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Jun 08, 2023

Hershey-Schriftarten: Nicht Schokolade, der Ursprung der Vektorschrift

In den letzten Jahren bin ich immer wieder auf sogenannte Hershey-Schriftarten gestoßen. Nachdem ich herumgestöbert hatte, fand ich einen Regierungsbericht aus dem Jahr 1967 von einem Kollegen namens Dr. Allen Vincent Hershey. In den 1960er Jahren war er

In den letzten Jahren bin ich immer wieder auf sogenannte Hershey-Schriftarten gestoßen. Nachdem ich herumgestöbert hatte, fand ich einen Regierungsbericht aus dem Jahr 1967 von einem Kollegen namens Dr. Allen Vincent Hershey. In den 1960er Jahren arbeitete er als Physiker für das Naval Weapons Laboratory in Dahlgren, Virginia, und untersuchte die Wechselwirkung zwischen Schiffsrümpfen und Wasser. Seine Forschung wurde durch den Naval Ordnance Research Calculator (NORC) unterstützt, der von IBM gebaut wurde und bei seiner Erstinstallation im Jahr 1954 einer der schnellsten Computer der Welt war.

Die I/O-Einrichtungen des NORC, wie Lochkarten, Magnetband und Zeilendrucker, waren typisch für die damalige Zeit. Aber das NORC verfügte auch über einen optischen Ultrahochgeschwindigkeitsdrucker. Dieses Gerät wurde ursprünglich von der Telekommunikationsfirma Stromberg-Carlson für die Sozialversicherungsbehörde entwickelt, um schnell große Datenmengen direkt auf Mikrofilm zu drucken.

Vielleicht haben Sie Geschichten von Programmierern gehört, die ungeduldig auf Ausdrucke von Mainframe-Betreibern warten? Nun, Sie hätten noch länger auf Ihre optischen Plots gewartet. Da sie Filme verwendeten, mussten sie chemisch bearbeitet werden, um Fotos, Dias oder Mikrofilme herzustellen. Aber trotz dieser Wartezeit war die Druckgeschwindigkeit viel schneller als bei damaligen Zeilendruckern: 7000 Zeilen pro Minute gegenüber 150. Während diese Druckgeschwindigkeit sicherlich beeindruckend war, war die Möglichkeit, ganze Grafiken und Zahlen in nur Bruchteilen einer Sekunde zu zeichnen, nein Dieser Zweifel wird von den Wissenschaftlern in Dahlgren sehr geschätzt.

Was hat dieses Gerät so schnell gemacht? Es war die Charactron Tube, die wir bereits 2017 vorgestellt haben. Diese spezielle CRT verfügt über einen internen Metallschirm, in den eine Schriftart eingraviert ist. Der Elektronenstrahl projiziert in einem „Blitz“ einen ganzen Buchstaben auf die Leuchtstoffoberfläche der Röhre, wodurch wiederum ein Fotofilm belichtet wird. Da kein Rasterscannen oder Vektorzeichnen erforderlich war, ging der Prozess schnell vonstatten. Doch bald würde das System auf eine Weise genutzt werden, die sich die ursprünglichen Designer nicht vorstellen konnten.

Damals, vor Roff-, LaTex- und WYSIWYG-Textverarbeitungsprogrammen, war die Erstellung technischer Berichte voller komplizierter mathematischer Gleichungen und Datendiagramme recht zeitaufwändig. Der Text selbst würde mit einer gewöhnlichen Schreibmaschine erstellt. Zum Schreiben mathematischer Gleichungen wurden jedoch Spezialschreibmaschinen wie die Varityper benötigt. Plots und Figuren werden im Allgemeinen von Hand oder mit einem Stiftplotter gezeichnet. Hershey kam zu der Erkenntnis, dass der optische Drucker des NORC eine neue Rolle übernehmen und als Schriftsetzer eingesetzt werden könnte. Dr. Hershey erkannte nicht nur diese Möglichkeit, sondern besaß auch ein großes Interesse an Kalligraphie und hatte nichts dagegen, seine Abende damit zu verbringen, diese neue Fähigkeit zu entwickeln.

Der Schlüssel dazu war die Definition eines neuen Ausgabemodus, der die internen Schablonenschriftarten umging. Vielmehr würde der Film belichtet, indem die Punktschablone (Punkt) als „Punkt“ verwendet und der Punkt programmgesteuert bewegt würde. Auf Text angewendet ist dies natürlich langsamer als die Verwendung der Schablone, ermöglicht aber eine willkürliche Auswahl von Schriftarten oder Repertoires, wie Dr. Hershey sie nannte. Darüber hinaus eröffnet es die Möglichkeit, Daten direkt auf Film zu zeichnen und so den langsameren Stiftplotter und die noch langsameren Handzeichnungstechniken der Zeit zu umgehen.

Dr. Hershey erfuhr, dass Ingenieure der Bell Laboratories in Murray Hill, New Jersey, mit einer ähnlichen Technik eine Schriftart für ihren optischen Drucker entwickelt hatten und dabei unter dem Gesichtspunkt der Rasterung vorgingen. Dr. Hershey erkannte, dass er dies erweitern konnte, um exotischere und künstlerischere Glyphen einzubeziehen. Er konzentrierte sich auf die Verwendung von Vektoren zum Entwerfen seiner Schriftarten und begab sich auf die lange Reise der Recherche und des Aufbaus seiner Sammlung vektorbasierter Schriftarten.

Im Nachhinein betrachtet hat er nicht nur eine Reihe von Werkzeugen entwickelt, um den Bedürfnissen der Dahlgren-Gemeinde gerecht zu werden, sondern hat auch die Grenzen des optischen Plotters auf die Spitze getrieben. In seinen Berichten demonstrierte er Schriftarten nicht nur in Englisch, sondern auch in anderen Sprachen wie Griechisch, Russisch und Japanisch. Neben mathematischen Symbolen zeigte er, wie der Plotter elektronische Schaltpläne, Sternkarten der Galaxie, Karten im Allgemeinen, chemische Bindungen usw. zeichnen konnte. Ein Beispiel seiner Gründlichkeit findet sich in seinem Bericht „Kalligraphie für Computer“ von 1967. Obwohl Hershey nur zu Demonstrationszwecken eine Teilmenge japanischer Zeichen implementierte, durchsuchte er über 5000 davon nach Glyphen, die die Grenzen seiner Methode überschreiten könnten. Er konnte nur einen solchen Fall finden, den er vernünftigerweise ignorierte:

Mit einigen Auslassungen von Details in engen Räumen und einigen Überfüllungen in komplizierten Fällen wird davon ausgegangen, dass diese Größe [eine Höhe von 21 Rastereinheiten] für alle Zeichen in Nelsons Wörterbuch mit Ausnahme von Nr. 5444 ausreichend ist. Da dieses Zeichen Drachen in Bewegung darstellt, es ist von zweifelhaftem Nutzen.

Insgesamt erstellte Dr. Hershey etwa 1400 westliche und 800 japanische Glyphen, die alle sorgfältig von Hand auf Millimeterpapier gezeichnet wurden. Es gab fünf verschiedene optische Schriftgrößen und drei verschiedene Stricharten, ganz zu schweigen von allen möglichen Symbolen, die in der Kartierung, Naturwissenschaften, Mathematik usw. verwendet wurden.

Hershey versuchte, mithilfe der damals führenden Technologie ansprechende Schriftarten für gedruckte Berichte zu erstellen. Bei weitem die meisten Glyphen waren komplex – das heißt, sie wurden aus mehreren Linien oder Strichen konstruiert, um eine größere und variable Strichbreite zu erzielen. Diese Striche werden heutzutage oft als dünne Linien dargestellt, wenn man online nach seinen Schriftarten sucht. Bei richtiger Zeichnung und unter Berücksichtigung der Größe des SC4020-Strahls ergeben sich jedoch durchgezogene Buchstaben. Heutzutage steht uns eine Fülle von Schriftarten zur Verfügung. Warum werden dann immer noch Hershey-Schriftarten verwendet? Sie könnten versucht sein zu sagen, weil sie gemeinfrei sind. Aber der Hauptgrund ist wahrscheinlich die Single-Stroke-Schriftfamilie, die in so vielen verschiedenen Anwendungen immer noch sehr nützlich ist. Hier sind einige Beispiele, die mir im Laufe der Jahre begegnet sind.

Wenn Sie heute Text in OpenSCAD zeichnen möchten, gibt es eine integrierte Unterstützung. Aber als ich OpenSCAD Anfang 2015 zum ersten Mal lernte, war dies nicht verfügbar. Ein Projekt, an dem ich arbeitete, benötigte Text, also beschloss ich, meinen eigenen zu erstellen. Als ich mich mit der einfachen Beschriftung beschäftigte, die ich mithilfe der Grafikprimitive von OpenSCAD umsetzen konnte, entdeckte ich, dass es sich hierbei um eine Technik mit einer langen Geschichte handelt.

Während dieser Recherche stieß ich zum ersten Mal auf Hershey-Schriftarten. Seitdem habe ich erfahren, dass diese klassischen Schriftstile eine Inspirationsquelle für Dr. Hershey waren, einschließlich der Leroy-Schriftzugsätze, die von Zeichnern und einigen Comic-Lettern verwendet wurden.

Damals verzichtete ich auf Hershey-Schriftarten, weil sie nur Linien verwendeten und es den Anschein hatte, dass echte Kurven besser aussehen würden. Ich habe meine eigene Vektorschriftart erstellt, die auf diesen einfachen Entwurfsschriftstilen basiert und nur Linien und Kreisbögen verwendet – Dinge, die ich mit OpenSCAD erstellen konnte. Wenn ich jetzt darauf zurückblicke, sehe ich, dass der Text im März dieses Jahres in OpenSCAD integriert wurde. Wenn ich nur drei Monate gewartet hätte, hätte ich mir die Zeit und den Ärger erspart.

Als junger Ingenieur erforderten einige Projekte meiner Firma dauerhafte Markierungen auf der Frontplatte. Wir haben diese hergestellt, indem wir die Beschriftungen und Symbole mit einer CNC-Maschine in die Platte eingravieren ließen. Eine bewährte Methode bestand darin, eine Platte zu gravieren und dann die Rillen mit Epoxidfarbe zu füllen. Heute können wir sogar auf die lästige maschinelle Gravur verzichten. Das kostengünstige direkte Laserätzen bietet eine sauberere und oft kostengünstigere Technik. Bei beiden Methoden wird der Kopf, ein Fräswerkzeug oder ein Laserstrahl entlang von Pfaden bewegt, die durch XY-Paare definiert sind. Dies eignet sich perfekt für Vektorschriftarten. Sie können durch Ändern des Durchmessers des Fräswerkzeugs oder der Größe des Laserstrahls mehr oder weniger fett dargestellt werden und können mithilfe einfacher Trigonometrie je nach Bedarf einfach skaliert oder gedreht werden. Der Versuch, dies mit einer Bitmap-Schriftart zu tun, wäre bestenfalls umständlich.

Wir haben alle schon einmal Text auf die Siebdruck- und Kupferschichten unserer Leiterplatten aufgetragen, haben aber vielleicht nicht innegehalten und über die Details nachgedacht. Wenn Sie Dateien für die Fertigung generieren, werden die Leiterbahnen und Merkmale Ihrer Platine, die selbstverständlich Vektoren sind, im bekannten Gerber-Format (RS-274X) ausgedrückt. Buchstaben werden auf die gleiche Weise ausgedrückt.

Die ersten Fotoplotter zur Herstellung von PCB-Filmgrafiken wurden in den 1960er Jahren von der Firma Gerber Scentific hergestellt. Dieses Gerät ist aus einer Familie großer computergesteuerter XY-Tische hervorgegangen. Diese wurden ursprünglich für Aufgaben wie das Ausschneiden von Mustern aus Stoff und die Herstellung von verschreibungspflichtigen Brillengläsern verwendet. Die grundlegende Funktionsweise des Gerber-Fotoplotters war einem Stiftplotter oder einer CNC-Graviermaschine nicht unähnlich, mit der Ausnahme, dass ein Lichtstrahl durch eine wählbare Blende schien, um fotografischen Film zu belichten. Ein Rad mit verschiedenen Blendengrößen ermöglichte die Änderung der Linienbreite und diente auch zum „Blinken“ von Pads. Es war nur natürlich, dass Vektorbefehle zur Steuerung des Fotoplotters verwendet wurden. Anstatt das Rad neu zu erfinden, definierte Gerber eine Teilmenge des CNC-Digitalschnittstellenstandards RS-274D, der seit den 1950er Jahren existierte. Mit einigen Erweiterungen und Überarbeitungen ist dies immer noch das Format, das wir heute noch verwenden, um unsere Leiterplattengrafiken an die Fertigungswerkstatt zu übermitteln.

Wie in vielen Bereichen schreitet die Technologie voran. PCB-Fertigungsbetriebe verwenden eigentlich keine Gerber-Fotoplotter mehr. Heutzutage konvertiert der Hersteller Ihre Gerber-Dateien in den meisten Fällen so, dass die Grafik mithilfe eines hochauflösenden Hochgeschwindigkeits-Rasterdruckers auf Film übertragen wird. In einigen Fällen wird das Bildmaterial direkt auf die Leiterplatte selbst projiziert, wobei der Film und der Zwischenübertragungsschritt vollständig umgangen werden.

Dennoch glaube ich nicht, dass wir den Herstellern jemals gerasterte PCB-Grafiken schicken werden. Die Merkmale der Leiterplatte, die wir an den Shop senden, Leiterbahnen und Pads, sind von Natur aus vektorartig. Und um korrekte Ergebnisse zu erzielen, muss der Hersteller diese Merkmale identifizieren, um sie entsprechend seinem eigenen, einzigartigen Herstellungsprozess zu optimieren. Das ist die Bedeutung von Herstellungshinweisen wie „Leitungs-, Pad- und Via-Abmessungen werden als fertige Größe angegeben“ und „Kontrollierte Impedanzspuren xxxx sollten 75 Ohm haben“. Sogar die Breite der Siebdruckbeschriftung muss je nach verwendetem Verfahren möglicherweise angepasst werden. Das Anpassen dieser Parameter an einem rasterbasierten Bild wäre zwar nicht unmöglich, aber viel komplizierter.

Vor einiger Zeit musste ich für einen Kunden einen koreanischen Text auf eine Leiterplatte bringen. Nachdem ich dies im KiCad-Forum diskutiert hatte, erfuhr ich, dass in KiCad die Leiterplattenbeschriftung intern als Vektoren gespeichert wird – unter Verwendung des ursprünglichen Hershey-Schriftformats. Ich werde nicht auf die blutigen Details eingehen, aber das ursprüngliche Hershey-Format ist, gelinde gesagt, eigenartig. Hershey verwendete nur druckbare Buchstaben, was wir heute als druckbares ASCII bezeichnen könnten, um die Koordinaten in einem sehr kompakten Stil zu beschreiben. Es gibt ein buchstabenbasiertes kartesisches Gittersystem mit dem Buchstaben R als Null. Der Buchstabe S ist 1, P ist -2 usw. Der Buchstabe H würde in dieser Notation als 508 9G]KFK[ RYFY[ RKPYP erscheinen.

Ich habe kürzlich mit Micropython auf dem ESP32-basierten TTGO-Modul herumgespielt, um mit Text auf dem winzigen TFT-Bildschirm zu experimentieren. Ich habe herausgefunden, dass der Hacakday.io-Benutzer [Russ] Hershey-Schriftarten in seinem Turtle Plot Bot verwendet hat. Dies gab mir einen guten Start für einige meiner Experimente und ist ein weiteres Beispiel dafür, wie man Hershey-Schriftarten unter der Haube moderner Projekte findet.

CRT-basierte Projekte mit Vektorgrafiken sind in den letzten Jahren populär geworden. Es gibt Uhrenprojekte und Allzweck-Vektoranzeigen. Dies ist eine weitere Anwendung, bei der die Beschreibung von Schriftarten mit Vektoren gut mit der zugrunde liegenden Funktionsweise des Displays harmoniert. Und Sie werden nicht überrascht sein zu erfahren, dass bei diesen Projekten häufig Hershey-Schriftarten zu finden sind. In diesem Tutorial von [Trammel Hudson] zu den Grundlagen der Vektoranzeige wird beispielsweise gezeigt, wie man Buchstaben in der Schriftart Hershey auf dem Bildschirm zeichnet.

Was würde Dr. Hershey davon halten, dass seine einfachen Einzelstrich-Schriftarten auch über 60 Jahre später immer noch verwendet würden? Angesichts all der Mehrstrichbuchstaben und japanischen Symbole, die er so sorgfältig von Hand entworfen hat, könnte er ein wenig überrascht, wenn nicht sogar enttäuscht sein. Teilen Sie uns mit, ob Sie in Ihren Projekten auf die Schriftarten von Hershey gestoßen sind oder diese verwendet haben. Wenn Sie mehr erfahren möchten, finden Sie hier einen interessanten Vortrag von Frank Grießhammer über Dr. Hershey selbst und die Entwicklung seiner Schriftarten.