Пиксель. История одной точки - Элви Рэй Смит

называется визуальным потоком. Это гладкий аналоговый поток, поэтому он может обрабатываться методами Фурье и Котельникова. То есть мы можем делать выборку из него как во времени, так и в пространстве. Все мы знакомы с выборками во времени: в кино и на телевидении их называют кадрами.

В этой книге для путешествия по всему Цифровому Свету я придерживаюсь пути, который пролегает через ответвление иллюстративной компьютерной графики, не создающейся в реальном времени. Таким образом, определение реального времени имеет большое значение, чтобы ограничить его сферу применения. Есть два понятия, которые означают реальное время, и мы должны различать их.

Первое понятие подразумевает, что следующий кадр в изменяющемся во времени визуальном потоке вычисляется в течение времени одного кадра — времени между временными выборками. Вычисления выполняются достаточно быстро, чтобы визуализировать следующий кадр в следующий такт часов — например, каждую шестидесятую долю секунды для цифрового видео в реальном времени. Это синхронизированное отображение в режиме реального времени. Компьютерная графика в режиме реального времени чаще всего используется в видеоиграх, или, как их еще называют, компьютерных играх. Я расскажу о них чуть позднее.

Второе понятие реального времени заключается в том, что все происходит достаточно быстро, чтобы казаться мгновенным для человека, взаимодействующего с изменяющимся изображением. Это интерактивное взаимодействие в реальном времени. Простой пример — курсор. Пользователь проводит мышью по рабочему столу или пальцем по сенсорной панели, наблюдая за перемещением курсора на экране. По мере того как человек перемещает мышь или палец, экран обновляется: изображение курсора удаляется из предыдущей позиции и помещается в текущее местоположение. Реальное время достаточно быстрое, чтобы убедить нас в том, что курсор жестко привязан к нашей мыши или пальцу. Оно несинхронизированное и полностью контролируется движениями пользователя. Если пользователь не совершает никаких действий, то никакие графические вычисления не выполняются. Наиболее распространенное использование интерактивной компьютерной графики в реальном времени — пользовательский интерфейс практически любого приложения и даже операционной системы — скажем, Windows или MacOS — на любом мобильном телефоне, планшете, ноутбуке или настольном компьютере. Все эти интерфейсы, конечно же, относятся к синтетическому Цифровому Свету.

В качестве основной темы и основного примера для этой книги я выбрал цифровое кино. Оно существует не в реальном времени, а в таком режиме, когда машине дается на вычисления столько времени, сколько необходимо для создания изображения. Для вычисления фильма в реальном времени требуется, чтобы каждый кадр вычислялся за одну двадцать четвертую долю секунды, а весь фильм — за 90 минут или около того. Чтобы показать, насколько нереально это сегодня, упомяну, что фильмы Pixar рассчитываются месяцами, а на один кадр уходит до 30 часов. В году около полумиллиона минут. Чтобы сократить год вычислений до 90-минутного фильма в реальном времени, потребуется ускорение компьютеров на четыре порядка — в 10 000 раз. Если предположить, что закон Мура продолжит действовать и впредь (а это очень серьезное допущение), мы можем ожидать появления кино в реальном времени примерно в 2040 году.

С другой стороны, компьютеры теперь настолько быстры, что способны генерировать реалистичные изображения в реальном времени. Такое часто встречается во многих современных видеоиграх. Кроме того, игры изменяют объект вычислений в зависимости от действий игрока. Таким образом, они используют оба типа реального времени, синхронизированное и интерактивное. Изображения в играх пока не такие фотореалистичные и сложные, как в фильмах, но единственная реальная техническая разница между цифровым кино, которое рассматривалось в этой книге, и видеоиграми заключается в количестве доступной вычислительной мощности. Все, о чем говорилось в этой книге, применимо и к компьютерным играм, хотя я не упоминал подробно ни о них, ни о конкретной истории их развития, ни о ее героях.

Триада «идея — хаос — тиран»

Один из специфических мотивов — назовем его тематическим аккордом, звучащим на протяжении всей книги, — связан с концепцией триады «идея — хаос — тиран», которая преследует технологические прорывы. Сначала мы узнаём, как этот мотив раскрывается в трех главах, объединенных под названием «Основы: три великие идеи» в первой части, где каждая триада связана с историей одного человека. Затем, когда мы обнаруживаем, что общепринятые истории технологий часто полны ошибок, появляется второй сквозной мотив. В последующих разделах мы проследим оба мотива на примере других технологий настолько, насколько они связаны с историями человеческих взаимоотношений.

Волны Фурье

История начинается с французского революционера Жозефа Фурье. Идеей здесь выступает великая концепция Фурье, что вся природа есть музыка. Хаос, который привел его мир в движение, проявился в Великой французской революции и последующих столкновениях нашего героя с императором и королем. Наполеон был тираном, который сослал Фурье в отдаленный департамент со столицей в провинциальном Гренобле и тем самым неосознанно дал простор для развития революционной идеи.

Отсчеты Котельникова

В главе 2 мы встречаемся с неизвестным большинству американцев русским инженером Владимиром Котельниковым. Он взял великую идею Фурье и возвел на ее фундаменте свою собственную: великая теорема отсчетов — это изящная и красивая идея, которая сделала Цифровой Свет возможным.

Идея здесь заключается в весьма неочевидном представлении Котельникова, что разрозненные дискретные отсчеты могут точно представлять непрерывный гладкий аналоговый континуум. Его хаос воплотился в череде войн, сильно повлиявших на ход мировой истории, а особенно истории России: русская революция, последовавшая за ней Гражданская война, обе мировые войны и холодная война. Его тиранами были преемник Сталина Маленков, Берия из КГБ и советский секретный партаппарат с его ГУЛАГом и тюремными лагерями. В случае с Котельниковым его покровительница Валерия Голубцова, жена Маленкова, сознательно и неоднократно защищала его от хаоса и дала ему работу в своем университете.

Идея теоремы отсчетов принадлежит именно Котельникову. Американцев учат (как в свое время учили и меня), что ее придумал Клод Шеннон или Гарри Найквист, но Шеннон никогда не претендовал на лавры первооткрывателя, и Найквист тоже никогда не заявлял ничего подобного. Таким образом, мы видим, как истории технологий передаются из поколения в поколение с ошибками, но тем не менее часто воспринимаются как достоверное знание. В случае с Котельниковым ошибка почти наверняка вызвана национализмом или политикой в целом. Как могли в Америке времен холодной войны допустить, чтобы столь важная идея принадлежала советскому коммунисту?! Рассказанная с максимально возможной точностью, правильная история каждой технологии не только раскрывает правду, но и помогает предположить, откуда берутся и почему существуют «альтернативные» версии.

Машинные вычисления Тьюринга

Третья великая основополагающая идея Цифрового Света предложена известным мучеником цифрового мира