Пиксель. История одной точки - Элви Рэй Смит

Свет. Я предлагаю обсудить, что произошло за два десятилетия с момента, который я выбрал конечной точкой моей истории, а именно с начала нового тысячелетия. За истекшее время компьютеры улучшились на четыре порядка и стали в 10 000 раз мощнее в соответствии с законом Мура.

Революция продолжается, поэтому я также пытаюсь сделать то, что фраза «порядок величины» предполагает невозможным: предсказать, что произойдет дальше, когда коэффициент Усиления, согласно закону Мура, достигнет 1 триллиона X в 2025 году, а затем… это, конечно, не совсем за гранью бесконечности, но цифры ошеломляюще огромные. Что же таит в себе будущее?

Но сначала давайте рассмотрим и прокомментируем ключевые фундаментальные технологические моменты.

Отделение изображения от устройства отображения

Цифровой Свет — это любое изображение, состоящее из пикселей. Это очень широкое понятие. Сегодня оно включает в себя почти все изображения в мире. Фактически из-за цифрового взрыва сверхновой к Цифровому Свету относятся почти все когда-либо существовавшие изображения. Но так сложилось совсем недавно, в районе 2000 года, в начале нового тысячелетия — из-за неожиданного события, которое я называю Великой цифровой конвергенцией. Изменения подкрались к нам тихо и незаметно — и быстро, кажется, будто в одночасье. Все типы носителей информации слились в один универсальный цифровой носитель — биты. Изображения и средства отображения полностью отделились друг от друга. Но как конвергенция привела к такому разделению?

Ответ заключается именно в различии между пикселем — словом, образованным от сокращенного словосочетания «элемент изображения», — и самим «элементом отображения». Смешение этих совершенно различных понятий остается сегодня одной из самых распространенных технических путаниц в мире. И то и другое часто называют «пикселями», что совсем не правильно. Пиксель — это оцифрованный отсчет визуальной сцены в одной геометрической точке. Мы не можем увидеть геометрическую точку, следовательно, мы не можем увидеть пиксель. Небольшая светящаяся область на дисплее, которую мы видим, — это аналоговая реконструкция соответствующего невидимого пикселя. Мы называем такое крошечное светящееся пятнышко элементом отображения.

Элемент отображения получает цифровой пиксель в качестве входных данных и выводит аналоговое пятнышко цветного света. Мы говорим, что пиксель разбрасывается элементом отображения, чтобы его можно было увидеть. Цветные пятнышки — которые, кстати, почти никогда не бывают маленькими квадратиками — накладываются друг на друга, образуя гладкую непрерывную картину.

Пиксели дискретны, не имеют протяженности во времени, отделены друг от друга в пространстве, они цифровые и невидимые. Элементы отображения — разбросанные пиксели — излучают аналоговое, непрерывное, накладывающееся на другие и, конечно же, видимое свечение.

Пиксели универсальны, но элементы отображения далеко не универсальны. Элементы отображения различаются от устройства к устройству и от производителя к производителю.

Пиксели лаконично представляют изображение. Элементы отображения, управляемые ими, показывают его. Именно отделение изображения от носителя и способа отображения изменило современный визуальный мир… и вынудило меня приложить столько усилий при написании этой книги, чтобы прояснить путаницу между пикселем и элементом отображения.

Когда оказалось, что все изображения могут быть представлены пикселями, необходимость в других типах носителей отпала. Наступил момент Великой цифровой конвергенции. Таким образом, отделение цифровых пикселей от элементов аналогового дисплея объединило многие типы аналоговых носителей в один цифровой, или универсальный, носитель.

Универсальность пикселей объясняет, почему работает Великая цифровая конвергенция. Я могу взять любые пиксели, находящиеся в мобильном телефоне, и отправить их на дисплей ноутбука, на огромный дисплей настольного компьютера, на струйный принтер, на телевизор, на экран телевизора в любом гостиничном номере, на телефон моей жены или ее ноутбук, на экран в любом лекционном зале через проектор и так далее. Или через интернет — для вас и ваших устройств. Элементы отображения этих устройств значительно различаются, но во всех случаях пиксели одинаковы.

В моем мобильном телефоне тысячи фотографий, каждая из которых содержит миллионы пикселей. Я подозреваю, что у вас практически то же самое. Понятно, что эти изображения находятся где-то «там, внутри», но вы их не видите. Если я попрошу вас показать одну из фотографий, то в этот самый момент — как будто мгновенно — происходит разбрасывание пикселей и изображение восстанавливается из пиксельного представления.

Работа этой схемы обусловлена великой теоремой отсчетов — математическим триумфом. А ее быстротой и высоким разрешением мы обязаны закону Мура — инженерному чуду.

Незаметный, но революционный переход к этой схеме произошел по странному совпадению именно на рубеже тысячелетий. Тогда — совсем недавно — мы привыкли, что можем увидеть наши пиксели когда и где захотим. У нас под рукой всегда будет устройство отображения, понимающее универсальную среду и приносящее нам удовольствие от просмотра. В этом — смысл Великой цифровой конвергенции.

Пиксель как фундаментальный элемент цифровых изображений

Но что такое пиксель? И как дискретная сетка из пикселей — шипастое ложе из гвоздей — аккуратно отображает непрерывное поле зрения? Ответ дает фундаментальная теорема (этим словосочетанием ученые заменяют слово «истина») Цифрового Света. Это теорема отсчетов, которую в ее полном современном виде сформулировал Владимир Котельников в 1933 году. Ее удивительная математика лежит в основе всех современных визуальных (и аудио) средств передачи и отображения информации. Теорема гласит, что для точного представления поля зрения необходимо измерить яркость света (сделать выборку) в каждой точке регулярной сетки (отсчеты — отсюда и ложе из гвоздей), причем интервалы между точками должны соответствовать определенному критерию: частота интервалов между отсчетами должна вдвое превышать самую высокую частоту Фурье в визуальной сцене.

Это достаточно абстрактно и контринтуитивно, чем и объясняется, почему большинство еще не знает, что такое пиксель. Позвольте мне сформулировать определение кратко, сделав небольшие поправки в скобках для точности: пиксель — это (оцифрованная) выборка поля зрения, полученная с его (более чем) удвоенной максимальной частотой Фурье. Не забывайте уточнения в скобках, но опустите их, и вы получите просто определение: пиксель — это выборка поля зрения, полученная с его удвоенной максимальной частотой Фурье.

Любопытное слово — частота — доминирует как в определении, так и в теореме отсчетов. Поэтому я посвятил главу 1 объяснению частоты (Фурье). Великая идея Жозефа Фурье заключается в следующем: поле зрения можно представить как сумму волн различных частот и амплитуд. Это музыка. Большинство людей понимают, что музыка — это сумма звуковых волн разной частоты (высоты тона) и разной амплитуды (громкости). Фурье учит нас, что то же самое верно и для визуальной сцены. Она лишь сумма волн цветовой яркости разных частот и амплитуд.

Я пишу эту последнюю главу в замке в Шотландии. Рифленые картофельные чипсы, продающиеся в ближайшем магазине (рис. 9.1), помогут вам визуализировать взаимосвязь борозд и