен был соответствовать концепту «Навигатора», стать новым видом персонального компьютера. Довольно продолжительное время Newton разрабатывался как компьютер с экраном большого формата, большой внутренней памятью и полноценным объектно-ориентированным графическим ядром. Одним из оригинальных сценариев, повлиявших на разработку, был «сценарий работы Архитектора»: архитектор, занимающийся проектами жилых домов, обсуждает с клиентом новый дом, используя двумерный план этажа — делает набросок и вносит изменения непосредственно в ходе разговора.

Разработкой программного обеспечения распознавания рукописного текста для первого Apple Newton занималось российское предприятие ParaGraph.

Готовый продукт появился в августе 1993 года. Официальное название устройства — MessagePad, название Newton было закреплено за операционной системой и было дано ей в честь Исаака Ньютона.

80-90-е года прошлого века были временем быстрого развития компьютерной техники, казалось бы только вчера появившийся графический интерфейс уже становился чем-то обыденным и не поражал воображение. Компьютер всё ещё оставался в лучшем случае домашним, первые портативные «лептопы» были неудобны, да и управление с клавиатуры, можно сказать, не менялось десятилетиями. Неужели принципы взаимодействия человека и машины всегда должны оставаться такими? Newton и был первым ответом на этот вопрос. В Newton были новые метафоры и абстракции, во многом опережающие Mac. Сегодня мы считаем само собой разумеющимся, что во многих приложениях (включая сетевые) не нужно явно сохранять изменения или, допустим, выбирать уникальное имя и задавать папку для любого нового созданного объекта. В Newton это было уже в 1993 году в масштабах всей системы. Даже от названия Newton веяло чем-то великим. Он уступал Mac в производительности и программных возможностях (все Newton были черно-белыми), однако на пике ньютономании (была и такая), которая лишь усилилась в период неудач Mac, всем казалось, что в будущем интерфейсные парадигмы Newton лягут в основу флагманских компьютеров Apple — а со временем и всех остальных. Парадигмы того Newton, каким он вполне мог стать.

Наряду с основной серией MessagePad, ориентированной на рукописный ввод, Newton OS был оснащён eMate 300 — единственный КПК Apple со встроенной клавиатурой.

Современные авторы находят Newton инновационным, восхитительным устройством. Но к сожалению, история этого компактного компьютера тоже заканчивается трагично. MessagePad был дорог, а качество распознавания текста оставляла желать лучшего. Ходят слухи, что Apple сильно упростила изначальное ПО «ПараГрафа», но возможно оно изначально было несовершенным. В любом случае, как кажется лично мне, устройство просто опередило своё время, его амбиции оказались сильнее возможности технологий. Уже упомянутый Palm Pilot несколькими годами позже использовал куда более простую систему, был лёгким и дешевым. На самом деле простого ответа на вопрос «Почему Newton быстро сняли с производства» нет. Его проблемы и недостатки были многомерными, это была сложная совокупность разных факторов. В итоге, когда на капитанский мостик Apple вернулся Стив Джобс, он отправил всю продуктовую линию Newton в утиль. В каком-то смысле Newton — это квинтэссенция переходного периода Apple со всеми ее плюсами и минусами. Так что вполне вероятно, что при Джобсе у Newton не было шансов. Как у Apple IIGS и «бежевых» макинтошей. Некоторые преданные поклонники Newton усматривали в поступке Джобса личные мотивы: у него был зуб на Джона Скалли, уволившего его в 1985 году.

На этом я хочу сделать небольшую паузу. Изначально я планировал уместить всю информацию в одну статью, но объем получался слишком большим, к тому же ко мне приехал ещё не весь реквизит. Мы остановились на конце 20 века, подробно рассмотрев становление этих привычных нам сегодня устройств. Как и компьютеры в целом, планшеты проделали с одной стороны долгий, но относительно истории человечества, совсем небольшой путь. Кажется, что идея компьютера, похожего на тонкую книгу, заразила очень многих. Как и возможность превращать написанное сразу в электронные документы. В следующий раз мы поговорим о конкуренции, интернете и электронной бумаге.