Andrea Granelli: L'EVOLUZIONE DELLA COMPUTER-GRAPHICS - Nuove frontiere per l'interazione uomo-computer (Office Automation, feb-set 1986)

1 - PRINCIPI COSTITUTIVI DELLA GRAFICA (feb 1986)

Introduzione

• E' sufficiente guardarsi intorno per rendersi conto del grado di diffusione raggiunto dalle immagini. Cartelloni pubblicitari, libri illustrati, manifesti, televisione, cinema; tutte queste realtà hanno in comune l'utilizzo dell'immagine come tecnica di comunicazione dell'informazione. Questo fenomeno non rimane però confinato agli strumenti tipici della comunicazione di massa; è molto più pervasivo. Si pensi alle molte tecniche diagnostiche non invasive usate dalla medicina (ecografia, radiografia ...), alle immagini inviate dai satelliti per analizzare il terreno o fare previsioni meteorologiche, all'utilizzo di tecniche di grafica computerizzata per aiutare il restauro di opere d'arte. Dice bene Gombrich ([GOMB73]) quando afferma che la "La nostra è un'epoca visiva".
• E' in atto un profondo mutamento nelle tecniche di comunicazione, che ha come effetto macroscopico l'utilizzo sempre più frequente di "soluzioni visive".
• In questo scenario la Computer Graphics (Grafica computerizzata per i  non anglofili) assume un ruolo di primo ruolo. Essa raccoglie infatti tutte le tecniche che hanno come soggetto il rapporto fra il computer e l'immagine. Con ciò non si intende solamente la cosiddetta "manipolazione di immagini" con l'ausilio del calcolatore, ma soprattutto la possibilità di utilizzare le immagini per dialogare con i computers e quindi con la tecnologia. Questa caratteristica diventerà sempre più importante, visto che è sempre più frequente la produzione di oggetti di uso comune controllati (e quindi comandabili) da un computer (si pensi alle lavatrici programmabili, al controllo del consumo sulla macchina, alla questione del riscaldamento).
• Perciò la grafica permette di semplificare radicalmente l'utilizzo di strumenti tecnologici. Questo discorso vale anche nel caso industriale, dove la tendenza a sostituire operai con robots ha fatto prosperare i cosiddetti calcolatori per il controllo di processo, in cui l'utilizzo della grafica per rappresentare le fasi del processo del monitorare ha drasticamente semplificato il loro utilizzo.
• D'altra parte, proprio per i suoi multiformi aspetti, la grafica non è una disciplina semplice e pur essendo relativamente giovane, vanta contributi provenienti da discipline molto più antiche e consolidate, come ottica, fisiologia, semiologia, psicologia. Per questo motivo viene pubblicata su questa rivista una serie di articoli con lo scopo di affrontare i suoi diversi aspetti.
• Si parlerà quindi di hardware e software, di strumenti matematici utilizzati, dei rapporti fra grafica ed informatica e si concluderà questa breve rassegna con le nuove tendenze del settore. Tra queste si analizzerà in particolare il rapporto che si sta instaurando tra Computer Graphics ed Office Automation, la cui importanza strategica è sempre più avvertita dalle case fornitrici di hardware e software.
• La comprensione di un fenomeno non è però mai completa se non nella sua dinamica storica. E' quindi opportuno analizzare l'evoluzione delle due principali teorie che hanno concorso nel porre i fondamenti per la grafica computerizzata: la teoria del colore e la teoria della visione.

Grafica immagini e realtà

• Il  nome GRAFICA può suscitare una certa ambiguità in quanto il suo etimo, il verbo-greco "γδαφω" (grafo) ha il duplice significato di disegnare e scrivere (si pensi ad espressioni come "tracciare il grafico di una funzione", oppure a termini come "grafologia", "grafomane" o "calligrafia").
• Il suo utilizzo è comunque sempre più legato a tutto quanto riguarda la comunicazione visiva ed è oramai comune utilizzare come antitetici i termini grafico/testuale anche se per esempio nel caso del Design il termine "graphic design" indica colui che si occupa di "sistemare parole su oggetti" (come magliette, lattine di bibite oppure semplici fogli di carta), mentre il creatore di immagini che hanno funzione di comunicazione visiva è detto "visual-design".
• Prima comunque di entrare nei dettagli della disciplina, ritorniamo alla considerazione iniziale di Gombrich e vediamo in che modo l'immagine visiva sta in un certo senso proponendosi come nuovo linguaggio. Pur considerando il linguaggio testuale come strumento privilegiato nella comunicazione, dobbiamo riconoscere all'immagine un insuperabile potere evocativo. Ciò è legato al potere che ha l'immagine di creare dei surrogati alla realtà.
• Se scriviamo la parola cane su un pezzo di carta e la mostriamo ad un bambino, rimarrà presumibilmente indifferente. Se invece gli mostreremo un disegno od una foto dello stesso soggetto è probabile che rimarrà interessato. I "surrogati visivi" hanno quindi la caratteristica di determinare particolari comportamenti e ciò è spiegato dagli etologi affermando che gli organismi sono "programmati" a rispondere a certi segnali visivi per facilitare la sopravvivenza. In questo caso la velocità di acquisizione dell'informazione gioca un ruolo cruciale; come scrive Orazio nell'Ars Poetica "... Segnius irritant animos demissa per aurem, quam quae sunt oculis subjecta fidelibus et quae ipse sibi tradit spectator ..." (La mente dello spettatore è turbata più rapidamente dall'occhio che dall'orecchio) [HORAAP].
• Non necessariamente però parola ed immagine sono antagonisti. Anzi spesso una loro cooperazione porta notevoli risultati; si pensi all'antica "Arte della memoria" che insegnava a tradurre ogni messaggio verbale in una forma visiva, tanto meglio se strampalata o inverosimile.
• Il vero valore dell'immagine è comunque la sua capacità di trasmettere informazioni non esprimibili in forma testuale, il fare emergere relazioni fra dati altrimenti ignorate. Naturalmente queste proprietà non appartengono ad ogni immagine, ma vi saranno dei criteri da tenere presente per costruire immagini "informative".

Costruzione dell'immagine

• Accettando l'affermazione di Bertin che "L'informazione è relazione" [BERT81], possiamo dire che ciò che rende una qualsiasi rappresentazione grafica immagine è la possibilità di estrarre un'informazione di insieme, e quindi la totalità delle relazioni esistenti al suo interno. Questo fatto deriva da una caratteristica fondamentale della percezione visiva, cioè il cogliere soltanto dei rapporti fra gli elementi della realtà (piuttosto che gli elementi stessi). Inoltre queste relazioni devono essere esplicitate in maniera opportuna altrimenti i tempi di interpretazione dell'immagine potrebbero essere molto più lunghi dei tempi di lettura della stessa informazione, espressa però in forma testuale, togliendo quindi all'immagine il potere evocativo. Per ovviare a queste difficoltà, sono state introdotte delle tecniche, raggruppate sotto l'etichetta di manipolazione delle immagini, che permettono di trasformare un'immagine "confusa" (nel senso appena descritto) in una immagine in cui vengano esplicitate le relazioni fra i componenti, dotata quindi di un maggiore contenuto informativo.
• La gamma di applicazioni di queste tecniche è molto ampia. Si va da algoritmi che riescono a migliorare qualitativamente delle immagini, per esempio aumentandone il contrasto oppure togliendo il cosiddetto "rumore di fondo" (usati per esempio per elaborare le immagini provenienti dai satelliti) a metodologie che permettono di riordinare dati espressi in forma tabellare, per esplicitare alcune relazioni altrimenti non riscontrabili (come quelle usate da Bertin in [BERT81]).
• Di queste tecniche tratteremo ampiamente nei prossimi articoli. Intanto procediamo secondo la "tabella di marcia" ed analizziamo l'evoluzione della teoria del colore e della teoria della visione.

Teoria del colore

• La prima formulazione di una teoria sul colore dotata, sia di un rigido formalismo, che di evidenze sperimentali, si deve a Isaac Newton ed in particolare ai suoi studi sull'ottica (poi raccolti e rielaborati in Optics nel 1704). La loro base è essenzialmente sperimentale, concentrata sull'ineguale rifrangibilità dei raggi luminosi. Dapprima egli scoperse che la luce bianca si decompone quando attraversa un prisma triangolare di vetro. Poi riuscì a ottenere nuovamente la luce bianca ricomponendo i vari raggi luminosi ricavati dalla precedente decomposizione. Per spiegare questa ed altre evidenze sperimentali, Newton formulò l'ipotesi che la luce fosse costituita da corpuscoli, emessi dalle sostanze luminose; corpuscoli di dimensione diversa a seconda dei vari colori (di dimensione massima quelli costituenti la luce rossa, minima quelli costituenti la luce violetta). Una conseguenza diretta di questa affermazione fu che i colori sono la qualità originaria ed immutabile (e quindi reale) dei raggi luminosi, mentre il bianco sarebbe soltanto qualcosa di derivato, ed in un certo senso puramente soggettivo. Questa teoria riportò in auge la teoria corpuscolare della luce, che era stata messa in crisi anni prima dalla teoria ondulatoria di Huygens.
• La teoria di Goethe sui colori (Farbenlehre 1810) era invece vivacemente contrapposta a quella di Newton. Mentre infatti lo scienziato inglese aveva affermato che il bianco è un colore composto, e in quanto tale può venir utilizzato in uno spettro di colori semplici, Goethe lo assunse invece come colore fondamentale, non analizzabile, e sostenne che gli altri colori venivano generati da combinazioni opportune di luce bianca ed ombra. Affermò poi - rifacendosi ad una concezione filosofica generale diffusa in quei tempi secondo cui la natura possiede la capacità di rivelarsi direttamente all'uomo - che, anche nello studio dei colori, si deve dare maggiore credito alla testimonianza diretta dei sensi che non a quella indiretta, fornita da artificiosi dispositivi strumentali (come per esempio il prisma ottico utilizzato da Newton). La fama di questa teoria deve molto all'appoggio entusiastico attribuitole dalle correnti antiilluministiche (come i seguaci del filosofo Hegel), che cercavano un qualsiasi appiglio pur di screditare Newton.
• Quello che però sia Newton che Goethe avevano fatto nelle loro teorie era attribuire una proprietà psicofisiologica (colore) ad una entità esterna al soggetto osservante.
• Ciononostante la base per la moderna teoria del colore rimane sempre la scoperta di Newton della scomposizione della luce bianca (1666). più esattamente lo spettro cromatico può essere diviso in 6 parti principali - violetto, blu, verde, giallo, arancio, rosso - con una transizione graduale e sfumata da un colore all'altro.
• I colori che percepiamo di un oggetto vengono determinati dalla natura della luce riflessa dall'oggetto stesso e non sono quindi una proprietà intrinseca né della luce né dell'oggetto. Questa idea non è comunque recente. Scrive nel 1690 il filosofo inglese John Lock: "... La natura delle nostre semplici idee non muta per il fatto che noi pensiamo che l'idea del Blu sia nella viola stessa o soltanto nel nostro spirito; e che nella viola stessa si trovi soltanto il potere di produrlo mediante il tessuto delle sue parti, riflettendo in una certa maniera le particelle dalla luce ..." [LOCK72].
• Così un corpo che non riflette nessun tipo di luce (cioè l'assorbe completamente) è detto "corpo nero", mentre se riflette la luce in eguale misura a tutte le lunghezze d'onda dello spettro visibile (cioè dal violetto al rosso), appare bianco. per apparire di un determinato colore, l'oggetto deve riflettere, nel campo visibile, il particolare intervallo di lunghezze d'onda relativo a quel colore e assorbire il resto. Kiver, nel 1955, ha dimostrato che le componenti spettrali del rosso (R), del verde (V) e del blu (B), combinate in varie proporzioni, originano una vastissima gamma di colori, superiore a quella ottenibile con qualsiasi altra combinazione di tre colori. Per questo motivo sono detti colori primari. Se i colori primari vengono sommati, producono i cosiddetti colori secondari:
  • magenta    =    rosso    +    blu
  • ciano        =    verde    +    blu
  • giallo        =    rosso    +    verde
• Non è invece ancora ben chiaro come avviene da parte del cervello la percezione dei colori. A questo proposito sono state sviluppate due teorie.
• La prima, detta teoria dicromatica o di Hering, afferma che nella percezione intervengono due sostanze: una sensibile al rosso e l'altra al blu. A queste se ne aggiunge una terza per la luminosità (cioè per separare bianco/nero).
• La teoria tricromatica di Young-Helmholtz, invece, ipotizza l'esistenza sulla retina di tre coni, sensibili rispettivamente al rosso, al verde e al blu.  Poiché ogni colore può essere creato miscelando opportunamente questi tre colori (sono i primari), il colore effettivamente percepito è dato dalla risultante delle stimolazioni che ciascuno dei tre coni riceve per la sua componente di colore primario. L'effettiva presenza a livello retinico di tre tipi di coni, sensibili a luce di lunghezza d'onda diversa (cioè colori diversi) e le esperienze sulla miscelazione dei colori primari, fanno di questa teoria la più accettata sia dal punto di vista fisiologico sia come analogia per la costruzione di dispositivi grafici a colori (si pensi al sistema RGB, il cui acronimo significa Red-Green-Blue).
• Con questa teoria il colore torna ad essere inerente alla psicofisiologia dell'osservatore, dipendendo dalla struttura retinica e dalle successive elaborazioni degli impulsi, da parte del cervello. Quindi il colore è una entità fisiologica e psicologica esclusivamente soggettiva e pertanto  non fa parte del mondo esterno, perciò non può essere incluso nel dominio della fisica.

Teoria della visione

• La difficoltà di comprensione del fenomeno della visione si deve principalmente alla sua natura interdisciplinare. Ottica fisica, fisiologia, psicologia, tecnica: tutte concorrono nella spiegazione dei meccanismi della percezione. Questa impostazione si è però formata nel corso della storia. Fino al '500 l'interazione soggetto-oggetto, nel processo della visione, era considerata fondamentale e quindi non esisteva una disciplina come l'ottica. Perciò era necessario stabilire una precisa distinzione tra la luce come capacità soggettivo-psicologica del vedere e la luce come entità fisica entrante negli occhi. Lux veniva detta la prima, lumen la seconda. Col passare del  tempo l'interesse si concentra su Lumen finché la parola luce viene ad acquistare un solo significato, quello di entità fisica.
• La parte più vicina alla Computer Graphics è comunque sicuramente l'Ottica, che descrive le proprietà fisico-geometriche che permettono il formarsi dell'immagine sulla retina. Pur tralasciando, per economia di spazio, l'evoluzione storica di questa importante disciplina, va comunque detto che fu Keplero [LIND76] che per primo risolse il problema (1604 "Ad Vitellionem Paralipomena") di determinare la geometria delle radiazioni luminose attraverso una fessura di piccole dimensioni. Egli si accorse infatti che l'immagine veniva "scaravoltata". Dopo una serie di studi e di esperimenti, affermò che questo fenomeno, talvolta detto "effetto Camera Oscura", accadeva anche nell'occhio umano; cioè la luce, entrando nell'occhio da una piccola fessura (la pupilla), proietta sulla retina, invertita, l'immagine. Questa analogia quindi tra macchina fotografica e occhio umano (che comprende anche la capacità di mettere a fuoco, di regolare la quantità di luce entrante), costituisce la base della moderna teoria della visione.
• L'importanza di questa teoria è legata principalmente alla Robotica, e in particolare alla realizzazione di Robot che "vedano", che siano cioè in grado di eseguire delle operazioni in funzione della loro percezione del mondo esterno. Quindi d'accordo vedere, ma soprattutto riconoscere; ed in questo ambito entra in gioco l'Intelligenza Artificiale.
• Il problema del riconoscimento automatico delle forma - in inglese Pattern Recognition - occupa da diversi anni le risorse, umane e di calcolo, di diversi laboratori di ricerca. Il problema può essere affrontato a vari livelli. Pionieristici sono stati i sistemi per il riconoscimento della scrittura (ma non del suo significato) usati per esempio per lo smistamento automatico della corrispondenza o per l'analisi dei questionari. Più complessa è invece la costruzione di un Robot che si muove in un certo "mondo" (composto da una stanza piena di cubi di legno di vari colori e dimensioni) ed è in grado di eseguire azioni tipo "se il cubo rosso non ha cubi sopra di lui, mettilo sopra il cubo giallo". Ed è questo tipo di applicazione, che potremmo chiamare forse un pò impropriamente "automazione industriale" (in cui il Robot ha ormai perso la sua connotazione antropomorfa), in cui si sono riversati gli sforzi principali. Robot che verniciano, che mettono viti, che tagliano scocche, sono tutti derivati concettualmente dal "manipolatore di cubi".
• Un'altra grossa applicazione del problemi di Recognition si sta delineando in ambito medico: diagnosi automatica di radiografie (naturalmente non le lastre ma le radiografie computerizzate, cioè quelle prodotte con la TAC o con RMN). La soluzione è però ancora lontana in quanto oltre alle difficoltà di carattere tecnico vi sono anche ambiguità strutturali spesso non risolvibili (due radiologi che danno due diagnosi differenti partendo da un'unica lastra) automaticamente. Di questi problemi si parlerà comunque più in dettaglio nei prossimi articoli.
• Per concludere questa breve introduzione alla Computer Graphics, bisognerebbe analizzare il complesso rapporto che intercorre tra teoria della visione e psicologia. Particolarmente significativo è l'approccio della Psicologia della Gestalt o della Forma che parte dalla percezione umana e dalle sue talvolta apparenti illusioni ottiche, per delineare una interessante teoria che rivoluziona il modo di affrontare il problema della visione e delle attività psichiche correlate.

Proprietà della visione

• Per potere rappresentare adeguatamente delle informazioni in forma grafica, è opportuno capire il più esattamente possibile come funziona la percezione visiva nel destinatario di tali informazioni, cioè l'uomo. A questo proposito elenchiamo di seguito le principali proprietà della visione, verificate sperimentalmente, che regolano la percezione della luce e delle immagini:
• Sensibilità al contrasto. La risposta dell'occhio a variazioni dell'intensità luminosa è di tipo non lineare (più precisamente logaritmico).
• Effetto di Mach. Considerando un foglio in cui siano presenti delle strisce uniformi, aventi ciascuna costante livello di grigio (contrasto bianco-nero), disposte una accanto all'altra, si può sperimentalmente verificare, osservando, a partire dal nero (a sinistra) verso il bianco (a destra), che appaiono con i bordi destri più scuri di quelli a sinistra. Ciò dipende dalla diversa risposta che sistema visivo ha a differenti frequenze spaziali (l'occhio possiede una sensibilità più bassa a frequenze spaziali alte e basse rispetto a quella che ha a frequenze intermedie).
• Contrasto simultaneo. Se diversi elementi di una immagine, con la stessa intensità di grigio, sono posti in immagini diversamente contrastate (ad esempio su fondo bianco o su fondo nero) appaiono avere intensità di grigio diverso (sembrano più scuri gli elementi sul fondo più chiaro).
• Adattamento cromatico. L'apprezzamento dei colori dipende dall'adattamento dell'osservatore a particolari condizioni visive. dopo avere infatti osservato a lungo una luce di un certo colore, ad alta intensità, togliendo la luce stessa appaiono immagini di colore complementare, chiamate "immagini postume".
• Insensibilità ai colori. Una percentuale apprezzabile della popolazione terrestre è affetta da forme diverse di cecità a i colori o daltonismo (circa 8% dei maschi e 1% delle femmine).
• Colore soggettivo. Con diverse esperienze (per esempio Fechner nel 1838 utilizzò la rotazione di un disco dipinto per metà di bianco) è stato dimostrato che impulsi intermittenti di luce bianca possono apparire diversamente colorati. Ciò è legato alla risposta temporale del sistema visivo umano ad impulsi di luce.

Psicologia della Gestalt

• La psicologia della Forma (Gestaltpsychologie) trae le sue origini da uno studio di von Ehrenfels pubblicato nel 1890 col titolo Sulle qualità formali, in cui si mette in rilievo l'esistenza di determinati "oggetti percettivi" (le forme spaziali, le melodie ...) che, pur potendo essere "vissute" soltanto sulla base di date sensazioni (cromatiche od acustiche ...) non sono propriamente costituite da quelle sensazioni. Tanto è vero che, mutando l'insieme dei dati sensoriali, quelle forme spaziali e melodiche rimangono invariate. Questo principio, detto Principio della trasportabilità delle qualità formali, costituisce l'ossatura della psicologia della forma.
• I suoi ideatori, M. Wertheimer, K. Kofka e W. Kohler, in polemica con la psicologia associazionista (secondo cui si descrive il comportamento di un organismo come somma dei comportamenti delle sue parti) affermano che ogni percezione si presenta all'esperienza come un tutto unico, cioè come un fenomeno non risolvibile in una serie di unità elementari giustapposte. In questo  modo il tutto, cioè il comportamento di una struttura complessa, è molto più che la somma delle sue parti.
• La percezione della forma (così viene chiamata questa entità) è qualche cosa di immediato, originario e significativo: questo spiegherebbe il poteree vocativo e di immediatezza dell'immagine rispetto alla parola scritta/udita. Perciò una analisi che ricerca i componenti di tale percezione non è che un artificio metodologico, una forzatura che svia dalla comprensione centrale del problema.
• Per dimostrare queste affermazioni vengono descritte tantissime situazioni, esperibili da chiunque. Per esempio se noi collochiamo un piato circolare su di un tavolo e poi lo osserviamo da una certa distanza, alla domanda "di che forma è quel piatto", risponderemo "circolare" anche se la nostra posizione ce lo fa vedere ovale. D'altra parte l'immagine retinica del disco è certamente ovale. Perciò alla percezione si è sovrapposto un atto psichico superiore che ha "rettificato" l'immagine, e questo intervento è certamente auspicabile, altrimenti non saremmo più in grado di riconoscere gli oggetti, in quanto la nostra percezione della forma muterebbe ad ogni nostro movimento. Ciò che però la Psicologia della forma afferma è che questo atto psichico superiore è inscindibile dalla "sensazione pura" (l'immagine come appare sulla retina).

2 - I SISTEMI GRAFICI (mar 1986)

Introduzione

• Con questo secondo articolo si entra nel vivo della materia. Punto di partenza: le periferiche grafiche. la loro importanza sta nel fatto che senza di esse la grafica al computer non sarebbe esistita. A loro si deve la possibilità di creare le immagini e da loro quindi si deve partire.
• Le periferiche grafiche possono essere suddivise in due grandi categorie: periferiche di output e input, a seconda che la loro funzione sia di visualizzare le informazioni oppure di introdurle nel computer. Non necessariamente però queste ripartizioni - originate da considerazioni di carattere teorico/classificativo - vengono rispettate. Si pensi per esempio al classico terminale video grafico; verrebbe naturale considerarlo una periferica di output, in quanto permette la creazione di disegni, ma il fatto che sia dotato di una tastiera indica che può essere utilizzato anche come periferica di input.
• Anzi accade talvolta che la capacità di visualizzare venga utilizzata per integrare le funzionalità di input. E' questo il caso della funzione di Echo: quando si introducono dei dati da tastiera, appaiono anche sul video; questo fatto non ci deve però ingannare. Il computer - o meglio il sistema operativo - non sta visualizzando delle informazioni richieste dall'utente (output) ma sta facendo comparire sul video ciò che l'utente sta introducendo (input). Ciò viene fatto per facilitare l'utilizzatore nel controllare i dati che sta introducendo, limitando quindi le possibilità di errore.
• Questo tipo di periferica, che racchiude sia le funzionalità di output, che quelle di  input, viene detto terminale interattivo, in quanto permette una vera e propria interazione tra l'utente che produce i dati, ed il computer che li fa vedere immediatamente, permettendone quindi un'eventuale modifica diretta.
• Perciò la classificazione non fa riferimento necessariamente ad oggetti esistenti sul mercato; si tratta più che altro di una classificazione funzionale che permette di stabilire quali siano le funzioni che una periferica di output (oppure di input) deve possedere. Vedremo poi che questa bipartizione tornerà molto utile soprattutto nello sviluppo di software grafico, permettendo di separare le primitive di output da quelle di input.

Periferiche di output

• Le periferiche di output sono dunque dei dispositivi che permettono di rappresentare su di un certo supporto, detto superficie di visualizzazione, informazioni o immagini generate col computer.
• Ve ne sono di svariati tipi, e spesso il loro funzionamento si basa su principi significativamente differenti. Possiamo comunque suddividerli in due tipi: quelli che producono un'immagine temporanea (i cosiddetti terminali video) e quelli che producono un'immagine permanente (periferiche per la stampa grafica). L'immagine permanente può essere riprodotta su diversi supporti, come per esempio la carta o la pellicola fotografica.

Terminali video

• Vi sono principalmente tre tipi di terminale grafico: i terminali stroke, i DVST e i terminali raster. L'ordine in cui vengono elencati corrisponde grossomodo al loro ingresso nel mondo della grafica computerizzata.
• Da ciò non deriva necessariamente che uno sia meglio dell'altro; ciascuno è stato realizzato per risolvere problemi particolari o per integrare funzionalità non presenti nel modello precedente, magari perché non ritenute utili.
• Val comunque la pena vedere brevemente i principi su cui si basa il loro funzionamento, anche perché ogni modello innovativo ha sempre tra le sue caratteristiche quella di essere in grado di simulare tutte le funzionalità dei suoi predecessori.
• Terminali Stroke: i vettori vengono rappresentati dalle coordinate dei loro estremi e dalle istruzioni per la visualizzazione. Queste istruzioni vengono utilizzate per deflettere un fascio di elettroni generato da un emettitore, che così illumina alcune porzioni della superficie. Un vettore può essere mosso o ruotato molto velocemente, semplicemente ricalcolando le coordinate degli estremi. Inoltre si possono ottenere risoluzioni molto elevate (è comune avere risoluzioni dell'ordine 409x4096). Il costo di questi terminali è elevato, soprattutto per i circuiti di deflessione.
• Altri svantaggi sono che risulta complicato rappresentare superfici e che il terminale risulta sensibile alla complessità dell'immagine. Poiché il fosforo utilizzato è a bassa persistenza, l'immagine deve essere continuamente ripristinata e più linee sono presenti più lenta sarà questa operazione.
• Terminali DVST: questi terminali (Direct View Storage Tube) sono stati sviluppati per ovviare ai problemi del rintracciamento di immagini complesse. La differenza principale rispetto ai terminali Stroke sta nell'utilizzare un fosforo ad alta persistenza, che non obbliga quindi il refresh dell'immagine. Lo svantaggio sta però nel non permettere la cancellazione selettiva di parti dell'immagine, se non ritracciandole completamente. Perciò questi terminali non possono essere utilizzati nella grafica di tipo interattivo.
• Terminali Raster Scan: in questi terminali l'immagine non è più composta da coordinate di vettori, ma da una matrice X-Y di pixels (o picture elements) memorizzati in una particolare area detta frame-buffer.
• L'immagine viene ripristinata, una linea alla volta. Il principale vantaggio sta nel fatto che la velocità di refresh è indipendente dalla complessità dell'immagine. Il successo di questi terminali dipende principalmente dalla diminuzione dei costi delle memorie - il frame-buffer fa parte infatti del terminale e contiene l'immagine - e la loro diffusione è ormai assodata, basti pensare a personal e home computers.
• D'altra parte i terminali di tipo Stroke hanno l'indubbio vantaggio di essere più vicini al modello geometrico delle immagini da rappresentare. Vedono cioè l'immagine composta da vettori geometrici. Per questo motivo i più recenti terminali raster uniscono le capacità e la flessibilità del frame-buffer con la facilità d'uso dei terminali stroke; sono cioè dotati al loro interno di uno Scan-Converter che permette la traduzione di un vettore geometrico, espresso come coppia dio coordinate (i due estremi) in un insieme di pixels.
• Vi sono naturalmente altre tecnologie per la visualizzazione temporanea di immagini, alcune in fase di sperimentazione, altre già in commercio; la loro diffusione, però, rimane ancora relativamente limitata, anche se in via di espansione. Tra queste vanno ricordate le tecnologie flat-panel, che permettono di realizzare video piatti, riducendo quindi sia l'ingombro che il consumo di energia. Terminali che utilizzano il flat-panel sono quelli a cristalli liquidi, quelli elettroluminescenti, quelli a LED e quelli a plasma.
• Sono stati costruiti anche dei CRT piatti, ma il problema principale legato alla realizzazione di terminali di questo tipo sta nella difficoltà - dovuta al consumo elevato di energia - di flettere il fascio di elettroni ad angoli molto grandi.

Tecnologie per la stampa grafica

• Vediamo rapidamente (si rischia un elenco tedioso) le principali tecnologie utilizzate per "stampare" i disegni generati con il computer.
• Impatto elettromeccanico: il più diffuso è senz'altro il Plotter che utilizza dei pennini per rappresentare il disegno. Cambiando i pennini si possono variare il colore e lo spessore della linea, ma non si possono rappresentare colori intermedi (come differenti livelli di grigio).
• Elettrofotografico: un raggio di luce espone un mezzo fotosensibile, che viene successivamente sviluppato. Le periferiche più diffuse sono le stampanti laser.
• Elettro-ottiche: si utilizza un'apposita macchina fotografica che fotografa il disegno visualizzato su un terminale. Queste apparecchiature vengono impiegate principalmente per generare diapositive, utilizzate poi in presentazioni o seminari. E' grazie a questi dispositivi che l'"era dei lucidi e delle lavagne luminose" sta tramontando.
• Elettrostatiche: la tecnica è simile a quella impiegati dai dispositivi elettrofotografici, con l'unica differenza che non si usa la luce, ma dei fili che hanno alle estremità degli elettrodi utilizzati per appoggiare delle cariche elettriche su della carta speciale (dielettrica), che viene poi passata attraverso un toner. Il toner viene attratto dalle zone caricate elettricamente e si fonde con la carta.
• Termiche: sono simili alle elettrostatiche solo che i fili non utilizzano degli elettrodi, ma riscaldano una carta sensibile termicamente. Il calore rompe delle microcapsule presenti sulla carta che fanno fuoriuscire un liquido che genera l'informazione grafica.
• A impatto dot-matrix: l'impatto è molto simile ai due precedenti, ma i fili sono dei piccoli martelletti che premono leggermente (come nella macchina da scrivere) su di un nastro inchiostrato. Cambiando il colore del nastro, si cambia il colore dell'immagine rappresentata.
• A getto di inchiostro: l'approccio è simile ai tre precedenti, solo che i fili emettono delle goccioline di inchiostro che vengono gettate sulla carta utilizzando un campo elettrico.

Periferiche in input

• La tastiera del terminale, periferica di input per antonomasia, non è riuscita a stare al passo con le evoluzioni tecnologiche della Computer Graphics. La sua capacità di introdurre rapidamente nel computer informazioni di tipo testuale si è rivelata di scarso utilizzo in applicazioni di tipo grafico interattivo, dove si richiede la possibilità di selezionare oggetti rappresentati sul terminale - per esempio indicandoli -, oppure di muoverli da un punto all'altro dello schermo.
• Infatti il "Pointing" (indicare un oggetto) ed il "Positioning" (posizionare un oggetto facendolo muovere) costituiscono i tipi base dell'interazione grafica; devono quindi avere a disposizione degli strumenti "ad hoc". Vi sono stati dei tentativi di estendere le funzionalità della tastiera; per esempio Hewlett-Packard ha dotato alcune tastiere di una rotella piatta, detta Knob, che permette di spostare rapidamente il cursore sul video in due direzioni, una opposta all'altra. Si tratta comunque di uno strumento inadeguato per applicazioni di grafica interattiva.
• La più classica periferica di input è la penna ottica (light pen). Viene utilizzata direttamente sul video ed è composta da una fotocellula e da un sistema ottico, il tutto racchiuso in un involucro a forma di penna (per poter essere utilizzato con facilità), un cavo di collegamento con il computer ed un pulsante per comunicare la selezione.
• La penna ottica viene posizionata sull'oggetto da selezionare, si preme il pulsante, la luce dell'immagine entra nella penna, viene amplificata, passa per la fotocellula, la quale manda al computer un segnale.
• Con questo segnale è possibile risalire all'oggetto selezionato. La penna ottica, pur essendo economica, è recentemente caduta in disuso soprattutto perché poco ergonomica. Obbliga infatti il suo utilizzatore a tenere il braccio sollevato dalla scrivania, tendendo quindi ad affaticare chi ne fa un uso frequente.
• Il Mouse, invece, risolve questo problema. E' composto da una piccola scatola con uno o più pulsanti e un cavo di collegamento al computer. Viene usato facendolo muovere su una superficie piana (per esempio una scrivania), in una posizione quindi comoda. Ve ne sono sostanzialmente due tipi: quello meccanico, che si utilizza su una qualsiasi superficie liscia, e quello ottico, che ha bisogno invece di una particolare lastra metallica - dove sono tracciate delle righe di riferimento - per registrare il movimento.
• Il problema principale legato a questo tipo di periferica (ve ne sono tanti tipi che funzionano secondo lo stesso principio logico) come per esempio Joystick, Tracker Ball, Tablet, è che richiede del software aggiuntivo che realizzi il cosiddetto Visual Feedback: alla periferica viene associato sul video un simbolo (per esempio una piccola croce, oppure una freccina), che indica all'operatore la posizione correntemente "puntata" dal Mouse. Ogniqualvolta viene spostato, il Mouse manda al computer le coordinate della nuova posizione (in forma assoluta o relativa). sarà quindi compito del software aggiornare sul video la posizione del simbolo, coerentemente con lo spostamento effettuato. Il Visual Feedback è molto utile perché informa sempre l'utilizzatore su ciò che sta facendo, riducendo al minimo le operazioni indesiderate.

Architetture grafiche speciali

• Per concludere questa breve rassegna sulle periferiche utilizzate dalla Computer Graphics, è necessario volgere per un momento lo sguardo alle nuove tendenze.
• L'evoluzione delle tecnologie grafiche, in particolare l'avvento della raster graphics, ha fornito nuovi e potentissimi strumenti per la rappresentazione grafica di oggetti con l'ausilio del computer. L'utilizzo della tecnica Wire-Frame, che per molto tempo è stato il simbolo delle immagini generate da computer, tende a scomparire in favore di metodi rappresentativi molto più realistici. Viene usato il colore, si generano gli effetti di ombreggiatura e si riesce persino a simulare l'aspetto esteriore dell'oggetto facendolo sembrare ora di plastica, ora di ferro, ora di vetro.
• Questa aggiunta di realismo nella rappresentazione dell'immagine si deve soprattutto allo sviluppo di speciali architetture. Il principale problema da risolvere è il tempo per la cosiddetta Scan-Conversion, e cioè il passaggio dal modello tridimensionale dell'oggetto ad una sua rappresentazione di un terminale raster (cioè ad un insieme di pixels). Questa operazione richiede moltissime risorse di calcolo. Per ovviare a questo problema sono state sviluppate speciali architetture di tipo sia parallelo che a pipe-line e sono stati sviluppati nuovi algoritmi che ben si adattano alle nuove architetture.
• La maggior parte di questi sistemi esplorano il parallelismo offerto dall'algoritmo Z-Buffer, utilizzato per la rimozione delle linee nascoste. Questo algoritmo si presta infatti molto bene ad una parallelizzazione, in quanto è costituito da una serie di operazioni molto semplici e ripetitive, che si applicano a piccole parti dell'immagine (i pixels). La difficoltà sta però nel fatto che nella "versione parallela" di questo algoritmo non si possono introdurre operazioni addizionali, come l'antialiasing o lo shadowing, fondamentali per una rappresentazione realistica dell'oggetto.
• Un'altra tecnica utilizzata per aumentare la velocità di calcolo - e di conseguenza di generazione dell'immagine - è il cosiddetto Pipelining. In questo caso alcune operazioni eseguite dal sistema vengono sovrapposte temporalmente migliorando la resa complessiva (il cosiddetto throughput) del sistema. Un tipico esempio di pipeline viene applicato in alcuni elaboratori di uso generale, in cui mentre la cpu sta eseguendo un'istruzione, è già disponibile la prossima istruzione, è già disponibile da eseguire. In questo  modo il cosiddetto "ciclo di fetch" di un'istruzione non è più rigidamente sequenziale, ma ha delle sovrapposizioni temporali.

Pietre miliari nella storia della Computer Graphics

• 1952 - Primo video collegato ad un calcolatore (il Whirlwind del MIT) per produrre semplici disegni.
• 1962 - La tesi di Ph.D. di Ivan Sutherland (Sketchpad - A man-machine graphical communication system) pone i fondamenti per la grafica interattiva.
• 1967 - Steve Coons sviluppa il primo algoritmo per la costruzione di superfici sculturate.
• 1967 - La Tektronix lancia sul mercato il monitor grafico 611, un terminale DVST a 11 pollici.
• 1968 - I plotter CalComp, dotati di routine chiamabile da Fortran, stabiliscono uno standard grafico de facto. Esce il terminale T4002 della Tektronix, con un costo di 8.000 dollari (un quinto del costo di sistemi simili).
• 1970 - I sistemi operativi Time-sharing forniscono potenza di calcolo a basso costo.
• 1974 - Prima conferenza all'ACM Siggraph (gruppo speciale di interesse sulla grafica).
• 1980 - Inizia l'era dei Personal Computer.

La Look-up Table

• La Look-up Table o "Tavolozza di colori" è una tecnica usata nei più recenti terminali grafici per estendere il numero di colori rappresentabili. Merito principale è quello di migliorare il rapporto costo/prestazioni nella rappresentazione di immagini colorate. Nei video tradizionali, ad ogni pixel (picture element) del video corrispondono un certo  numero di bit; il l oro numero determina il numero massimo di colori differenti utilizzabili. Se per esempio si dispone di 8 bit per ogni pixel, si possono rappresentare al più 256 (2⁸) colori ed il valore di questi 8 bit corrisponderà ad un'opportuna combinazione dei 3 colori fondamentali, per generare il colore voluto. Utilizzando la Look-up Table, invece, il valore di quei bit corrisponde ad un indirizzo che punta ad una tabella (la Look-up Table appunto) che contiene le combinazioni dei tre colori fondamentali.
• Il vantaggio di avere introdotto questo secondo livello di indirizzamento sta nel potere avere a disposizione molto più di 256 colori. In questo caso il  numero massimo di colori rappresentabili dipenderà esclusivamente dalla dimensione della tavolozza.
• Però con 8 bit si possono indirizzare al massimo 256 elementi, per cui sul video potranno essere presenti sempre al massimo 256 colori contemporanei, scelti però da una tavolozza che ne contiene molti di più. Questo spiega affermazioni del tipo "128 colori contemporanei scelti fra 1.000.000", sempre più frequenti sulle schede che accompagnano i terminali grafici.
• Se vorremo utilizzare un nuovo colore non presente tra i 256 correntemente utilizzati, dovremo sceglierlo nella tavolozza e sostituire il suo indice con uno degli indici utilizzati precedentemente. In questo modo tutti gli oggetti presenti sul video col vecchio colore, verranno immediatamente "dipinti" col nuovo colore. Questo mutamento è istantaneo, tanto è che sono state sviluppate delle tecniche di animazione che utilizzano la Look-up Table (per esempio per simulare lo scorrere di un ruscello).

Funzionamento di un CRT

• Il Tubo a Raggi Catodici (CRT) è sostanzialmente un oggetto di vetro a forma di bottiglia con del fosforo all'estremità più allargata (la superficie di visualizzazione) ed una sorgente di elettroni - detta Electron Gun - nella parte più stretta.
• Il fosforo, colpito da un fascio di elettroni, libera radiazioni luminose. In questo  modo la combinazione di zone illuminate sulla superficie di visualizzazione genera l'immagine.
• L'Electron Gun utilizza dei campi elettrostatici per mettere a fuoco ed accelerare gli elettroni, generati da un catodo composto da filamenti elettrici. Il catodo è circondato da un involucro metallico, detto Griglia di Controllo (Control Grid), con un foro nell'estremità rivolta verso il fosforo. Poiché questo involucro è tenuto ad un potenziale inferiore a quello del catodo, gli elettroni vengono attratti all'esterno e fuoriescono dal foro. Variando il potenziale della Griglia di Controllo, si può controllare la velocità del flusso di elettroni - e di conseguenza la "brightness" dell'immagine generata.
• Una volta fuori dall'involucro, gli elettroni entrano in un'altra struttura metallica, che ha lo scopo di accelerare ulteriormente il fascio e di metterlo a fuoco. Per poter generare un'immagine, si deve però poter controllare esattamente quali punti della superficie ricoperta di fosforo verranno eccitati dal fascio di elettroni, in modo da illuminare soltanto la parte interessata. Perché questo accada, il fascio di elettroni deve essere controllato con grande precisione; a questo scopo viene predisposto un sistema di elettromagneti (detto Yoke) che permette di flettere il fascio verso qualsiasi punto della superficie di visualizzazione.
• Poiché generalmente il fosforo utilizzato dai CRT è a bassa persistenza, l'immagine tende a perdere luminosità molto rapidamente; per questo motivo deve essere continuamente ripristinata, generalmente ciò accade 30 volte al secondo. Se la frequenza di questa operazione, detta Refresh, è però inferiore a 30 volte al secondo, l'immagine appare traballante generando quel fenomeno noto come Flickering e dipendente dal meccanismo percettivo dell'occhio umano.
• Nel caso dei terminali a colori, invece, il dispositivo si complica leggermente. Viene frapposto, fra il fosforo e gli emettitori del fascio (che adesso sono 3, uno per ogni colore fondamentale e cioè rosso, verde e blu), una lastra di metallo, detta Shadow Mask, con dei piccoli buchi rotondi, raggruppati a tre a tre. Il sistema di deflessione fa muovere solidamente i tre emettitori, in modo che in ogni punto dello schermo ciascun emettitore "punti" ad uno dei tre fori. Sotto di questi vi sarà del fosforo del colore corrispondente a quello controllato dall'emettitore. In questo modo è possibile rappresentare un colore come combinazione di tre pigmenti colorati, ciascuno con una certa intensità.

3 - IL SOFTWARE GRAFICO (apr 1986)

Introduzione

• Scopo di un linguaggio grafico è di mettere a disposizione dell'utente delle funzioni che gli permettano di eseguire un certo numero di operazioni, come tracciare linee, cerchi, quadrati, ingrandire parti del disegno, cancellare, colorare.
• Queste funzioni devono avere cioè una stretta analogia con le principali operazioni eseguite da un disegnatore. La differenza con gli usuali linguaggi di programmazione sta quindi nel fatto che l'elaborazione dipende strettamente dal tipo di periferica grafica utilizzata. Può accadere che uno steso programma, se utilizzato con differenti periferiche, ottenga diversi risultati.
• Alla base di ciò esistono dei concetti la cui comprensione è necessaria per chiunque desideri "disegnare" col computer.
• In questo articolo ci proponiamo perciò di analizzare questi concetti, con lo scopo non tanto di sviscerare tecnicamente le componenti di un linguaggio grafico, ma piuttosto di dare una visione complessiva dei suoi elementi costitutivi. In questo ambito un pò di formalismo matematico è necessario.
• Vedremo poi negli articoli successivi alcuni esempi di linguaggi grafici, in modo da poterne valutare differenze e analogie.
• Il primo concetto da affrontare è il Sistema di Riferimento. Quando noi vogliamo rappresentare un oggetto su di un foglio di carta, rispondiamo implicitamente ad una serie di domande, come per esempio "in che scala raffigurare l'oggetto?" oppure "in che punto del foglio disegnarlo?". Questi quesiti rimandano al concetto di Sistema di Riferimento. Esso ci permette di scegliere dove (sulla superficie di visualizzazione) raffigurare l'oggetto. Questo discorso si estende naturalmente alle periferiche grafiche. Esse sono dotate di un sistema di riferimento che permette all'utilizzatore di scegliere in maniera esatta dove collocare l'oggetto da raffigurare. Non solo, ma se si decidesse, una volta effettuato il disegno, di "spostarlo", l'operazione verrebbe condotta in maniera molto semplice, senza dovere "manualmente" rigenerare il disegno.
• Ciò dipende dal fatto che ogni parte del disegno è stata espressa sotto forma di entità geometriche (punto, linea, superficie, solido) e perciò dotata di coordinate che indicano la posizione di ciascuna entità in un particolare spazio geometrico.

Window e Viewport

• Nei linguaggi grafici più diffusi, sono presenti due funzioni, il cui scopo è quello di semplificare al massimo le operazioni di scelta del sistema di riferimento e di posizionamento del disegno sulla superficie di visualizzazione.
• Set Viewport (x1, y1, x2, y2)
• Set Window (wx1, wy1, wx2, wy2)
• Per Window si intende quella parte del modello che è stata scelta per la rappresentazione. Se per esempio si è scelto di disegnare una sinusoide, si deve stabilire che parte raffigurare, essendo questa una funzione periodica definita su tutto l'asse reale. La window definirà che intervallo della sinusoide dovrà essere rappresentato.
• La window ha anche un'altra importante applicazione: lo zoom. Se vogliamo ingrandire un particolare del disegno appena rappresentato, non dobbiamo modificare il programma che lo genera, dovremo semplicemente modificare i parametri della window, rimpicciolendola. Poiché il disegno occuperà sempre la stessa porzione dello schermo, il disegno risulterà ingrandito.
• La Viewport è invece quella parte della superficie di visualizzazione dove apparirà il disegno. Normalmente il disegno occupa tutto lo schermo, ma tramite il concetto di viewport è possibile fare coesistere sulla stessa superficie più disegni non sovrapposti.
• Entrambe queste regioni sono rettangolari e verranno perciò definite da quattro numeri. Le funzioni "Set Window" e "Set Viewport" sono il modo con cui l'utente stabilisce la window e la viewport. Entrambe queste funzioni avranno come parametri quattro numero; nel caso della window saranno quattro numeri reali, espressi nel sistema di riferimento del modello, mentre nel caso della viewport saranno quattro numeri non negativi, il cui valore massimo non potrà eccedere la risoluzione del terminale utilizzato.
• La possibilità di stabilire che parte del disegno raffigurare e in che punto dello schermo collocarla è comunque legata ad un'altra importante funzione di molti sistemi grafici e cioè il cosiddetto Clipping. Si tratta della capacità di non rappresentare parti del disegno esterne alla window stabilita.

Trasformazioni geometriche

• Un altro strumento fondamentale nello sviluppo di applicazioni grafiche sono le cosiddette trasformazioni, che permettono di trasformare un insieme di punti con certe caratteristiche in un insieme con diverse caratteristiche.
• Un esempio lo abbiamo visto. Viene detta "window to viewport mapping" e trasforma un punto appartenente al modello da rappresentare (per esempio 0,3.1415 nel caso della sinusoide) in un punto appartenente alla superficie di visualizzazione (per esempio 10,400). Altre trasformazioni, dette geometriche perché realizzano operazioni di tipo geometrico, permettono invece di far eseguire movimenti o modificare l'aspetto di immagini già raffigurate sul terminale. Possiamo raggrupparle nel seguente modo
  • tradizionali (traslazione, rotazione, riflessione)
  • proiezioni
  • deformazioni (scaling, torsioni, anamorfosi)
• Le trasformazioni tradizionali permettono di spostare l'oggetto rappresentato lungo la superficie di visualizzazione, oppure di variarne l'orientamento, senza però variarne l'aspetto o la dimensione. Le più classiche sono la traslazione e la rotazione, alle quali se ne aggiungono altre come per esempio la riflessione speculare.
• Un secondo gruppo di trasformazioni geometriche è costituito dalle proiezioni. Il loro scopo è di passare da una rappresentazione a tre dimensioni, ad una bidimensionale. Ciò deve essere fatto in quanto la superficie di visualizzazione è tipicamente a due dimensioni, mentre la realtà è a tre dimensioni. Vi sono molti tipi di proiezioni e sarebbe noioso elencarle. Basti dire che si dividono principalmente in due gruppi:
  • proiezioni parallele
  • proiezioni prospettiche
• Nelle prime (ortografiche, assonometriche) non esistono i punti di fuga e vengono rispettate alcune proprietà metriche, mentre nelle seconde (centrali) il parallelismo non viene sempre rispettato. Infatti alcune linee che normalmente sarebbero parallele, dopo questa trasformazione diventano convergenti verso uno o più punti, detti punti di fuga (vanish point).
• Le deformazioni appartengono invece al terzo gruppo. Il loro scopo è modificare l'aspetto dell'oggetto raffigurato. La più semplice è certamente lo "scaling" che permette di variarne la dimensione applicando un fattore di scala. Deformazioni più sofisticate utilizzano invece le tecniche delle trasformazioni tradizionali, ma non vengono applicate ad un corpo rigido. Sono cioè operazioni incrementali in cui l'entità del movimento varia col variare dei punti. Per esempio nel caso del twisting, si applica una rotazione a tutti i punti dell'oggetto, ma l'angolo di rotazione non è costante, ma varia. In questo modo l'oggetto risultante sembra attorcigliato. Altre trasformazioni, molto usate nel '600, sono le anamorfosi. Il termine anamorfosi è stato coniato nel '600, per designare una certa specie di "depravazione ottica" basata sui giochi della prospettiva e della riflessione. Queste immagini sono distorte, spesso mostruose ed indecifrabili ma, se viste da un certo punto dello spazio o riflesse su specchi particolari (per esempio conici o cilindrici), si ricompongono, si rettificano, svelando figure a prima vista non percepibili.
• Tutte queste trasformazioni sono caratterizzate da delle formule matematiche che permettono di calcolare, dato un punto, il suo trasformato. Queste formule non sono generalmente uniche e la forma più utilizzata è quella matriciale, che permette di gestire in maniera omogenea tutti i tipi di trasformazione.

Matrici e trasformazioni geometriche

• Le trasformazioni geometriche sono delle entità matematiche che permettono di variare alcune proprietà - per esempio posizione, orientamento o dimensione - di oggetti rappresentati geometricamente. Matematicamente possono essere espresse come sistemi di equazioni del tipo
  • X' = f1 (x)
  • Y' = f2 (y)
  • Z' = f3 (z)

  dove si mette in risalto che il nuovo punto (X', Y', Z') è stato calcolato dal precedente (x, y, z) applicando in maniera opportuna una serie di funzioni. Per esempio la traslazione (spostamento lungo una retta) soddisferà le seguenti relazioni:

  • X' = x + SpostX
  • Y' = y + SpostY
  • Z' = z + SpostZ

  mentre la variazione della dimensione dell'oggetto utilizzerà le seguenti equazioni:

  • X' = x • Fattore-di-scala
  • Y' = y • Fattore-di-scala
  • Z' = z • Fattore-di-scala
• Esiste comunque una maniera matematicamente più compatta per rappresentare le trasformazioni: la Rappresentazione Matriciale. Con questo strumento possiamo facilmente rappresentare in un'unica matrice più tipi di trasformazioni da applicare contemporaneamente all'oggetto. Se poi vogliamo applicare delle trasformazioni in successione, la rappresentazione matriciale lo permette in maniera molto naturale per mezzo della concatenazione di matrici.
• Il loro grande vantaggio, rispetto al metodo classico, sta comunque nella loro generalità, per cui non si deve avere una serie di equazioni per ogni tipo di rappresentazione. L'applicazione di una trasformazione verrà sempre realizzato moltiplicando il punto da trasformare (espresso sotto forma di vettore) per una opportuna matrice di trasformazione, nel seguente modo:
  • (X', Y', Z') = (x, y, z) •
  • • Matrice Trasformazioni
• Per comporre due trasformazioni, sarà sufficiente applicare il prodotto matriciale:
  • Nuova Matrice = Matrice 1 • Matrice 2
• In questo  modo è possibile realizzare trasformazioni complesse semplicemente concatenando trasformazioni più semplici.

Le primitive grafiche

• Fino ad adesso abbiamo visto i fondamenti matematici per realizzare un disegno su di una periferica grafica. Non abbiamo però ancora parlato delle funzioni che ci permettono effettivamente di disegnare. Queste funzioni vengono generalmente chiamate primitive grafiche, in quanto permettono all'utente di eseguire semplici disegni (punti, linee, quadrati, cerchi ...). La costruzione di disegni più complessi dovrà quindi essere fatta utilizzando opportunamente e combinando queste primitive.
• In questo articolo parleremo soltanto delle primitive di output, mentre rimanderemo il discorso sulle primitive di input in un prossimo articolo, quando si parlerà di interfaccia uomo-macchina.
• La più semplice funzione di output per una periferica grafica è senz'altro la funzione: Set Pixel (x, y, colore) che permette di assegnare un particolare colore al punto di coordinate (x, y). Pur nella sua semplicità, questa funzione ci può dare subito dei problemi in quanto non è una funzione del tutto generale. Infatti il valore del parametro colore dipenderà dal tipo di periferica utilizzata. In un terminale monocromatico semplice, potrà avere soltanto due valori: acceso/spento, mentre in terminali più complessi sarà l'indice nella tabella di colori. Inoltre nei terminali a vettore non esiste il Frame Buffer, perciò il concetto di pixel (punto grafico) non esiste.
• Questa considerazione non vale solo per la funzione Set Pixel, ma si applica a tutte le primitive grafiche e permette di evidenziare uno dei principali problemi della computer graphics: la dipendenza dalle periferiche utilizzate. In uno dei prossimi articoli questo problema verrà affrontato più in dettaglio: si parlerà dei tentativi di risolverlo mediante gli standard grafici.
• Nonostante ciò è possibile parlare di primitive grafiche logiche. Si possono cioè raggruppare in classi logiche (prescindendo da implementazioni particolari) le funzioni grafiche presenti sulle più diffuse periferiche grafiche, utilizzando come fattore integrante le loro funzionalità principali.
  • Set Pixel (x, y, colore) o Pset (x, y, colore)
  • Line (x1, y1, x2, y2) o Draw (x, y)
  • Box (x, y)
  • (x1, y1, x2, y2)
  • Arc(xz, y, raggio, angolo)
  • (x, y, raggio, rapporto)
  • Fill(x, y, colore, bordo)
  • Paint (x, y, colore, bordo)
  • Clear o Cls
• La prima, Set Pixel, l'abbiamo appena vista.
• In questo elenco sono riportati dei nomi alternativi, spesso utilizzati nei linguaggi grafici per rappresentare lo stesso tipo di funzione.
• Line permette di tracciare una linea retta congiungente il punto (x1, y1) con il punto (x2, y2). Spesso questa funzione si trova con una sola coppia di parametri (per esempio Draw [x, y]). Si tratta sempre della medesima funzione, l'unica differenza è che viene utilizzata la posizione corrente: ogni volta che viene eseguita una primitiva di output, il sistema ricorda l'ultima posizione in cui ha eseguito un tracciamento.
• Quindi Draw (x, y) vuol dire "traccia una linea retta che congiunge la posizione corrente con il punto (x, y) e fai diventare (x, y) la nuova posizione corrente". Questa convenzione non si applica solamente alla funzione logica Line, ma a tutte le primitive che eseguono dei tracciamenti.
• La funzione Box traccia un rettangolo con lo spigolo in basso a sinistra coincidente con il punto (x1, y1) e quello in alto a destra col punto (x2, y2). La tecnica per specificare il rettangolo è analoga a quella utilizzata dalle funzioni Set Window e Set Viewport; viene cioè specificata la posizione dello spigolo in basso a sinistra e una diagonale. Talvolta è presente un parametro addizionale che dà la possibilità di creare un rettangolo colorato (non solo il contorno).
• Arc permette invece di tracciare un arco, che sottende un certo angolo. La distanza dell'arco dal punto (x, y) (detto centro) viene regolata dal parametro "raggio". Ovviamente se l'angolo è giro, non verrà generato un arco, bensì una circonferenza. Si può quindi utilizzare questa funzione per tracciare circonferenze.
• Spesso sono però disponibili funzioni ad hoc per rappresentare circonferenze. La loro differenza con le funzioni di tipo Arc è che forniscono un parametro addizionale (nell'elenco indicato come rapporto) che permette di controllare, durante la generazione della figura, il rapporto tra gli incrementi verso x e verso y. Variando questo parametro è quindi possibile generare, oltre che circonferenze, anche ellissi.
• La funzione Fill permette il riempimento di aree con un certo colore o con un certo disegno, detto pattern, che viene duplicato orizzontalmente e verticalmente, sino a riempire completamente l'area specificata. Generalmente questa funzione ha bisogno di un punto interno (x, y) all'area da riempire e del colore di riempimento. E' anche necessario specificare il colore del contorno in quanto la funzione non presuppone l'esistenza di una particolare area. Semplicemente partendo dal punto specificato (che deve essere interno alla figura e non sul contorno) incomincia a colorare in una direzione, finché non trova un pixel del colore del contorno, a questo punto cambia direzione e continua il processo. Per questo motivo l'area da riempire deve essere completamente circondata dal contorno. Se manca anche un solo puntino, il riempimento verrà esteso a tutta la superficie di visualizzazione.
• Clear, infine, permette di cancellare la superficie di visualizzazione. Ha quindi particolare importanza in applicazioni interattive.

La grafica tridimensionale ed il problema del realismo

• Concludiamo questa breve rassegna dando un cenno ad un gruppo di tecniche sviluppate recentemente per dare maggiore realismo alle immagini generate. Vengono utilizzate prevalentemente su terminali raster in quanto si basano sulla possibilità di colorare il singolo punto dell'immagine. Tre sono principalmente le tecniche utilizzate: Hidden Surface Removal (rimozione delle superfici nascoste); Shading (ombratura); Texturing (tessitura).
• Ciascuna di esse cerca di realizzare, spesso con metodi matematici molto complessi e "time-consuming" alcune caratteristiche del processo della visione.
• Le tecniche di rimozione delle linee nascoste sono forse le più diffuse. Si propongono di eliminare dal disegno quelle parti che, in una scena reale, non verrebbero viste dall'osservatore in quanto nascoste da oggetti non trasparenti. Potremmo dire che simulano una proprietà di molti oggetti reali, e cioè l'opacità ai raggi di luce.
• Tutte si basano su di una sorta di ordinamento che permette di stabilire, dato un gruppo di oggetti presenti sulla stessa linea visiva, quale è il più vicino all'osservatore (e quindi visibile).
• Il primo di questi algoritmi, sviluppato agli inizi degli anni '60, funzionava esclusivamente su terminali a vettore. Su questi terminali gli oggetti venivano raffigurati come maglie di linee (mesh), per cui il compito principale di questo algoritmo era la individuazione delle linee nascoste. Quando i terminali raster incominciarono ad essere disponibili a costi ragionevoli, l'attenzione si spostò invece sulla rimozione delle superfici nascoste. Qualunque terminale si utilizzi, non esiste però un unico algoritmo che risolva il problema della eliminazione in maniera efficiente. Le principali differenze tra i metodi correntemente utilizzati nascono dalle diverse applicazioni in cui vengono impiegati.
• Le tecniche di shading cercano invece di rappresentare un modello di illuminazione e quindi di calcolare zone luminose e zone ombreggiate nel disegno. Utilizzando delle sorgenti luminose, si riesce a dare un notevole realismo al disegno in quanto si toglie quella caratteristica che hanno molte immagini sintetiche generate col computer, e cioè l'illuminazione diffusa su tutta la scena rappresentata, senza quindi ombre.
• Il texturing, infine, cerca di dare una parvenza di realtà alle superfici generate assodando una tessitura che, "incollata" alla superficie, permetta di rappresentare fenomeni come onde del mare, nuvole, montagne. Matematicamente la tessitura (o trama) di una superficie può essere definita come una funzione intensità (x, y), che associa ad ogni punto (x, y) appartenente alla superficie un valore di intensità. Il problema è quindi trovare particolari funzioni che rappresentino in maniera realistica situazioni naturali.
• Vi sono altre tecniche, alcune molto recenti, che aggiungono contributi alla rappresentazione del realismo. Tra queste si può ricordare il Ray Tracing, che permette di realizzare immagini altamente realistiche cancellando la riflessione, la rifrazione e la trasparenza negli oggetti. Le tecniche stocastiche (Frattali, Moto Browniano) che simulano movimenti complessi (un prato mosso dal vento) o realizzano immagini complesse (una costa molto frastagliata).
• Le Strutture Grafiche Gerarchiche, che permettono di modellare il movimento umano analizzando regole come "se si muove il braccio, allora si muove anche la mano, ma non viceversa". Infine l'Antialiasing che permette di ridurre le "scalettature" generate dai terminali raster.

Lo Shading

• La tecnica dello Shading (ombratura) contribuisce sensibilmente alla formazione di immagini realistiche su di un dispositivo grafico di tipo raster. Una volta che le parti visibili del disegno sono state identificate da un algoritmo per la rimozione delle superfici nascoste, si deve usare uno "shading model" per calcolare l'intensità e i colori da utilizzare per rappresentarle sul terminale video.
• Lo shading non simula esattamente il comportamento di luci e superfici nel mondo reale, ma ne approssima le condizioni; il disegno di un modello è sempre un compromesso tra precisione e costo computazionale. In questo caso il trade-off è dato in particolare dalla proprietà del sistema visivo umano, che tende ad influenzare la percezione del realismo.
• Il modello di shading ha due ingredienti principali: le proprietà della superficie e quelle della luce che cade sulla superficie.
• La principale proprietà della superficie è il Potere riflettente, che determina quanto della luce incidente viene riflesso. In particolare se una superficie ha diversi poteri riflettenti per luci di differenti lunghezze d'onda, essa apparirà colorata. Un'altra importante proprietà, legata alla superficie in esame, è la trasparenza.
• Nel caso della luce, invece, sono particolarmente importanti l'intensità e il tipo di sorgente luminosa (puntiforme oppure illuminazione diffusa).
• Vediamo ora un semplice modello di shading con illuminazione diffusa. Esso deve permettere di determinare lo "shade" di un punto sulla superficie in termini di un certo  numero di  attributi. Solitamente si usa la seguente formula: E (p) = R (p) • 1 che indica che l'energia luminosa proveniente dal punto p (e cioè E (p)) e dovuta all'illuminazione diffusa, è data dal prodotto di due fattori: l'illuminazione diffusa che cade su tutta la scena (1) e il potere riflettente in p (R (p)).
• Se si vogliono modellare superfici colorate, bisogna valutare separatamente le tre componenti principali del sistema di colore:
  • E (p, rosso) = R (p, rosso) • 1 (rosso)
  • E (p, verde) = (p, verde) • 1 (verde)
  • E (p, blu) = (p, blu) • 1 (blu)
• Queste tre relazioni possono ovviamente essere riassunte da una più composta notazione vettoriale.
• Questo modello può essere sofisticato. Se si vuole introdurre, per esempio, una sorgente luminosa puntiforme, bisognerà utilizzare la legge di Lambert, che afferma che "l'energia sprigionata da una sorgente puntiforme che cade su una superficie varia con il coseno dell'angolo di incidenza".
• In questo caso la relazione sarà (per il caso monocromatico): E (p) = [R (p) • cos (ang)] • 1 (p) dove "ang" è l'angolo di incidenza tra la normale alla superficie ed il raggio luminoso.

4 - I LINGUAGGI GRAFICI (giu 1986)

Introduzione

• Questo articolo si propone di analizzare i linguaggi grafici più diffusi sul mercato ricercandone analogie e differenze. Data la loro grande varietà, ho ristretto il campo di osservazione alle cosiddette macchine "general-purpose", cioè ai computer di uso generale non programmati per una particolare applicazione.
• Accennerò solo brevemente ai linguaggi per i computer "special-purpose" data la loro estrema specificità.
• Va però anche detto che la separazione tra computer specializzati e computer di uso generale si sta sempre più assottigliando, grazie soprattutto alla rapidissima evoluzione tecnologica che consente di ridurre sempre più drasticamente il rapporto costi/prestazioni. Ciò permette di avere a disposizione, con poche decine di milioni, computer di uso generale (supermini) che, se programmati in maniera opportuna, possono esibire prestazioni di tipo grafico sicuramente paragonabili a calcolatori dedicati, di costo molto superiore.
• Dopo aver introdotto le due tipologie della grafica al calcolatore, grafica strutturata e elaborazione numerica delle immagini, vengono analizzati i linguaggi grafici disponibili su calcolatori programmabili di piccola e media dimensione. Per facilitarne il confronto, viene utilizzata una classificazione che fa riferimento al rapporto fra il linguaggio grafico e l'ambiente software che lo ospita.
• Concluderà questo articolo una rapida descrizione di un linguaggio grafico molto diffuso su personal computer, il GW-Basic, che permetterà di analizzare concretamente le caratteristiche di un linguaggio grafico, vedendo in particolare le sue funzionalità rapportate con gli algoritmi grafici analizzati nel precedente articolo sul software grafico.

Grafica strutturata ed elaborazione delle immagini

• Nel precedente articolo ci eravamo occupati delle principali caratteristiche che un linguaggio grafico deve posseder, soffermandoci in maniera particolare sui concetti di trasformazione e rappresentazione realistica. Entrambe queste tecniche facevano riferimento ad un modello geometrico. Detto in altri termini, per poter rappresentare in maniera realistica un oggetto (per esempio rimuovendo le parti non visibili, oppure simulando un'illuminazione sulla sua superficie) oppure per eseguire delle trasformazioni (ruotarlo, ingrandirlo, deformarlo) era necessario che l'oggetto fosse descritto utilizzando un modello geometrico; che venisse cioè visto come composto di parti (per esempio superfici) composte in un certo modo e descritte da particolari equazioni. In questo modo era possibile eseguire le trasformazioni agendo sulla definizione matematica di ogni singola parte. Per questo motivo questo tipo di immagini viene comunemente detta "strutturata".
• Esiste però un'altra classe di immagini, ugualmente manipolabile dai computer, che però non è dotata di struttura ed assomiglia più ad una foto che ad un modello geometrico. Questa differente rappresentazione viene detta a "Mappe di Bit" (in inglese Bit Map), in quanto l'immagine è composta da un insieme di bit, ciascuno con un particolare colore o livello di grigio. Questo tipo di rappresentazione è sempre più diffusa; si pensi per esempio alle immagini provenienti dai satelliti che vengono rielaborate dal computer, oppure alle nuove tecniche non invasive per le indagini mediche, come la TAC (Tomografia Assiale Computerizzata) oppure l'RMN (Risonanza Magnetica Nucleare). Si tratta sostanzialmente del matrimonio fra le tecniche fotografiche classiche e le capacità di manipolazione del computer.
• Prendiamo per esempio il caso della TAC. Viene spesso chiamata Radiografia Computerizzata e non a torto. Si tratta infatti di una radiografia classica (e perciò si potrebbe contestare l'attributo di non-invasività, visto che i raggi X non fanno certo bene) con però la significativa differenza che la radiografia non viene prodotta su lastra ma viene memorizzata, mediante un calcolatore, sotto forma di mappa di bit.
• L'immagine così generata è in bianco e nero ed è stata prodotta associando ad ogni pixel un valore corrispondente al grado di assorbimento dei raggi X. Perciò un pixel bianco corrisponderà alla trasparenza rispetto ai raggi (aria), un pixel nero corrisponderà ad un assorbimento totale (ad es. una protesi metallica) e le tonalità intermedie di grigio corrisponderanno ad un particolare livello di assorbimento.
• L'enorme vantaggio derivato dal possedere la radiografia sotto forma digitale si manifesta nel poter manipolare l'immagine. E' possibile per esempio ingrandire particolari dell'immagine (e ciò acquista una particolare importanza se la risoluzione di campionamento è molto maggiore della risoluzione del video che visualizza l'immagine) oppure eseguire riconoscimenti automatici (per esempio riconoscere automaticamente una neoplasia). Altre operazioni che possono essere eseguite su immagini sotto forma digitale sono per esempio le cosiddette "pulizie" (eliminazione del rumore di fondo, evidenziazione dei contorni, utilizzo dei falsi colori per aumentare il contrasto fra i particolari). Una delle tendenze più recenti è la ricostruzione in tre dimensioni di immagini bidimensionali provenienti da apparecchiature TAC o NMR.
• Perciò le operazioni che vengono effettuate su immagini a mappe di bit differiscono sensibilmente da quelle applicabili ad immagini strutturate. Anche quelle che sembrerebbero simili sono in effetti molto diverse. Per esempio l'ingrandimento di un'immagine, nel caso strutturato si risolve in una modifica della Window, mentre con le mappe di bit viene realizzato per esempio utilizzando la "Bit Duplication" lungo l'asse X e l'asse Y. Anche il riconoscimento automatico di forme all'interno di un'immagine non utilizza proprietà geometriche nel senso più usuale.

Tipi di linguaggi grafici

• Come sempre quando si deve analizzare un fenomeno, si cerca di classificare i suoi componenti mediante analogie, in modo da creare delle "classi di equivalenza" che contengano oggetti simili per qualche proprietà. Questa operazione non sempre è facile e soprattutto non risulta univoca. Nel caso dei linguaggi grafici questa affermazione è particolarmente vera.
• Comunque sia una certa classificazione dà sempre delle indicazioni su come orientarsi.
• Il criterio da me adottato è il rapporto tra i linguaggi grafici e il linguaggi generali (gli usuali linguaggi di programmazione come Basic, Cobol, Fortran, Pascal ...). Si possono quindi identificare tre tipi di linguaggi grafici
  1. Linguaggi inerentemente grafici
  2. Linguaggi come estensione di linguaggi generali
  3. Linguaggi come librerie di sottoprogrammi
• Per ciascuno di questi tipi analizzeremo le caratteristiche principali e ci soffermeremo su qualche linguaggio reperibile sul mercato.

Linguaggi inerentemente grafici

• Per linguaggi inerentemente grafici intendo linguaggi sviluppati per applicazioni tipicamente grafiche, come il tracciamento di figure, ma utilizzabili su computer non "special-purpose". Uno dei più interessanti - e anche dei più curiosi per le sue implicazioni con la pedagogia - è il Logo, nato alla fine degli anni Sessanta presso il Laboratorio di Intelligenza Artificiale del Massachussetts Institute of Technology (MIT) da una felice intuizione di Seymour Papert.
• L'idea di base è di utilizzare il calcolatore in un modo alternativo, superando gli aspetti puramente strumentali per approfondire "quello che l'elaboratore può apportare ai processi mentali, esercitando la sua influenza sui nostri modi di pensare ...".
• Originariamente era stato pensato per facilitare l'insegnamento dell'informatica (in particolare l'approccio al calcolatore) ai giovanissimi. Utilizza, per il tracciamento, il concetto di posizione corrente, rappresentato simbolicamente da una tartaruga, che deve essere guidata dal programma e che muovendosi può lasciare una traccia che rappresenta il disegno.
• Il concetto di tartaruga fu usato per la prima volta da un neurofisiologo inglese, Grey Wlater, che costruì agli inizi degli anni '60 dei piccoli robot, chiamai appunto "Tortoises".
• Questi oggetti ispirarono a loro volta le prime "tartarughe meccaniche" costruite al MIT e cioè dei robot controllati da computer che si muovono lungo il pavimento e rispondono, eseguendoli, ad alcuni semplicissimi comandi del tipo:
  • FORWARD x:            vai avanti di "x" passi
  • BACKWARD x:         vai indietro di "x" passi
  • LEFT x:                       gira a sinistra di "x" gradi
  • RIGHT x:                    gira a destra di "x" gradi
  • PENUP:                      non lasciare una traccia sul pavimento
  • PENDOWN:               lascia una traccia sul pavimento       
• Il passo di sostituire questo oggetto meccanico con una più flessibile ed economica simulazione sullo schermo di calcolatore è stato breve, e così è nato Logo.
• In questo caso la tartaruga è rappresentata da un cursore a forma di triangolo isoscele ed è definita da uno stato, composto dalle seguenti informazioni (rappresentate come variabili globali all'interno del linguaggio):
  • posizione corrente
  • direzione corrente di movimento
  • utilizzo della penna (PenUp e PenDown)
• In questo modo un generico comando alla tartaruga può essere espresso in termini di variazione del suo stato. Introducendo poi la possibilità di racchiudere insieme, mediante la creazione di procedure, gruppi di comandi e permettendo la definizione ricorsiva dei comandi, si è in grado di far eseguire alla tartaruga cammini (e cioè disegni) complessi, pur utilizzando un insieme di comandi piuttosto semplici. Si vedano per esempio le figure 4 e 5 che rappresentano l'esecuzione dei seguenti programmi Logo:
  • TO POLYSPI: lato: angolo
  •       FORWARD: lato
  •       RIGHT: angolo
  •       POLYSPI (: lato+1): angolo
  • TO INSPI: lato: angolo: incremento
  •       FORWARD: lato
  •       RIGHT: angolo
  •       INSPI: lato (: angolo+: incremento) : incremento
• E' curioso notare come queste due semplici procedure (dove la parola TO indica la definizione della procedura ed entrambe sono ricorsive) si assomigliano molto, eppure generano risultati piuttosto diversi. Anzi, ciascuna di esse produce grosse variazioni nel disegno generato, a fronte di piccole variazioni nei parametri da esse utilizzati (per esempio angolo o incremento).
• Logo è attualmente utilizzabile su molti personal e home computer (Apple II, Commodore 64, PC Ibm ...).
• C'è un'altra classe di linguaggi inerentemente grafici che sta recentemente diffondendosi, e che ha come "cavallo di battaglia" l'utilizzo della cosiddetta "Interfaccia iconica", e cioè di un nuovo modo di dialogare con il computer che rinuncia alla mediazione testuale, impiegando massicciamente immagini e pointing-device (come mouse, tablet e joystick).
• Capostipite è il  linguaggio Smalltalk, sviluppato alla fine degli anni '70 al Parc (Xerox Palo Alto Research Center), un vero e proprio linguaggio con primitive grafiche per la gestione delle icone (mappe di bit rappresentanti singoli oggetti come stampanti, dischi, programmi). Recentemente sono state sviluppate versioni di interfacce iconiche creando librerie di sottoprogrammi utilizzabili dai tradizionali linguaggi di programmazione. Tra queste si ricorda il sistema operativo di Lisa e di Macintosh della Apple, oppure Gem della Digital Research.

Linguaggi come estensione di linguaggi generali

• A questa seconda classe appartengono quei linguaggi grafici nati come estensione di linguaggi generali. La loro diffusione è principalmente sui personal e home computer ed il linguaggio più volte "esteso" è senza dubbio il Basic, probabilmente per la sua diffusione. Le estensioni possono essere fatte in due modi: nel primo il linguaggio non viene apparentemente esteso. Non vengono cioè introdotte nuove istruzioni o nuove funzioni. Si utilizzano però massicciamente due funzioni Basic che permettono di leggere e modificare qualsiasi valore che abbia un indirizzo.
• Queste funzioni sono:
  • PEEK (indirizzo)
  • POKE (indirizzo), byte

la prima ritorna il contenuto (un byte) dell'indirizzo, mentre la seconda mette "byte" nell'indirizzo. E' con questi tipi di funzioni che in computer come il VIC 20 della Commodore si realizzano programmi grafici. Sui manuali sono ovviamente rese note le mappe di memoria che riportano per esempio dove viene gestito il colore, oppure dove è collocato il frame-buffer, oppure ancora a che indirizzo corrisponde il processore grafico.

• Nel secondo modo, invece, vengono aggiunte al linguaggio vere e proprie istruzioni e funzioni, riconosciute dall'interprete.
• Questa operazione comporta la modifica dell'interprete, ma ha come enorme vantaggio la chiarezza nella realizzazione dei programmi. Si veda per esempio i due modi per eseguire la modifica del colore corrente:
  • VIC 30    C = 37888 + 4* (PEEK [36866] AND 128) POKE C, 8
  • MS GW-BASIC COLOR, 1
• Esempi di linguaggi di questo tipo sono MSX-Basic e MS GW-Basic, oppure il Basic per lo Spectrum. Nell'ultima parte di questo articolo viene esaminato in dettaglio MS GW-Basic.

Linguaggi come libreria di sottoprogrammi

• Per questa ultima categoria il termina linguaggi risulta forse improprio. Si tratta infatti generalmente di librerie di sottoprogrammi, scritti in un usuale linguaggio di programmazione come per esempio Fortran, Pascal, C o Basic. Quindi non sono veri e propri linguaggi, ma piuttosto applicazioni. La principale differenza però con gli usuali programmi applicativi sta nel fatto che questi linguaggi-librerie non sono "stand-alone". Non è possibile cioè "eseguire" un linguaggio di questo tipo (cosa invece normale, anzi tassativa negli applicativi). Questo perché nelle librerie non ci sono programmi, ma funzioni.
• Possiamo dire che le librerie costituiscono un modo alternativo per estendere il linguaggio. Nei casi visti precedentemente, linguaggi come MS GW-Basic o MSX-Basic sono stati sviluppati modificando l'interprete in modo che "accogliesse" nel nuovo linguaggio anche istruzioni grafiche. In questo modo è possibile eseguire dei controlli sintattici. Nel caso delle librerie, invece, l'estensione avviene in maniera molto più semplice. Qualsiasi linguaggio va bene. se poi le librerie sono state sviluppate sotto particolari sistemi operativi (per esempio il VMS della Digital), allora pur essendo state scritte in un certo linguaggio, possono essere utilizzate da tutti linguaggi che funzionano sotto quel sistema operativo (purché seguano le stesse convenzioni sul passaggio di parametri).
• Anche in questo caso la scelta di librerie è grande. Si può ricordare, per la diffusione che ha raggiunto, GINO-F. Si tratta di una libreria di routines grafiche e gestionali in grado di funzionare su diversi tipi di apparecchiature (calcolatori e terminali) composte di due parti:
  • Routines "FRONT-END"
  • Routines "BACK-END"
• Le prime sono realizzate interamente in linguaggio Fortran ANSI standard (indipendenti quindi dal tipo di calcolatore). Le seconde, invece, costituiscono l'interfaccia tra il calcolatore centrale e le periferiche grafiche, gestendo il collegamento tra il "front-end" e il sistema operativo. Vi saranno quindi diverse routines "Back-end" per diversi tipi di terminale (e di calcolatore), mentre la parte "front-end" non cambia.
• C'è un altro gruppo di linguaggi grafici che segue questo approccio e di cui parleremo nel prossimo articolo. Sono i cosiddetti standard grafici e si stanno lentamente imponendo sul mercato perché finalmente permettono il trasporto di applicazioni grafiche fra sistemi disomogenei.

Un esempio di linguaggio grafico: MS GW-Basic

• Vediamo adesso più in dettaglio un linguaggio grafico: MS GW-Basic sviluppato dall'americana Microsoft. Questo linguaggio funziona sui personal computer Ibm compatibili dotati di grafica (per esempio M24 dell'Olivetti). Appartiene alla seconda categoria in quanto si tratta sostanzialmente di un Basic fornito di funzioni grafiche "Buildt-in" riconosciute cioè dall'interprete come facenti parte del linguaggio.
• E' quindi un'estensione del Basic (rispetta i dettami dello standard ANSI) che fornisce un insieme di istruzioni e di funzioni di grafica che consentono di visualizzare punti e linee sul video, utilizzando vari colori.
• Per poter utilizzare queste funzioni, occorre selezionare l'ambiente grafico (mediante l'istruzione Screen). Si possono selezionare tre diversi modi di grafica:
  1. Modo a Media Risoluzione (320x200)
  2. Modo ad Alta Risoluzione (640x200)
  3. Modo ad Altissima Risoluzione (640x400)
• Questa separazione è stata introdotta per utilizzare il colore senza far aumentare il costo del calcolatore. Infatti nelle versioni a colori (scheda grafica del PC-XT dell'Ibm oppure M24 standard a colori dell'Olivetti) il colore nella grafica può essere utilizzato solamente in Media Risoluzione.
• Per utilizzare il colore in Altissima Risoluzione ci vorrebbe molta più memoria (per alloggiare il Frame Buffer) e quindi i costi del computer (o del terminale grafico utilizzato) aumenterebbero necessariamente.
• Vediamo adesso le principali funzioni che MS GW-Basic mette a disposizione per la grafica:
  • Gestione delle coordinate
  • Primitive di Output
  • Gestione degli attributi
• La gestione delle coordinate avviene sostanzialmente con due istruzioni, Window e View, che permettono di modificare, rispettivamente la window e la viewport (vedi articolo numero 3). Sulla finestra definita dalle due istruzioni, agisce un "line-clipper" che permette di  non visualizzare le parti dell'oggetto esterne alla finestra corrente. Esiste poi la funzione PMAP, che permette di passare dal sistema di riferimento fisico, a quello definito dall'utente e viceversa.
• Le primitive di output fornite da MS GW-Basic, coprono le principali funzionalità richieste da un sistema grafico. Vi sono routines di tracciamento, come PSET LINE e CIRCLE che permettono di rappresentare punti, linee, rettangoli, archi, cerchi, ed ellissi (variando i parametri di chiamata).
• Esiste un'istruzione per il riempimento di aree (PAINT) e una coppia di istruzioni, GET Grafica e PUT Grafica che permettono di realizzare una semplice animazione a "Sprites". E' cioè possibile definire degli oggetti come mappe di bit rettangolari (Sprites) ed utilizzare GET Grafica e PUT Grafica per farle muovere rapidamente sullo schermo. Parte di queste istruzioni possono essere utilizzate sia con coordinate assolute, specificando cioè le coordinate del punto in cui devono essere applicate, sia relative (mediante l'opzione STEP) specificando il punto di applicazione come offset dalla posizione corrente.
• Esiste poi una particolare istruzione, DRAW, che permette di rappresentare figure utilizzando un semplice linguaggio grafico, il Graphics Macro Language. DRAW riunisce cioè la maggior parte delle possibilità delle altre istruzioni per la grafica, mettendo a disposizione un facile linguaggio per definire gli oggetti grafici. Un comando in questo linguaggio è un singolo carattere (per esempio U corrisponde allo spostamento in alto, C alla modifica di colore) o una coppia di caratteri all'interno di una stringa, eventualmente seguiti da uno o più argomenti.
• Per concludere il discorso sulle primitive di output, va segnalato che l'interprete del MS GW-Basic permette di utilizzare le istruzioni grafiche con un formato variabile, permettendo così una notevole flessibilità di utilizzo. La funzione LINE, per esempio, viene definita sintatticamente così: LINE [[STEP] (x1, y1] − [STEP] (x2, y2) [[color] [B(F)] [style]] .
• in questo caso le parentesi quadre racchiudono parti dell'istruzione che sono opzionali (possono cioè essere omesse). Perciò, partendo da un'unica istruzione, si possono "generare" istruzioni dal comportamento piuttosto differente:
  1. LINE − (x,y)
  2. LINE (x1, y1) − (x2, y2), 3
  3. LINE (1, 1) − (2, 2),, B
  4. LINE (1, 1) − (2, 2), 2, BF
  5. LINE (50, 50) − STEP (15, − 13)
  6. LINE (0, 0) − (100, 100), 3,, &FHH
  1. traccia una retta dalla posizione corrente al punto (x, y), utilizzando gli attributi correnti
  2. traccia una retta da (x1, y1) a (x2, y2) utilizzando gli attributi correnti e il colore
  3. traccia un rettangolo (opzione Box) con gli attributi correnti
  4. traccia un rettangolo colorato con il colore 2 (opzione Box Filled)
  5. traccia una retta dal punto (50, 50) al punto (65, 37) (utilizzo della modalità relativa)
  6. traccia una retta tratteggiata (opzione style espressa in esadecimale) di colore 3.
• La gestione degli attributi infine non è fata in maniera totalmente indipendente. Esistono infatti due modalità. La prima mette a disposizione delle funzioni apposite per modificare gli attributi di visualizzazione; è questo il caso dell'istruzione Color che permette di specificare il colore corrente utilizzato dalle successive primitive di tracciamento. La seconda, invece, incorpora la gestione degli attributi nell'istruzione di tracciamento, mettendo a disposizione nell'istruzione in questione un parametro per la modifica del colore di tracciamento. Questo parametro (che può comunque venire omesso, come spiegato poc'anzi parlando dell'istruzione LINE), non modifica il valore corrente dell'attributo, ma coinvolge solamente la primitiva che lo utilizza.

La tomografia assiale computerizzata

• Quando dei raggi-X attraversano un mezzo, vengono attenuati da diversi processi di assorbimento e di scattering. Perciò l'intensità dei raggi diminuisce man mano che si addentra nel mezzo. Il numero di raggi-X attenuati in un mezzo dipende dal numero di raggi incidenti. In particolare, per ogni punto attraversato dai raggi, viene calcolato un parametro fisico, detto coefficiente di attenuazione lineare, che rappresenta il grado di attenuazione che il raggi-X hanno subito in quel punto e che dipende, oltre che dal fascio di raggi incidenti, anche dal materiale.
• Durante il processo di ricostruzione dell'immagine, ad ogni pixel viene associato un numero, detto CT number (Computed Tomography number) collegato al coefficiente di attenuazione lineare del materiale. Generalmente questo numero oscilla in un certo intervallo, in modo che ad ogni particolare valore (discreto) si può associare un particolare livello di grigio sullo schermo in cui viene visualizzato il risultato della radiografia. L'associazione dei livelli di grigio (o anche colori) al CT number è arbitrario, ma generalmente si tende a generare un'immagine confrontabile con una radiografia classica. perciò maggiore è l'assorbimento in un punto, più scura sarà la rappresentazione sul terminale. In questo modo per esempio, le masse acquose risulteranno molto chiare, mentre le protesi metalliche (massimo assorbimento) saranno nere.
• La principale differenza con la tradizionale radiografia, sta nell'avere a disposizione l'immagine in forma digitale. E' quindi possibile applicare all'immagine ricavata dai sensori dello strumento, delle elaborazioni numeriche, che possono aumentarne sensibilmente la qualità, evidenziando per esempio le strutture, oppure rimuovendo il "rumore di fondo". Inoltre la TAC viene fatta utilizzando molti sensori che, durante il rilevamento,  vengono ruotati permettendo di avere immagini provenienti da diverse sezioni del corpo, mentre nella radiografia tradizionale, una parte del corpo viene irradiata con un fascio di raggi-X e si raccoglie su lastra o su pellicola l'intensità della radiazione emergente dalla parte opposta.
• Se si vuole vedere parti differenti, bisogna fare un'altra radiografia, modificando la posizione del corpo rispetto al fascio incidente.
• La Tomografia Assiale Computerizzata non è comunque l'unica tecnica diagnostica che si basa sull'utilizzo del calcolatore. Anzi le applicazioni del computer per le diagnosi di malattie stanno moltiplicandosi. Basti pensare alla scintigrafia (iniezione nel paziente di sostanze marcate con radioisotopi e successiva rilevazione della radioattività), oramai consolidata nella pratica medica, alla termografia, alla ecografia, per citarne alcune. Tra le tecniche in fase di sviluppo va segnalata la RMN (Risonanza Magnetica Nucleare), che permette di studiare la biochimica dei tessuti "in vivo" (per esempio identificando la variazione della concentrazione del fosforo presente nei tessuti). E' quindi possibile avere delle informazioni sull'andamento del metabolismo nel corpo del paziente. Inoltre questa tecnica diagnostica utilizza dei campi magnetici, sicuramente meno dannosi dei raggi-X.

Il linguaggio Smalltalk

• Nei primi anni '70 il Learning Research center Group del Parc incominciò a lavorare su u n modo nuovo con il quale la gente avrebbe potuto usare in maniera effettiva e "giocosa" (Goldberg e Robson usano la parola "joyfully") il computer. Nel 1981 il nome del gruppo venne cambiato in Software Concepts Group (SCG): Il suo scopo divenne creare un sistema informativo potente nel quale l'utilizzatore potesse memorizzare e modificare le informazioni in modo che il sistema crescesse nello stesso modo in cu crescono le idee. La strategia del SCG per realizzare questa nuova concezione proponeva di concentrarsi su due aree principali di ricerca:
  • Un linguaggio di descrizione, che servisse come interfaccia tra il modello presente nella mente umana e il modello presente nel computer.
  • Un linguaggio di interazione, che facesse combaciare il sistema di comunicazione umano con quello del computer.
• Il risultato di questa pluriennale ricerca è Smalltalk. Possiamo definirlo come un ambiente di programmazione grafico e interattivo in cui ogni componente presente nel sistema, se è accessibile all'utente, allora viene rappresentata in un modo significativo per l'osservazione e la manipolazione.
• L'elemento base in Smalltalk è quindi l'Oggetto. Esso viene definito da uno stato, rappresentato da una "instance variable" e può utilizzare delle operazioni dette "metodi", che vengono richiamate da altri oggetti mediante dei "messaggi" che specificano il nome dell'oggetto richiamato, il nome del metodo da invocare e dei parametri attuali da associare al metodo. Sostanzialmente si tratta di una "procedure call" convenzionale, con la differenza che il legame tra il nome del metodo richiamato e il metodo stesso avviene in fase di esecuzione e non in fase di compilazione/linkaggio, oppure di caricamento. Per questo motivo Smalltalk viene detto linguaggio "object-oriented".
• Per realizzare questo ambiente occorrono periferiche grafiche; in particolare un video grafico ad alta risoluzione e una periferica di input (la più usata è il mouse).
• I concetti grafici basilari utilizzati da Smalltalk sono le Icone, che denotano graficamente gli oggetti presenti nel sistema, e le Window, porzioni di schermo con associati alcuni oggetti, una procedura da eseguire e uno stato (attiva oppure no). In questo modo è possibile avere sul video più finestre aperte (e cioè più applicazioni) contemporaneamente; di queste però una sola sarà quella attiva.

 5- GRAFICA E AUTOMAZIONE D'UFFICIO (lug-ago 1986)

Introduzione

• In questo articolo e nel prossimo (che concluderà questa breve rassegna) parleremo "finalmente" dell'ingresso della computer graphics nel mondo dell'automazione d'ufficio. Vedremo quali aspetti, sia hardware che software, stanno maggior,ente modificando l'automazione d'ufficio.
• Si può dire che sono principalmente due le soluzioni mutuate dalla grafica che si stanno legando sempre più indissolubilmente con l'automazione d'ufficio, vista ovviamente nel suo senso più lato. Il primo riguarda il rapporto tra l'utente e il calcolatore con i suoi programmi. Chiamato spesso "Interazione uomo-macchina", questo aspetto sta diventando sempre più centrale nella pur dinamica realtà informatica. Si tratta sostanzialmente di migliorare il modo con cui l'utente dialoga con la macchina, riducendo al minimo le convenzioni sintattiche ed i vincoli comunicativi. Il dialogo deve essere diretto, non mediato; l'utilizzatore deve essere in grado di indicare esattamente ciò che vuole fare, nel modo più semplice possibile. Di qui lo sviluppo delle cosiddette interfacce iconiche.
• Il secondo aspetto, invece, riguarda l'ambito più istituzionale della grafica ed è più antico delle problematiche dell'interazione uomo-macchina. Si tratta di utilizzare la grafica per rappresentare dati in maniera più diretta, in modo da evidenziarne le interrelazioni e i trends. Abbiamo già parlato dei vantaggi (e dei "pericoli") di una rappresentazione grafica di dati. E' venuto quindi il  momento di affrontare questo aspetto più in dettaglio, osservando quali prodotti vi sono sul mercato, confrontandoli e studiando brevemente le modalità di utilizzo.
• Seguendo una consuetudine oramai cementata nella stampa specialistica, chiamerò Business Graphics, quella parte della grafica al calcolatore che si occupa di rappresentar dati tabellari utilizzando varie rappresentazioni, anche se non necessariamente i dati da raffigurare sono di tipo economico.

Interazione uomo-macchina

• Già nel precedente articolo, parlando di Smalltalk e del Macintosh della Apple, erano emerse le "interfacce iconiche", introducendo concetti come windows e icone.
• Adesso vorrei entrare in maniera più dettagliata, nelle caratteristiche tecniche. Si può dire che un'interfaccia iconica è costituita dai seguenti componenti:
  • pointing device,
  • multi-windows,
  • pop-up (o drop-down) menu.
• I Pointing Devices altro non sono che un particolare tipo di periferica di input, che fornisce come valori d'ingresso delle posizioni, piuttosto che dei caratteri come fa per  esempio la tastiera. Queste periferiche sono i cardini delle interfacce di tipo iconico, in quanto permettono di "puntare" (da qui il termine "pointing") ad un oggetto e quindi selezionarlo. In questo modo se voglio vedere il contenuto di un disco (esaminare la sua directory, per usare una terminologia più classica), mi limiterò a selezionare il disco (rappresentato sul video da una icona opportuna) e ad "aprirlo" (cioè a vederne il contenuto).
• Mancando un colloquio di tipo verbale, in cui si può vedere rapidamente l'erronea specificazione di un comando, l'interfaccia iconica richiede che in qualche modo il sistema segnali all'utente qual è stata l'icona selezionata. Ciò è ancora più evidente quando vi sono delle icone sovrapposte.
• Per questo motivo è stato introdotto un meccanismo di feed-back (detto anche retroazione) che permette di indicare all'utente quale è l'icona selezionata. Generalmente si usa renderla più luminosa oppure, lavorando su schermi a fondo bianco, colorarla di nero.
• Il secondo componente di un'interfaccia iconica è il sistema a multi-windows che permette di avere sulla superficie di visualizzazione più oggetti. L'idea è di simulare la scrivania in cui generalmente non c'è solo il documento che stiamo consultando, ma anche altre cose, come per esempio l'agenda, una calcolatrice, oppure altri documenti che ci servono come consultazione. Naturalmente, in ogni istante, noi staremo utilizzando un solo "oggetto", però può tornare utile averne sottomano diversi.
• Il "multi-windows" è stato sviluppato seguendo questa analogia. Sul video possono essere aperte più finestre (a ciascuna delle quali è associato un oggetto), una sola è quella attiva, quella cioè su cui è possibile lavorare.
• Storicamente il concetto di multi-windows è una realizzazione del "timeshared CRT", cioè della spartizione del video fra più processi. Questo a sua volta deriva dal più noto "timeshared CPU", che nei primi anni '70 ha permesso la realizzazione di primi sistemi a partizione di tempo (time-sharing system). Il modulo software che presiede alla gestione delle finestre è il Window Manager, che processa i comandi utente (o del sistema operativo) orientati alla creazione e manipolazione delle finestre. Fra tutte le finestre aperte (cioè presenti sul video), una sola ha "corrente", cioè interagisce con l'utente (per esempio accettandone l'input).
• L'operazione di switch tra una finestra e l'altra rende corrente quella di arrivo e genera un cambiamento di contesto anche nel sistema operativo (cambia anche il processo attivo). Per facilitare queste operazioni, il window manager associa ad ogni finestra una priorità, che corrisponde alla sua profondità su video. Perciò la finestra attiva avrà la massima priorità.
• Dal punto di vista grafico, il window-manager è interessante per gli algoritmi di "redisplay". Vi sono infatti varie tecniche che minimizzano le operazioni di ritracciamento. Se per esempio cancelliamo dal video una finestra ed essa ne copre delle altre, potremmo aggiornare la situazione ritracciando tutte le finestre tranne quella da eliminare, partendo da quella più coperta (che ha la priorità più bassa). Se però fosse possibile individuare quali sono le finestre effettivamente coperte prima della cancellazione (chiamate "redrawing chain"), potremmo ritracciare solo quelle.
• Infine i "drop-down" (o "pop-up") menu sono dei menu che vengono visualizzati non appena il cursore passa vicino alla riga dei comandi in alto sullo schermo (detta "menu bar").
• Il termine "drop-down" fa riferimento al fatto che non appena il cursore controllato dal mouse passa vicino all'intestazione di un menu, appare un menu ed è come se venisse appoggiato sullo schermo dall'alto verso il basso. Una volta apparso il menu, è sufficiente posizionare il cursore su una delle voci per selezionarla (viene annerita).
• Per rendere poi operativa la scelta selezionata, bisognerà premere un tasto del mouse. La loro elevata flessibilità sta nel fatto di poter fornire una grande quantità di scelte (fino ad una decina per ogni menu) pur rimanendo al livello principale e senza perdere una certa organizzazione gerarchica.
• Il loro inquadramento gerarchico viene preservato oltre che dal nome del menu (a cui si deve fare riferimento per utilizzare il menu in questione) anche dalla possibilità di rendere alcune opzioni non selezionabili. Ciò viene realizzato colorandole di grigio e impedendo per queste la selezione col cursore.

Approccio formale alla interazione uomo-macchina

• La sempre più crescente importanza di una potente e flessibile interfaccia uomo-macchina nelle più svariate applicazioni ha determinato la necessità di una sua formulazione. Con ciò non sarebbe più semplice (e meno ambiguo) dare, in maniera non dipendente dal particolare ambiente hardware/software utilizzato, delle specifiche per sviluppare programmi con applicazioni di tipo grafico. Non è un compito semplice in quanto tutte le applicazioni di tipo grafico vantano due caratteristiche strutturali:
  • presenza di numerosi costrutti speciali, differenti dalle usuali strutture dati, come per esempio: picture, trasformazioni geometriche, strutture grafiche gerarchiche;
  • elevata interazione.
• Detto comunque in altri termini, lo scopo delle specificazioni formali di un linguaggio è il fornire una sua precisa caratterizzazione ad un certo livello (conveniente) di astrazione. la presenza in un linguaggio di elevata interazione (per esempio per l'utilizzo di un mouse) introduce nella generale problematica dell'Input/Output anche dei particolari vincoli di sincronizzazione. Vi sono infatti due processi (il computer e l'utente) concorrenti ed indipendenti (tranne quando l'utente vuole dei risultati oppure quando il computer richiede dell'input).
• Spesso uno dei problemi che sorge è quello detto "busy waiting", che ha origine ogni qualvolta si utilizzano dei costrutti del tipo: While nessun input DO aspetta.
• Per evitare questi continui cicli "aspettando dell'input" bisogna fare in modo che la sincronizzazione dei processi non sia gestita dal programma applicativo, ma dal sistema operativo, in modo che egli possa amministrare in maniera efficiente le risorse di calcolo.
• Per formalizzare gli usuali linguaggi di programmazione vengono generalmente utilizzate delle specificazioni di tipo algebrico. I linguaggi grafici, invece, presentando un alto livello di interattività che perlopiù si manifesta sotto differenti modalità, richiedono delle assunzioni più generali, in particolare:
  • una operazione può aspettare finché l'oggetto ad essa associato raggiunga uno stato particolare (a causa dei vincoli di sincronizzazione), prima di ritornare al programma chiamante;
  • le operazioni possono avere effetti collaterali sullo stato dell'oggetto al quale sono associate.
• Perciò la sincronizzazione assume un ruolo centrale e quindi l'attenzione va concentrata su una sua formalizzazione. Per esempio può essere descritta esplicitando i vincoli di temporizzazione e cioè creando dei tipi di dati "condivisi" che dispongano, per ogni tipo di operazione, delle seguenti informazioni:
  • le condizioni alle quali l'operazione può essere eseguita;
  • il valore ritornato dall'operazione;
  • l'effetto dell'operazione sullo stato dell'oggetto.
• Questo problema è comunque ancora agli inizi, anche se R. Mallgren ha proposto, come PhD Thesis un'interessante formalizzazione dei linguaggi grafici.

La storia di Officetalk

• Tornando ad argomenti più concreti, e chiarite le componenti principali di un sistema multiwindow che utilizzi un'interfaccia iconica, può essere interessante raccontare la storia del primo sistema di questo genere: Officetalk-Zero. Si tratta infatti del primo matrimonio significativo tra grafica ed automazione d'ufficio.
• Il progetto Officetalk iniziò nel 1976 sotto gli auspici del PARC (Palo Alto Research Center) della Xerox focalizzandosi sui due principali problemi incontrati dai realizzatori di sistemi di ufficio sperimentali: integrazioni e correttezza dei dati.
• All'interno del PARC erano già stati sviluppati numerosi strumenti di automazione d'ufficio, come text-editors, gestori di files, creatori di illustrazioni, posta elettronica; non erano però integrati fra di loro.
• Il progetto iniziò dunque con una serie di studi condotti in diverse realtà di ufficio esterne al PARC. Sulla base dei risultati ottenuti, fu disegnato un sistema integrato d'ufficio chiamato Officetalk-Zero. Inizialmente fu implementato come dimostrazione di fattibilità; venne poi reimplementato come sistema prototipale "full-scale" e fu distribuito in un dipartimento amministrativo della Xerox.
• Gli studi preliminari permisero al gruppo di identificare un certo numero di proprietà del lavoro d'ufficio che suggerirono altrettante richieste nel sistema integrato. Fu notata per esempio una notevole difformità di operatività in procedure che eseguono compiti simili; perciò era necessario permettere che ciascun utente potesse sviluppare il proprio metodo di lavoro. Inoltre gli impiegati hanno bisogno di poter far riferimento a numerosi files o documenti in maniera concorrente e disporre, a portata di mano, di una grossa quantità di informazioni ad "accesso rapido". Fu notata anche la rapidità con cui costoro cambiavano attività (sospendendo la precedente) per rispondere ad interruzioni ad alta priorità e l'importanza di comunicazioni di tipo verbale (non strutturale). Tutte queste considerazioni vennero raccolte nel disegno dell'interfaccia utente di Officetalk-Zero.
• Officetalk-Zero è essenzialmente un sistema per manipolare documenti, che possono essere memo di una o più pagine, lettere, "office forms", reports, brochures illustrate, ecc. E' possibile raggruppare, sulla pagina di un documento, testo, dati e immagini. Il sistema mette a disposizione uan serie di funzioni per la gestione dei documenti come il text-editing, la grafica, il page layout, la memorizzazione ed il reperimento delle informazioni, la posta elettronica. I documenti vengono visualizzati sul video nella loro forma definitiva ("What you see is what you get") utilizzando un sistema a finestre che permette la visibilità di più documenti contemporaneamente (seguendo quindi una delle osservazioni fatte in fasi di analisi).
• Il sistema venne implementato per funzionare sotto il sistema operativo del computer Alto della Xerox e in rete locale (Ethernet). Per realizzare effettivamente un sistema distribuito, venne utilizzato un File Server "shared" che poteva essere raggiunto dai vari computer Alto del sistema tramite la rete Ethernet. Sul File Server era memorizzato l'intero ambiente informativo del sistema che veniva utilizzato dagli Alto su esplicita domanda. In questo caso le informazioni necessarie venivano trasferite tramite la rete e memorizzate sui dischi (locali) degli Alto. Periodicamente il contenuto di questi dischi era rispedito al File Server per l'aggiornamento.
• I documenti vengono rappresentati mediante una struttura gerarchica ad albero.
• Al livello pagina, tutti gli oggetti non testuali sono muniti di coordinate (x, y) per assicurare un rapido meccanismo di selezione. Ogni documento mantiene traccia della sua "storia" e contiene uno "style sheet" che contiene tutti gli stili (per esempio neretto, corsivo, sottolineato per i testi, oppure solido tratteggiato o punteggiato per i grafici) utilizzati e che può essere modificato in qualsiasi momento della storia del documento.
• Questa esperienza è proseguita in Xerox nel sistema STAR, che può essere visto come una versione ingegnerizzata di Officetalk-Zero, in cui sono state modificate alcune caratteristiche dell'interfaccia. per esempio in STAR le finestre non si sovrappongono; ciò è stato fatto per scoraggiare l'utente nel perdere tempo a modificare (spesso inutilmente) la dimensione della finestra.

La Business Graphics

• Concludo questo articolo parlando brevemente della Business Graphics. L'argomento non dovrebbe costituire una novità e perciò non  mi dilungherò. Nel primo articolo di questa rassegna avevo analizzato il problema della rappresentazione grafica dei dati tabellari, soprattutto visti in rapporto con la teoria della percezione. In particolare è interessante il lavoro di Bertin sulla Semiologia Grafica, in cui viene analizzata la grafica dal punto di vista comunicativo, identificando variabili grafiche e meccanismi di rappresentazione massimizzanti la "resa grafica".
• In questo ambito, invece, il problema è più pratico. Le acute osservazioni di Bertin devono essere rese più operative. Un modo può essere quello adottato da A. Paller, K. Szoka, N. Nelson in [PALL81] e schematizzato nel box 2.
• Ma quali sono le caratteristiche di un pacchetto di Business Graphics? Come sempre le generalizzazioni possono creare dei problemi, data la vastità del mercato. Va detto però che la Business Graphics è sempre più legata al cosiddetto "software integrato".
• Programmi come Lotus 123 o Goldengate della PC Cullinet oltre a fornire delle tabelle elettroniche integrate con dei gestori di archivi e dei word processors dono dotati di facilities grafiche per la rappresentazione dei dati elaborati.
• Più un sistema è sofisticato, più tipi di rappresentazioni fornirà all'utente. Un elenco delle generiche funzionalità potrebbe risultare alquanto tedioso. Nel box 3 viene analizzato un pacchetto di Business graphics tra i più recenti, Gem-Graph, che ben chiarisce le funzionalità facendo intravedere le incredibili potenzialità d'uso. Non sempre, comunque, maggiore capacità rappresentativa implica una maggiore chiarezza nella lettura dei dati. Vi sono per esempio delle bellissime rappresentazioni a tre dimensioni, in cui la lettera non appare molto chiara.

Il GKS e l'interazione

• In GKS i dati inseribili in un programma sono divisi in sei differenti tipi; perciò vengono definite sei corrispondenti periferiche logiche d'ingresso (Logical Input Device) associate a questi tipi di dati:
  1. Locator: inserisce una posizione (X, Y)
  2. Pick: identifica un oggetto visualizzato
  3. Choice: seleziona fra scelte possibili
  4. Valuator: inserisce un valore
  5. String: inserisce una stringa di caratteri
  6. Stroke: inserisce una sequenza di punti (X, Y) 
• Locator e Pick operano sull'ingresso in maniera direttamente dipendente dalle caratteristiche della periferica utilizzata (usualmente la penna ottica è una periferica di tipo "pick") anche se, come tutte le periferiche di tipo logico, sono oggetti virtuali non necessariamente esistenti. In particolare ogni periferica logica può essere "simulata" (prescindendo da considerazioni di efficienza) da una fisica. La ripartizione in classi operata dal GKS facilita notevolmente lo sviluppo di programmi interattivi perché obbliga (scegliendo un particolare dispositivo virtuale) ad esplicitare la modalità con cui si vuole utilizzare il dispositivo.
• Oltre ad una suddivisione del tipo di periferica, il GKS considera anche le modalità con le quali avviene l'interazione:
  1. Request Mode
  2. Sample Mode
  3. Event Mode
• In Request Mode l'interazione avviene in maniera asincrona. Il programma richiede al dispositivo selezionato di fornirgli dei dati e si pone in attesa fin quando non li ha ottenuti. Questa modalità corrisponde alla usuale READ del Fortran o del Pascal, che viene detta "bloccante" perché sospende temporaneamente l'esecuzione del programma.
• La modalità Sample, invece, è molto più flessibile in quanto non interrompe il flusso del programma. In questo caso il programma non fa una esplicita richiesta, ma è la periferica in questione che continua a inviare dei dati. Normalmente questi dati vengono ignorati; quando il programma vuole un input di tipo Sample, si limita a utilizzare i dati appena giunti.
• La modalità Event infine può essere vista come una specie di compromesso fra le due precedenti. Anche in questo caso la periferica invia dei dati al computer senza una specifica richiesta. La differenza sta però nel fatto che questi dati non vengono persi ma vengono messi in una coda (una per ogni tipo di periferica) gestita dal sistema. Perciò quando il sistema richiede un dato in modalità Event, in effetti preleva il dato dalla coda relativa alla periferica in questione. Se però questa coda è vuota, il sistema si interrompe (diventa quindi una operazione asincrona) fintantoché o la periferica invia un dato, oppure trascorre un certo intervallo di tempo. Questa maggiore flessibilità richiede però, da parte del sistema, una pesante gestione delle code.

Alcune regole per una corretta rappresentazione grafica

• La rappresentazione grafica dei dati può essere uno strumento molto potente per scoprire nuove relazioni fra i dati, non emergenti dalle usuali rappresentazioni tabellari. Va però utilizzata con cautela, scegliendo una tecnica che sia congruente con il tipo di dati che si vuole analizzare. Si era già parlato della teoria relativa alla percezione e alla riclassificazione dei dati (art. 1).
• In questo box, invece, si vogliono dare delle semplici regole operative, che siano di ausilio agli utilizzatori della Business Graphics, in modo da limitare i "problemi" dovuti ad un'errata scelta della tecnica di rappresentazione. Queste 20 regole provengono da un testo scritto da A. Paller, K. Szoka e N. Nelson e pubblicato dalla Cds Italia spa.
  1. Utilizzare diagrammi ben disegnati.
  2. Prima di scegliere il tipo di diagramma, determinare cosa si vuole esprimere esattamente e quali relazioni evidenziare.
  3. Disegnare le curve con un tratto più spesso delle griglie.
  4. Quando c'è spazio inserire direttamente la denominazione relativa alla curva
  5. Scrivere orizzontalmente la denominazione degli assi.
  6. Spaziare sufficientemente i valori sugli assi in modo da facilitarne la lettura.
  7. Nel caso di diagrammi multipli utilizzare la stessa scala in modo da facilitare il confronto dei diversi trend riportati.
  8. Indicare lo zero qualora si confrontino livelli totali.
  9. Indicare l'eventuale omissione dello zero.
  10. Utilizzare scale che rendano facile l'interpolazione.
  11. Per comparare dati annuali utilizzare curve di diverso spessore con tratto continuo o tratteggio lungo, riservando le curve con tratteggio corto per le proiezioni.
  12. Nel caso di grafici a torta limitare i segmenti a non più di cinque.
  13. Negli istogrammi orizzontali o verticali, le barre o le colonne devono essere più ampie dello spazio che le divide.
  14. Disporre i colori in modo tale che la tonalità scura precede quella chiara.
  15. Se c'è spazio sufficiente, posizionare commenti  e denominazioni nelle aree colorate.
  16. Disporre i dati in modo tale che gli andamenti irregolari non distorcano i trend posizionali nella parte superiore del grafico.
  17. Evitare di utilizzare scale logaritmiche a meno che l'utente finale non abbia familiarità con esse.
  18. Ordinare i colori nella legenda secondo una regola logica.
  19. Le griglie non devono attraversare gli istogrammi.
  20. Utilizzare un solo tipo di carattere per lo stesso grafico; cercare di usufruire dello stesso tipo di stile per i grafici di una presentazione. E' preferibile utilizzare caratteri semplici e facilmente leggibili.

Gem-Graphs: un pacchetto avanzato per la Business Graphics

• Gem-Graphs è un programma di Business Graphics funzionante sotto il sistema operativo Gem (Graphics EnvironMent) della Digital Research. Fornendo Gem una interfaccia iconica possiamo considerare questo programma come l'unione dei due aspetti in cui la grafica viene coinvolta nell'automazione d'ufficio: interfaccia uomo-macchina e Business Graphics.
• L'utilizzo di questo programma è veramente semplice ed offre delle potenzialità inaspettate. Nella figura 5 si vede una tipica videata di Gem-Graphs, in cui si può notare un grafico tridimensionale appena sviluppato e il menu dei tipi di grafici. Sono infatti a disposizione dell'utente ben 6 tipi di rappresentazione:
  1. grafico normale (con rette e simboli per evidenziare sia i punti che i trends);
  2. istogrammi in vari formati (bi- o tri-dimensionali, clustered o stacked, verticali o  orizzontali);
  3. torte;
  4. aree;
  5. con simboli; è possibile utilizzare dei simboli, costruibili dall'utente, per sfruttare l'associazione visiva tra simbolo ed oggetto rappresentato;
  6. con le cartine; Gem-Graphs fornisce due cartine (quella americana e quella europea), a cui è possibile associare per ogni stato un valore che verrà poi evidenziato utilizzando colori uguali per valori uguali.
• L'estrema flessibilità di questo strumento sta nel fatto che una volta introdotti i dati (e ciò viene fatto molto semplicemente, mediante una maschera che simula una matrice e che permette di  modificare, aggiungere, copiare o cancellare molto velocemente), la scelta del tipo di rappresentazione viene fatta interattivamente. E' possibile cioè scegliere il diagramma a torta, visualizzarlo e se non soddisfa, provare con un altro tipo di rappresentazione. I tempi di visualizzazione per un normale set di dati sono inferiori al minuto. Una volta scelta la rappresentazione, è possibile modificare comunque alcune parti del disegno, per esempio cambiando alcuni colori o aggiungendo commenti. Per i più esigenti è anche possibile manipolare il grafico generato, utilizzando un programma per la manipolazione dei disegni (Gem-Draw) che permette, per esempio, di aggiungere vere e proprie immagini.

6 - STRUMENTI GRAFICI PER L'AUTOMAZIONE D'UFFICIO (set 1986)

Introduzione

• Con questo articolo si conclude la breve rassegna sulla Computer Graphics. I criteri guida non sono stati certo la completezza e la esaustività della materia, ma piuttosto i suoi fondamenti, le principali metodologie utilizzate e i suoi rapporti con l'automazione d'ufficio. Proprio a questo proposito l'articolo precedente aveva messo in luce i due principali aspetti della grafica al calcolatore che meglio si adattano ad essere utilizzati per sviluppare strumenti per l'automazione d'ufficio. Quel discorso viene ora ripreso ed esteso in modo da comprendere altri due aspetti, meno diffusi ma più innovativi, in cui l'office automation nella sua accezione più ampia, beneficia degli strumenti prodotti dalla computer graphics: la trasportabilità delle applicazioni su sistemi diversi (per sistema si intende una particolare configurazione hardware/software) e l'utilizzo di tecniche di grafica per eseguire operazioni tipicamente non-grafiche come la ricerca di dati all'interno di un database oppure la lettura automatica dei testi.

Gli standard grafici

• L'automazione di ufficio, caratterizzandosi sempre più come una soluzione sistemistica che permette di collegare ambienti diversi permettendo per esempio lo scambio di informazioni, è sempre più sensibile alle problematiche dell'integrazione dei sistemi (visti come risorse hardware/software che svolgano determinati compiti).
• La tecnologia delle reti locali è un classico esempio in cui vengono fornite delle infrastrutture che permettono la comunicazione fra "realtà" sistemiche molto diverse (per esempio computer prodotti da case differenti oppure computer di differenti dimensioni oppure ancora computer simili ma collocati in posti diversi). Nel caso della grafica questo problema è amplificato in quanto la disomogeneità può essere presente anche all'interno dello stesso sistema.
• Per esempio un calcolatore può avere il video grafico di una marca e il plotter di un'altra. Per questo motivo le attività di standardizzazione degli organismi nazionali ed internazionali (ANSI, DIN, ISO ...) stanno assumendo un ruolo sempre più strategico nel proporre strumenti per la realizzazione di soluzioni informatiche. Nel caso delle reti locali, per esempio, esiste una proposta di standardizzazione dell'ISO (International Standard Organization) detta OSI (Open System Interconnection) che definisce in che modo un sistema deve presentarsi all'esterno per poter colloquiare con altri sistemi OSI-compatibili senza porre vincoli sull'organizzazione interna del sistema stesso. Per realizzare ciò OSI propone un'architettura a strati (sono sette) in cui lo strato più basso è responsabile della comunicazione fisica fra due calcolatori a livello di impulso elettrico (Phisical layer), mentre quello più alto (Application layer) gestisce il trasferimento di informazioni strutturate (documenti) fra i due calcolatori. Il modello di riferimento, quindi, implica la definizione delle interfacce logiche tra strati adiacenti e la definizione dei protocolli di colloquio tra processi di pari livello operanti su apparecchiature eventualmente diverse.
• La computer graphics, invece, non ha avuto un approccio così unitario al problema degli standard. Tralasciando la sua storia travagliata possiamo dire che gli standard emersi variano a seconda dei campi di applicazione o delle risorse utilizzate. La grafica tradizionale (primitive grafiche, trasformazioni geometriche) ha visto l'0affermazione di due proposte di standard: il CORE proposto dall'ANSI (American National Standard Organization) e oramai sulla via del tramonto, e il GKS proposto dall'organismo tedesco che regola gli standard industriali (Deutsche Industrie für Normung) e accettato recentemente come standard internazionale dall'organismo internazionale per l'approvazione degli standard (ISO).
• Entrambi questi linguaggi basano la loro indipendenza dal sistema utilizzato mediante il concetto di coordinate normalizzate (NDC). Questo sistema di coordinate viene inserito tra i due usuali sistemi di coordinate:
  • WC: World Coordinates e cioè coordinate del modello
  • DC: Device Coordinates e cioè coordinate della periferica
• Viene cioè supposta l'esistenza di una periferica virtuale che presenta una risoluzione di [0x1, 0x1] espressa in  numeri reali (da qui il termine normalizzato). In questo modo il linguaggio non eseguirà i suoi comandi sulle periferiche reali, ma solo su questa virtuale. Vi saranno poi programmi appositi, chiamati drivers (uno per ciascun tipo di periferica), che si preoccuperanno di tradurre i comandi espressi in NDC, in comandi comprensibili dal tipo di periferica utilizzata. Questo approccio permette di sviluppare applicazioni grafiche senza dover conoscere le caratteristiche hardware della periferica.
• Data però la grande dimensione (in termini di codice) di questi due linguaggi e la sempre maggiore diffusione dei personal computer, è in fase di accettazione un nuovo standard, detto PMIG (Programmer's Minimal Interface to Graphics) adattato alle limitate risorse (anche se in fase di veloce espansione) dei personal computer ma che mantenga però il concetto di periferica virtuale.
• Esiste anche un nuovo standard, detto PHIGS (Programmer's Hierarchical Interactive Graphics System) e pensato come estensione del GKS, il cui scopo è fornire delle strutture grafiche avanzate come per esempio strutture dati grafiche gerarchiche e le relative funzioni per gestirne l'animazione. Può quindi essere pensato come una specifica funzionale sul controllo e lo scambio di dati tra un programma applicativo e il suo sistema di supporto grafico (per es. GKS) che fornisce una serie di funzioni grafiche avanzate come maggiore interazione e più stretta connessione tra programma applicativo e software grafico; elevata interattività; strutturazione gerarchica dei dati; possibili modifiche in tempo reale dei dati grafici; supporto per articolazioni geometriche; adattabilità all'utilizzo in ambienti distribuiti; gestione di dati a due o tre dimensioni.
• E' disponibile anche uno standard, detto NAPLPS (North American Presentation Level Protocol Syntax) e proposto nella sua forma originale dalla AT&T, che standardizza il trasferimento di immagini e testi, prescindendo dal mezzo trasmissivo, che può essere rete telefonica, radio FM, rete televisiva o altro.
• Tralasciando i dettagli, si può riassumere l'approccio dei linguiaggi grafici standard dicendo che il problema del trasporto del software in ambienti disomogenei viene risolto introducendo il concetto di risorsa virtuale. I programmi non vengono più scritti per un particolare computer (o per una particolare periferica) ma per un computer astratto. Vi saranno poi dei moduli software, detti drivers, che avranno il compito di tradurre i comandi inviati alla risorsa virtuale in comandi comprensibili da un particolare computer o periferica. Vi sarà quindi un driver per ogni tipo di risorsa. In questo modo le applicazioni vengono sviluppate senza far  riferimento ad una particolare situazione sistemica. Una volta sviluppata l'applicazione, se si vorrà adattarla per una nuova risorsa, non si dovrà fare altro che scrivere (se non esiste già) il driver che l'associa alla risorsa virtuale.
• Questa metodologia non si limita alla computer graphics tradizionale. Anche sistemi per il text processing come TROFF o TEX utilizzati per gestire l'output dei documenti e far coesistere insieme al corpo del documento informazioni tipicamente non testuali come formule matematiche o tabelle, utilizzano questo approccio generando un documento intermedio, indipendente dalla stampante sulla quale verrà poi generato il documento finale.

• 1974    Viene formato in ambito ACM il Siggraph GSPC (Graphics Standards Planning Committee)
• 1976    Viene organizzato a Seillac, in Francia, dall'IFIP (International Federation of Image Processing) un Workshop internazionale sulla metodologia in Computer Graphics e si crea un gruppo di lavoro (IFIP WG5.2.).
• 1977    Vengono pubblicate le specifiche CORE GSPC e GKS.
• 1979    Il GKS 5: viene accettato come "ISO Working Draft" e contemporaneamente viene pubblicata la versione definitiva del CORE, concludendosi così l'attività del Siggraph GSPC che si scioglie; inizia il lavoro su VDI e VDM.
• 1981    AT&T annuncia NAPLPS (North American Presentation Level Protocol Syntax).
• 1982    GKS 6.8 viene registrato come proposta standard ISO; VDI; VDM e NAPLPS ricevono supporto dalle industrie.
• 1983    GKS viene accettato dall'ISO come standard ufficiale.

La grafica e il problema dei testi

• Altro aspetto di fondamentale importanza in cui la grafica ha dato notevoli contributi è la gestione dei testi. Due sono soprattutto gli aspetti in cui la metodologia grafica è stata maggiormente applicata:
  • Coesione di testo e informazioni non testuali
  • Lettura automatica del testo
• Sul primo argomento ci sarebbe molto da dire, ma lo spazio è ristretto. Basti dire che sono stati sviluppati molti sistemi, ciascuno con caratteristiche peculiari, che permettono l'affiancamento all'usuale informazione testuale di oggetti grafici. La loro differenza sta generalmente nel tipo di oggetti grafici affiancabili. Essi possono essere per esempio tabelle di dati, formule tecniche (logiche, matematiche o chimiche), note musicali, grafici e altre ancora. Un linguaggio oramai affermato nella comunità scientifica che permette alcune delle caratteristiche sopracitate è senz'altro TEX, di cui si è appena parlato e sul quale vi è un box che ne descrive i principi architetturali.
• I linguaggi di tipo iconico (Smalltalk, GEM), invece, permettono di affiancare al testo vere e proprie immagini. Questo può essere fatto in quanto i computer su cui vengono utilizzati sono tutti dotati di schermi grafici. In questo modo il testo viene convertito in BitMap (quindi considerato alla stessa stregua di un disegno) e perciò l'inserimento di un disegno (o parte di esso) nel testo risulta piuttosto semplice.
• Per fare ciò il sistema dovrà fornire degli apposito comandi chiamati generalmente taglia e incolla (Cut and Paste). Questi sistemi permettono dunque una grandissima flessibilità, ma hanno lo svantaggio di generare dei documenti strettamente dipendenti dall'hardware utilizzato.
• Anche il problema della lettura automatica dei testi raccoglie un'ampia bibliografia. Le sue applicazioni sono molteplici (anche se veri e propri prodotti industriali non si vedono ancora) e vanno dall'introduzione dei documenti nei word processor senza la necessità di battitura (ma utilizzando una telecamera) all'estrazione automatica dagli abstract di parole chiave per la loro classificazione, alla verifica automatica delle firme per controllare gli assegni. Per la verità la seconda delle applicazioni appena citate presenta un livello di complessità molto maggiore delle altre in quanto oltre a dover riconoscere degli oggetti (le lettere dell'alfabeto), le deve anche interpretare semanticamente e scegliere di conseguenza quali reputare valide e quali no. ciò richiede necessariamente il ricorso a tecniche di intelligenza artificiale per risolvere il problema con una certa generalità e quindi rende l'oggetto ancora "futuribile". In effetti esistono dei sistemi che estraggono automaticamente parole significative da articoli per creare le parole chiavi e non usano tecniche di intelligenza artificiale ma tecniche statistiche (per esempi ola "frequenza di taglio"), ma non sono ancora sufficientemente robusti per non richiedere successivamente una verifica umana.

Interfaccia grafica ai Query Languages

• Già nel 1945, molto prima dell'avvento dei moderni calcolatori, V. Bush descrisse una macchina immaginaria, Memex, basata su principi di funzionamento meccanico e in grado di memorizzare, manipolare e recuperare una quantità quasi infinita di dati. Nel suo articolo Bush sottolineò anche che la mente umana opera per associazioni che seguono cammini precostituiti e che si concentra istantaneamente su oggetti diversi non appena ciò viene suggerito dalle associazioni.
• A quarant'anni di distanza, alcune delle visioni di Bush si sono materializzate. Per esempio la memorizzazione di grosse quantità di dati è un problema ormai risolto tecnologicamente. però la maggior parte dei sistemi interattivi sono ancora incapaci di fornire una flessibilità sufficiente per supportare effettivamente le modalità associative di ragionamento degli utilizzatori umani. Questo perché gli utenti sono tuttora costretti a fare uso dei linguaggi di comandi; devono cioè introdurre da tastiera lunghe e complicate sequenze di caratteri e sono spesso costretti a decifrare stringhe lineari di caratteri in situazioni in cui un output grafico sarebbe senz'altro stato più efficace. Per ovviare a ciò Frei e Jauslin hanno proposto un'interfaccia uomo-macchina per l'information retrieval (chiamata Caliban) che supporta le modalità associative del pensiero umano suggerendo associazioni di concetti mediante la visualizzazione e l'"apertura" di cammini relativi al processo di interrogazione. Entrambe le informazioni e i comandi sono strutturati a forma di albero. Questi alberi vengono visualizzati su di un video grafico su finestre separate e possono essere esplorati mediante comandi di movimento. I due principali servizi offerti dal sistema permettono sia il browsing (vedere contemporaneamente più oggetti) attraverso le strutture informative e i singoli oggetti, che la formulazione e l'esecuzione delle richieste.
• Frei e Jauslin hanno utilizzato la potenza espressiva della grafica per evidenziare i cammini di ricerca e favorire le analogie e le associazioni tipiche dell'operare umano.
• Mediante la visualizzazione contemporanea di differenti cammini di ricerca (raffigurando alberi di ricerca in differenti finestre) si fornisce all'utente la possibilità di saltare da un cammino di ricerca ad un altro, in una maniera molto simile a quella che eseguiamo mentalmente, migliorando sensibilmente l'efficacia della ricerca. In questo caso la grafica è stata utilizzata per rappresentare (mediante una certa similarità di strutture) l'associazione di due concetti o schemi di ricerca. Affinché ciò possa essere realizzato in maniera efficace, il sistema deve fornire un modo rapido per compiere graficamente queste associazioni. Perciò i due autori hanno utilizzato un personal computer (Lilith) con una potente interfaccia iconica (video ad alta risoluzione, mouse, ecc) che non richiede quindi alcuna mediazione linguistica fra i desideri dell'utilizzatore e il modo per farli eseguire dal calcolatore.

Conclusioni

• Con questa breve serie di articoli mi sono posto l'ambizioso compito di analizzare i multiformi aspetti di una disciplina nascente, la computer graphics e i suoi rapporti con un'altra disciplina emergente: l'automazione d'ufficio. naturalmente questa analisi rappresenta solo l'istantanea di una realtà così incredibilmente mutevole da sembrare talvolta addirittura contraddittoria. Questo non per giustificare gli omissis, ma per meglio inquadrare questo mio semplice contributo al difficile compito di stare al passo (almeno come utenti) con la tecnologia.
• In particolare l'automazione d'ufficio sta assumendo un'importanza sempre crescente e un ruolo sempre più pervasivo nella realtà aziendale; e non solo automazione d'ufficio, ma anche automazione di fabbrica. E in questo contesto la computer graphics sta emergendo sempre più prepotentemente come strumento elettivo. E questo perché la percezione e i fenomeni visivi giocano un ruolo strategico nella nostra conoscenza del mondo. la capacità di cogliere relazioni tra i dati, la velocità di apprendimento, la concisione espressiva sono solo alcune delle caratteristiche che fanno sempre più spesso preferire mezzi visivi a mezzi linguistici. Per questo motivo la grafica al computer, che si occupa di gestire tecnologicamente tutto ciò che è coinvolto nel processo visivo, ha prospettive inesauribili.
• Si pensi per esempio all'utilizzo della grafica nella gestione dei progetti (per esempi un PERT risulta assai più utile con l'ausilio di strumenti grafici) oppure come supporto ai sistemi esperti per costruire e/o analizzare reti di conoscenza in cui sono rappresentati i dati e i loro rapporti con altri dati o classi di proprietà.
• Nella realtà aziendale esistono altre attività (oltre a quelle che abbiamo citato nel corso della rassegna) basate su un approccio di tipo visivo. Si può citare tutto il problema dell'immagine, che va dalla scelta di un efficace logo aziendale (vedi il recente caso della rinnovata Fiera di Milano) fino alla più sofisticata pubblicità che utilizza un certo tipo di immagine/presentazione per un determinato target.
• Ma le applicazioni della grafica vanno oltre e si spingono in zone della realtà aziendale spesso dimenticate. Per esempio in alcune aziende le direzioni del personale fanno un uso continuativo del Test di Rorschach per la valutazione psicoattitudinale del personale. Questo test, come tutti i test proiettivi, tende a stimolare i processi di proiezione dei soggetti esaminati mediante la presentazione di stimoli ambigui o scarsamente strutturati che essi sono invitati a interpretare.
• Tralasciando i presupposti metodologici, va notato che il test è costituito da dici tavole, ciascuna composta da dieci macchie di inchiostro bilateralmente simmetriche, che il soggetto è invitato a interpretare. Una volta ancora l'approccio  visivo viene preferito a quello testuale e non per problemi trascurabili, ma per valutare o meno la candidabilità di una persona all'assunzione.

Il sistema TEX

• TEX (trade mark della American Mathematical Society) è un sistema di composizione dei testi sviluppato da Knuth presso l'università di Stanford ed è oramai considerato uno standard per la manipolazione/stampa dei testi tecnico scientifici. Fornisce una serie di comandi che, introdotti all'interno di un documento, permettono sia di variarne l'aspetto (linee per pagina, a-capo, tipo di carattere, tipo di giustificazione) che di introdurre informazioni non testuali (tabelle, formule tecnico-scientifiche, note musicali, semplici disegni, ecc.).
• La sua caratteristica principale è l'indipendenza dati dalla periferica di output, ottenuta producendo il documento da stampare sotto forma di file ASCII DVI (DeVice Independent) e perciò facilmente trasportabile. Questo file DVI contiene i codici riguardanti le dimensioni, l'inizio e la fine di una pagina, le coordinate di posizione dei caratteri sulla stessa, i codici delle fonti e degli elementi ad esse inerenti, le istruzioni di separazione ed il valore delle distanze tra parole e righe, oltre naturalmente al testo vero e proprio. Quindi un file DVI è sostanzialmente un file testo, in cui i normali caratteri alfabetici corrispondono al testo, mentre alcuni caratteri speciali sono direttive a TEX. Per esempio:
  • &    identifica l'inizio di un comando TEX
  • {    delimitatore di inizio di un gruppo
  • }    delimitatore di fine di un gruppo
  • $    delimitatore di inizio e fine di una formula
  • %   delimitatore di inizio di un commento
  • #    identificatore di parametro in una macrodefinizione
  • ^    soprascritto
• Per esempio il comando &par termina un paragrafo, il comando &eject richiede un saltopagina mentre &sqrt disegna il simbolo di radice quadrata.
• Per stampare il documento su  una certa periferica occorrerà un opportuno driver che interpreti i codici del DVI e costruisca l'immagine delle pagine da stampare per punti, prendendo la rappresentazione dei caratteri e dei componenti delle formule dalle mappe di bit (dette tabelle VNT) generate da un linguaggio apposito, Metafont.
• Metafont è un sistema software indipendente (anche se legato a TEX nella produzione finale del documento) che permette di generare caratteri (cioè le fonti) da computer. Il carattere generato è costituito da una mappa di bit che riproduce esattamente il carattere disegnato. tale mappa tiene conto del dispositivo di uscita impiegato, sia esso una stampante (elettronica o laser) oppure un video.
• Per fare ciò, Metafont genera diverse mappe (una per ogni tipo di dispositivo di output) per lo stesso carattere, e l'utente può scegliere quella desiderata in funzione della stampante o video di uscita. Per garantire questa indipendenza dalla periferica e per fornire un'elevata flessibilità nella definizione dei caratteri, Metafont definisce un carattere mediante un programma scritto utilizzando dei parametri variabili.
• Questi programmi sono espressi in un linguaggio dichiarativo algebrico, sviluppato essenzialmente per la soluzione di problemi grafici, che permette all'utente di definire la posizione dei punti principali che compongono la figura e che verranno interpolati con opportune funzione (gli splines) generando il carattere. In questo modo la forma del carattere può essere ottenuta in maniera molto precisa; infatti l'utente può apportare tutte le modifiche che ritiene necessarie, spostando od aumentando il numero dei punti che definiscono il carattere.

I riconoscitori di caratteri

• I riconoscitori di caratteri (on-line character recognizers) sono stati al centro di considerevoli attività di ricerca fin dalla realizzazione, ad opera di Teitelman nal 1964, del primo riconoscitore che "apprende". Queste ricerche hanno determinato lo sviluppo di  un gran numero di tecniche per il riconoscimento, alcune delle quali piuttosto ingegnose.
• fra queste, particolarmente interessante, anche per il grado di diffusione raggiunto, è quella ideata da Ledeen, che differisce dal modello iniziale di Teitelman per la semplicità e il risparmio sull'utilizzo delle risorse necessarie.
• La sua struttura (come nella maggior parte dei riconoscitori) è composta da quattro componenti:
  1. Una procedura di "Tablet-polling" che legge continuamente la posizione dello stilo della tavoletta grafica (può essere benissimo anche una penna ottica) a intervalli regolari, applica se necessario degli smussamenti e costruisce una lista di coppie di coordinate rappresentante ciascuna linea del carattere.
  2. Una procedura di "Estrazione-delle-caratteristiche" che estrae da ciascuna linea un piccolo numero di proprietà di base, dette "features", che costituiranno la base dell'algoritmo di riconoscimento.
  3. Una procedura di "Ricerca-nel-dizionario", che ricerca nel dizionario di caratteri un gruppo di "features" che corrispondano a quelle delle linee appena introdotte con la tavoletta grafica.
  4. Una procedura di "apprendimento" utilizzata per costruire il dizionario.
• La procedura di "Tablet-polling" ha il compito di introdurre i caratteri (e cioè le linee che lo costituiscono, chiamate "Strokes") nel computer. La difficoltà sta nel decidere quando è terminata l'introduzione di un carattere. Generalmente viene utilizzato un Timer per individuare pause per il tracciamento delle "strokes". Quando questa pausa eccede il mezzo secondo, il carattere viene generalmente considerato completo.
• Le principali differenze tra i riconoscitori stanno invece nella scelta delle "features", cioè delle caratteristiche, da estrarre dal carattere appena introdotto. Per avere buone performances, queste "features" devono essere facili da estrarre e compatte quando verranno memorizzate nel dizionario. devono inoltre permettere alla procedura di ricerca sul dizionario di discriminare facilmente tra caratteri differenti senza discriminare tra differenti esempi dello stesso carattere. Le caratteristiche estratte dai principali metodi sono per esempio le regioni in cui il carattere passa, la curvatura, i cambi di direzione, i punti di flesso e la velocità di tracciamento. C'è anche un metodo proposto da Berson che estrae delle caratteristiche che corrispondono efficacemente ai movimenti muscolari nel tracciamento del carattere.
• Una volta estratte le "features" verranno opportunamente codificate e poi introdotte nel dizionario.
• Scopo quindi della procedura di ricerca è di confrontare le caratteristiche estratte dal carattere appena letto con quelle presenti nel dizionario. Non appena verrà individuato nel dizionario un gruppo di caratteristiche simili, il carattere verrà riconosciuto, altrimenti il sistema riporta un fallimento.
• Poiché questi raffronti non sono mai esatti, ma si utilizzano delle funzioni peso per stabilire l'attendibilità, il sistema può essere reso più esperto utilizzando la procedura di "apprendimento". Si procede cioè in questo modo: dapprima si crea il dizionario introducendo dei caratteri, estraendone le "features" e collocandoli nel dizionario con il nome del carattere. Una volta che il dizionario è completo, si prova, con la procedura di apprendimento, a far riconoscere un carattere. se il carattere viene riconosciuto, si aumenta il peso di quel gruppo di caratteristiche che, all'interno del dizionario, ha permesso il riconoscimento. Altrimenti si può aggiungere al dizionario l'insieme di caratteristiche appena estratte associandogli il nome del carattere e un peso iniziale.

Dalla bozza alla stampa finale

• Con un Macintosh (meglio se il modello Plus da 1 MB di memoria) collegato tramite rete Apple-Talk alla stampante LaserWriter e dotato di software specifico per testi, grafica e disegno si possono realizzare documenti vari, dalla semplice relazione sino al catalogo, ottenendo sia la bozza iniziale che lo stampato finale.
• Un ruolo determinante di questo sistema - denominato AppleEdit - viene svolto dalla stampante, che è dotata del linguaggio di programmazione PostScript e dispone di 11 tipi di caratteri base diversi producibili con una grafica di risoluzione pari a 300 punti per pollice. Le prestazioni del sistema sono soprattutto apprezzate dai creativi delle agenzia pubblicitarie e dai reparti di composizione ed impaginazione delle tipografie, dai progettisti delle società di engineering e dagli uffici di formazione-addestramento.
• AppleEdit viene ritenuto interessante per realizzare velocemente e senza grandi difficoltà operative vari moduli e stampati all'interno delle aziende (electronic publishing) con una qualità analoga a quella garantita dalle tipografie esterne. Va infine sottolineato che con questo sistema si può disporre di ben 35 fonti o combinazioni diverse (corsivo o neretto, ad es.) tra quelle garantite dal Macintosh e quelle della LaserWriter.