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Jun 08, 2023

Fuentes Hershey: no el chocolate, el origen de las letras vectoriales

En los últimos años, me encontré constantemente con algo llamado fuentes Hershey. Después de investigar, encontré un informe gubernamental de 1967 elaborado por un colega llamado Dr. Allen Vincent Hershey. En la década de 1960, él

En los últimos años, me encontré constantemente con algo llamado fuentes Hershey. Después de investigar, encontré un informe gubernamental de 1967 elaborado por un colega llamado Dr. Allen Vincent Hershey. En la década de 1960, trabajó como físico para el Laboratorio de Armas Navales en Dahlgren, Virginia, estudiando la interacción entre los cascos de los barcos y el agua. Su investigación contó con la ayuda de la Calculadora de investigación de artillería naval (NORC), que fue construida por IBM y era una de las computadoras más rápidas del mundo cuando se instaló por primera vez en 1954.

Las instalaciones de E/S del NORC, como tarjetas perforadas, cintas magnéticas e impresoras de líneas, eran típicas de la época. Pero el NORC también tenía una impresora óptica de ultra alta velocidad. Este dispositivo había sido desarrollado originalmente por la empresa de telecomunicaciones Stromberg-Carlson para la Administración de la Seguridad Social con el fin de imprimir rápidamente cantidades masivas de datos directamente en microfilm.

¿Quizás haya oído historias de programadores que esperaban con impaciencia las impresiones de los operadores de mainframe? Bueno, habrías esperado aún más por tus gráficos ópticos. Como usaban películas, requerían procesamiento químico para convertirse en fotografías, diapositivas o microfilmes. Pero a pesar de este tiempo de espera, la velocidad de impresión fue mucho más rápida que la de las impresoras de línea de la época: 7000 líneas por minuto frente a 150. Si bien esta velocidad de impresión fue ciertamente impresionante, la capacidad de trazar gráficos y figuras completos en solo fracciones de segundo no lo fue. Sin duda, muy apreciado por los científicos de Dahlgren.

¿Qué hizo que este dispositivo fuera tan rápido? Fue el Charactron Tube que cubrimos en 2017. Este CRT especial tiene una pantalla metálica interna en la que está grabada una fuente. El haz de electrones proyecta una letra entera sobre la cara de fósforo del tubo en un “destello”, que a su vez expone la película fotográfica. No fue necesario escanear tramas ni dibujar vectores, por lo que el proceso fue rápido. Pero pronto el sistema se utilizaría de formas que los diseñadores originales no habían imaginado.

En aquellos días, antes de los procesadores de texto Roff, LaTex y WYSIWYG, preparar informes técnicos llenos de complicadas ecuaciones matemáticas y diagramas de datos consumía bastante tiempo. El texto en sí se prepararía utilizando una máquina de escribir común y corriente. Pero se necesitaban máquinas de escribir especiales como la Varityper para componer ecuaciones matemáticas. Las tramas y figuras generalmente se dibujan a mano o con un lápiz trazador. Hershey se dio cuenta de que la impresora óptica de NORC podría asumir una nueva función y utilizarse como máquina tipográfica. El Dr. Hershey no sólo vio esta posibilidad, sino que tenía un gran interés en la caligrafía y no le importaba pasar las tardes desarrollando esta nueva capacidad.

La clave para que esto sucediera fue definir un nuevo modo de salida que pasara por alto las fuentes internas de esténcil. Más bien, la película se expondría utilizando la plantilla del punto (punto) como “punto” y moviendo el punto bajo el control del programa. Cuando se aplica al texto, esto es, por supuesto, más lento que usar la plantilla, pero permite una selección arbitraria de fuentes o repertorios, como los llamó el Dr. Hershey. Además, abre la posibilidad de trazar datos directamente en la película, evitando el trazador de lápiz más lento y las técnicas de dibujo a mano aún más lentas de la actualidad.

El Dr. Hershey se enteró de que los ingenieros de los Laboratorios Bell en Murray Hill, Nueva Jersey, habían desarrollado una fuente para su impresora óptica utilizando una técnica similar, acercándola desde el punto de vista de la rasterización. El Dr. Hershey se dio cuenta de que podía ampliar esto para abarcar glifos más exóticos y artísticos. Se centró en el uso de vectores para diseñar sus fuentes y se embarcó en el largo viaje de investigar y construir su colección de fuentes basadas en vectores.

En retrospectiva, no sólo construyó un conjunto de herramientas para resolver las necesidades de la comunidad de Dahlgren, sino que también llevó los límites del trazador óptico al extremo. En sus informes demostró fuentes no sólo en inglés, sino también en otros idiomas como griego, ruso y japonés. Además de símbolos matemáticos, mostró cómo el trazador podía dibujar diagramas de circuitos electrónicos, mapas estelares de galaxias, mapas en general, enlaces químicos, etc. Un ejemplo de su minuciosidad se encuentra en su informe de 1967 “Caligrafía para computadoras”. Aunque Hershey solo implementó un subconjunto de caracteres japoneses como demostración, buscó entre más de 5000 glifos que pudieran exceder las limitaciones de su método. Sólo pudo encontrar un caso así, que razonablemente decidió ignorar:

Con cierta omisión de detalles en espacios reducidos y cierto desbordamiento en casos complicados, se cree que este tamaño [una altura de 21 unidades de trama] es adecuado para todos los caracteres del diccionario de Nelson excepto el número 5444. Dado que este carácter representa dragones en movimiento, es de dudosa utilidad.

En total, el Dr. Hershey generó alrededor de 1.400 glifos occidentales y 800 japoneses, todos dibujados minuciosamente a mano en papel cuadriculado. Había cinco tamaños de fuente óptica diferentes y tres tipos de trazos diferentes, sin mencionar todo tipo de símbolos utilizados en cartografía, ciencia, matemáticas, etc.

Hershey estaba tratando de generar fuentes agradables para informes impresos utilizando la tecnología líder del momento. Con diferencia, el mayor número de glifos eran complejos, es decir, estaban construidos con múltiples líneas o trazos para dar un ancho de trazo mayor y variable. Estos trazos a menudo se representan hoy en día como líneas finas cuando se buscan sus fuentes en línea, pero cuando se dibujan correctamente, teniendo en cuenta el tamaño del haz del SC4020, el resultado serán letras sólidas. Hoy en día tenemos una gran cantidad de fuentes a nuestra disposición, entonces, ¿por qué se siguen utilizando las fuentes Hershey? Podría sentirse tentado a decirlo porque son de dominio público. Pero probablemente la razón más importante es la familia de fuentes de un solo trazo, que siguen siendo bastante útiles en muchas aplicaciones diferentes. A continuación se muestran algunos ejemplos que he encontrado a lo largo de los años.

Hoy en día, si desea dibujar texto en OpenSCAD, existe soporte integrado. Pero cuando aprendí OpenSCAD por primera vez a principios de 2015, esto no estaba disponible. Un proyecto en el que estaba trabajando necesitaba texto, así que decidí hacer el mío propio. Mientras me adentraba en la madriguera de las letras simples que podía implementar usando las primitivas gráficas de OpenSCAD, descubrí que se trata de una técnica con una larga historia.

Fue durante esta investigación cuando me topé por primera vez con las fuentes Hershey. Desde entonces supe que estos estilos de letras clásicas fueron una fuente de inspiración para el Dr. Hershey, incluidos los juegos de letras de Leroy utilizados por los dibujantes y algunos rotuladores de cómics.

En ese momento, descarté las fuentes Hershey porque solo usaban líneas y parecía que las curvas reales se verían mejor. Creé mi propia fuente vectorial basada en estos estilos de letras de dibujo simples que usaban solo líneas y arcos circulares, cosas que sabía hacer con OpenSCAD. Mirando hacia atrás ahora, veo que el texto se integró en OpenSCAD en marzo de ese año. Si hubiera esperado tres meses, me habría ahorrado tiempo y molestias.

Cuando era un joven ingeniero, algunos de los proyectos de mi empresa requerían marcas duraderas en el panel frontal. Los hicimos grabando las letras y los símbolos en el panel utilizando una máquina CNC. Una forma bien probada era grabar un panel y luego rellenar las ranuras con pintura epoxi. Hoy en día incluso podemos evitar por completo la molestia del grabado a máquina. El grabado láser directo de bajo coste proporciona una técnica más limpia y, a menudo, más asequible. Ambos métodos funcionan moviendo el cabezal, una herramienta de fresado o un rayo láser, a lo largo de trayectorias definidas por pares XY. Esto es perfecto para fuentes vectoriales. Se pueden hacer más o menos audaces cambiando el diámetro de la herramienta de fresado o el tamaño del rayo láser, y se pueden escalar o rotar fácilmente según sea necesario usando trigonometría básica. Intentar hacer esto con una fuente de mapa de bits sería, en el mejor de los casos, incómodo.

Todos hemos puesto texto en la serigrafía y en las capas de cobre de nuestra PCB, pero quizás no nos detuvimos a pensar en los detalles. Cuando genera archivos para fabricación, las trazas y características de su placa, que naturalmente son vectores, se expresan en el conocido formato Gerber (RS-274X). Las letras se expresan de la misma forma.

Los primeros fototrazadores utilizados para crear ilustraciones de películas de PCB fueron fabricados por la empresa Gerber Scentific en la década de 1960. Este dispositivo surgió de una familia de grandes mesas XY controladas por computadora. Originalmente se usaban para tareas como cortar patrones de tela y hacer lentes para anteojos recetados. El funcionamiento básico del Gerber Photoplotter no era diferente al de un lápiz-plotter o a una máquina de grabado CNC, excepto que un haz de luz brillaba a través de una apertura seleccionable para exponer la película fotográfica. Una rueda que contenía diferentes tamaños de apertura le permitía cambiar el ancho de la línea y también se utilizaba para "hacer parpadear" los pads. Era natural que se utilizaran comandos vectoriales para controlar el fototrazador. En lugar de reinventar la rueda, Gerber definió un subconjunto del estándar de interfaz digital CNC RS-274D que existía desde la década de 1950. Con algunas extensiones y revisiones, este sigue siendo el formato que utilizamos hoy para transmitir nuestro diseño de PCB al taller de fabricación.

Como en muchos campos, la tecnología avanza. Los talleres de fabricación de PCB ya no utilizan fototrazadores estilo Gerber. Hoy en día, la mayoría de las veces, el fabricante convierte sus archivos Gerber para que la obra de arte se transfiera a una película utilizando una impresora rasterizada de alta resolución y alta velocidad. En algunos casos, la obra de arte se proyecta directamente sobre la PCB, evitando por completo la película y el paso de transferencia intermedio.

Dicho esto, no creo que alguna vez enviemos ilustraciones de PCB rasterizadas a los fabricantes. Las características de la PCB que enviamos al taller, pistas y pads, son inherentemente de naturaleza vectorial. Y para obtener resultados adecuados, el fabricante debe identificar estas características para poder modificarlas de acuerdo con su propio proceso de fabricación exclusivo. Ese es el significado de notas de fabricación como “Las dimensiones de línea, pad y vía se especifican como tamaño final” y “Las trazas de impedancia controlada xxxx deben ser de 75 ohmios”. Incluso es posible que sea necesario ajustar el ancho de las letras serigrafiadas según el proceso que se utilice. Ajustar estos parámetros en una imagen rasterizada, aunque no es imposible, sería mucho más complicado.

Hace algún tiempo necesitaba poner un texto coreano en una PCB para un cliente. Después de discutir esto en el foro de KiCad, aprendí que dentro de KiCad, las letras de la PCB se almacenan internamente como vectores, utilizando el formato de fuente original de Hershey. No entraré en detalles sangrientos, pero el formato original de Hershey es peculiar, por decir lo menos. Hershey utilizó sólo letras imprimibles, lo que hoy podríamos llamar ASCII imprimible, para describir las coordenadas en un estilo muy compacto. Existe un sistema de cuadrícula cartesiano basado en letras con la letra R como cero. La letra S es 1, P es -2, etc. La letra H aparecería como 508 9G]KFK[ RYFY[ RKPYP en esta notación.

Recientemente estuve jugando con Micropython en el módulo TTGO basado en ESP32 para experimentar con texto en la pequeña pantalla TFT. Descubrí que el usuario de Hacakday.io [Russ] usaba fuentes Hershey en su Turtle Plot Bot. Esto me dio un gran impulso para algunos de mis experimentos y es otro ejemplo más de cómo encontrar fuentes Hershey bajo el capó de proyectos modernos.

Los proyectos basados ​​en CRT que utilizan gráficos vectoriales se han vuelto populares en los últimos años. Hay proyectos de reloj y visualizaciones vectoriales de uso general. Esta es otra aplicación más en la que describir fuentes con vectores coincide muy bien con el funcionamiento subyacente de la pantalla. Y no le sorprenderá saber que las fuentes Hershey se encuentran comúnmente en estos proyectos. Por ejemplo, este tutorial de [Trammel Hudson] sobre conceptos básicos de visualización vectorial muestra cómo dibujar letras de fuente Hershey en la pantalla.

¿Qué pensaría el Dr. Hershey sobre sus fuentes simplistas de un solo trazo que todavía se utilizan más de 60 años después? Teniendo en cuenta todas las letras de varios trazos y los símbolos japoneses que tan meticulosamente diseñó a mano, podría sorprenderse un poco, si no decepcionarse. Háganos saber si ha encontrado o utilizado las fuentes de Hershey en sus proyectos. Si desea obtener más información, aquí tiene una interesante presentación de Frank Grießhammer sobre el propio Dr. Hershey y el desarrollo de sus fuentes.