Пиксель. История одной точки - Элви Рэй Смит

Янгблад описал систему, использованную Лабораторией реактивного движения для отображения цифровых цветных изображений, — цвет там кодируется 6 битами на пиксель (64 цвета). Если опустить подробности, система работала следующим образом: изображения отправлялись на Землю и сохранялись на вращающемся магнитном диске, а затем снова собирались в 512 рядов по 480 пикселей в каждом для отображения на цветном телевизионном дисплее. Но самое первое изображение (рис. 7.2) было не таким сложным: его размер составлял всего 200 на 200 пикселей, а отображение делалось от руки на бумаге!

Есть специальный термин для цифровой памяти, которая используется для хранения пикселей. Ее называют кадровым буфером, поскольку она буферизует (или сохраняет) один кадр (или цифровое изображение). Это обычная память, но вы можете видеть ее содержимое. Устройство отображения просматривает память кадрового буфера, связанного с ним, каждую тридцатую долю секунды и использует находящиеся там пиксели для управления цветами, скажем, на телевизионном дисплее. Для своего первого космического изображения Лаборатория реактивного движения использовала механический кадровый буфер — упомянутый вращающийся магнитный диск, — на котором хранились 200 строк по 200 6-битных пикселей в каждой.

Рис. 7.2

«Маринер-4» отправил свои первые изображения с Марса во время полета, состоявшегося в июле 1965 года. Космический аппарат передал на Землю 21 черно-белую фотографию, сделанную через чередующиеся красные и зеленые фильтры. Поскольку съемка велась с движущегося космического корабля, последовательные изображения не были точно выровнены друг с другом. Но там, где они накладывались друг на друга, появлялась возможность грубой реконструкции цвета — только с красным и зеленым компонентами, без синего. Инженерам не терпелось увидеть Марс, и они не хотели ждать, пока изображение загрузят в компьютер, он их обработает и отобразит данные на дисплее. Поэтому они просто купили в художественном магазине цветные пастельные мелки и вручную нарисовали элементы отображения на цифровой распечатке необработанных значений пикселей. Своеобразное «устройство» не было электронным дисплеем, так что, согласно нашему строгому определению, его нельзя считать первым цветным цифровым изображением.

Более тщательное исследование показало, что его нельзя назвать и цветным отображением полученных с Марса фотографий. В официальном отчете прямо утверждалось: «Хотя полученные данные были примерно эквивалентны двуцветной фотографии, изначально не предполагалось, что два изображения должны быть объединены для формирования цветного, и многие факторы в совокупности препятствуют прямой интерпретации цифровых данных как индикативных значений любого конкретного цвета». То есть нетерпеливые инженеры сделали нечто гораздо более прозаичное: они просто произвольно выбрали для 6-битных пикселей разные оттенки мелков оранжевого цвета, причем на более ярких участках использовались более светлые оттенки, а на более тусклых — более темные. Сходство получившихся цветов с реальной поверхностью Марса оказалось чистой случайностью. Никто тогда еще не знал, как выглядит Марс.

Инженеры использовали метод, напоминающий способ цветовой карты для косвенного сохранения цвета в пикселе. Они установили цветовой ключ, или правило, по которому коричневый цвет присваивался пикселям со значениями от 45 до 50, желтый — со значениями от 20 до 25 и так далее. Они использовали только шесть разных мелков, а не 64 цвета, доступные для технологии (именно столько значений могут хранить 6 бит). Другими словами, их таблица цветов преобразовывала все 64 варианта значений яркости пикселей всего в 6 разных цветов. Например, строки с 45 по 50 цветовой палитры, соответствующие значениям пикселей от 45 до 50, хранят один и тот же цвет — коричневый.

Цветное изображение, полученное с помощью цветовой карты, иногда называют псевдоцветным изображением или изображением с искусственным цветом. Цвета задаются значениям пикселей произвольно, в любом порядке, — это мало чем отличается от того, что сделали инженеры проекта «Маринер». Не требуется также, чтобы цвета в палитре соответствовали реальности. Первые художники-компьютерщики так часто использовали псевдоцвет — со спектральными цветами в порядке радуги, — что это быстро стало таким же банальным, как раскрашенные по технологии тай-дай футболки хиппи.[39]

Хотя цветное изображение с Марса — это важное достижение космической программы, его нельзя назвать первым цветным Цифровым Светом по двум причинам. Во-первых, «первичность» события портят механические диски, как мы уже видели в истории первых кинофильмов и первых компьютеров; нам нужна первая полностью электронная реализация цветных пикселей, с электронной памятью для кадрового буфера. Во-вторых, ручная реализация элементов отображения выводит его за границы Цифрового Света. Но все же снимки с «Маринера» — это впечатляющее достижение и «почти первые цветные» изображения Цифрового Света.

Первые цветные выборки не были пикселями

Итак, если первые цветные пиксели появились не на картинке Лаборатории реактивного движения, то как насчет General Electric, другого кандидата из книги «Расширенное кино» Янгблада?

В «Итоговом отчете» General Electric за август 1964 года описывался, как мне кажется, явный претендент на звание самого раннего случая использования вычисляемого цвета. Тренажер-симулятор посадки лунного модуля, созданный для Центра пилотируемых космических полетов NASA в Хьюстоне, представлял собой модель, состоящую только из изображения бесконечной плоскости, которая покрыта текстурой из повторяющихся плиток разного цвета. На рисунке 7.3 — одно из первых цветных изображений с этого симулятора, его часто называют NASA-1. Он в довольно примитивной форме показывает поверхность Луны, как ее видит пилот через иллюминатор посадочного модуля: красная область — это зона посадки, а различные текстуры соответствуют, скажем, кратерам.

Вы можете думать о каждой плитке как о небольшом упорядоченном растровом массиве меньших плиток. Таким образом, плитка представляет собой квадрат, состоящий из массива 8 на 8 — 64 маленьких квадратных плиток. Это не пиксели! На самом деле это просто маленькие геометрические квадраты. Симулятор NASA-1 вычислял вид этой мозаичной плоскости в перспективной проекции, по одному элементу за раз на каждой строке развертки цветного телевизионного дисплея. Он действовал очень быстро, в режиме реального времени. Вот почему в 1964 году он стоил миллионы долларов. Для каждого элемента изображения на каждой строке развертки симулятор рассчитывал, какую плитку увидит пилот в конкретной точке, глядя в иллюминатор на плоскость, покрытую текстурами.

Это геометрический расчет с использованием геометрии перспективы. Затем он просто искал в таблице цвет нужного элемента и отправлял его на цветной дисплей.

Очень похоже на получение выборки из непрерывной визуальной сцены и последующее восстановление этой сцены во время отображения элементов выборки. Но отсчеты были аналоговыми. В симуляторе же цвет не сохранялся в цифровом виде. Каждый цвет устанавливался вращением потенциометра — приспособления вроде ручки громкости на старом радиоприемнике или регулятора яркости люстры. То есть симулятор NASA-1 использовал цветовую выборку, но не преобразовывал отсчеты в цветные пиксели. Их нельзя