Пиксель. История одной точки - Элви Рэй Смит

Вы наверняка слышали утверждения аудиофилов, что виниловые пластинки лучше компакт-дисков? В мире визуального искусства принято утверждать, что цифровая фотография никогда не сравнится по диапазону передаваемых оттенков с пленочной. Такие бурные споры совсем не редкость. Но есть ли в них зерно истины? Ну конечно же! Есть несколько причин, по которым цифровая выборка может быть сделана неправильно: недостаточное количество значений на пиксель или соксель, слишком грубый или ошибочный разбрасыватель, недостаточно высокая частота выборки. Многие приверженцы аналогового звука или изображения считают, что цифровым технологиям присущ некий изначальный дефект, хотя проблема заключается просто в неудачной реализации. Теоретически ничто не мешает какому-нибудь инженеру изобрести компакт-диск, звучащий в точности как виниловая пластинка. Точно так же вполне реально сделать отпечаток с цифрового изображения, ни в чем не уступающий пленочной фотографии. Однако в обоих случаях добиться нужного результата будет непросто. Теорию нужно воплощать как можно ближе к идеалу, и это вполне возможно.

Некоторые аудиофилы утверждают, что способны отличить на слух записи, сделанные с более высокой частотой дискретизации, чем предполагает стандарт оцифровки звука для компакт-диска (с частотой 44,1 сокселей в секунду при 16 битах на соксель). Напомним, что человеческое ухо воспринимает звуки высотой до 20 000 циклов в секунду — это самая высокая частота Фурье, поэтому частота дискретизации согласно теореме Котельникова (или Найквиста) должна составлять не менее 40 000 сокселей в секунду. Стандарт для компакт-дисков даже превышает минимум, требуемый Котельниковым для идеальной аналоговой реконструкции звука из сокселей. Итак, если верить теории, то никто не обнаружит улучшение в качестве звука для системы, использующей более высокую частоту дискретизации по сравнению с компакт-диском.

Другой тип ошибки, которую теоретически мог бы обнаружить эксперт, — это ошибка округления, то есть недостаточное число возможных значений громкости для сокселя. Но, как уже отмечалось, человеческое ухо не способно различить такое количество градаций громкости, которое позволяет сохранить 16-битный соксель стандартного компакт-диска, — примерно 65 000 возможных уровней громкости на соксель. Таким образом, никто не почувствует разницу в звучании системы, использующей больше битов на соксель, чем стандартный компакт-диск.

Два стандарта цифровых аудиосистем — Super Audio CD (SACD) и DVD-Audio (DVD-A) — превосходят CD как по частоте дискретизации, так и по количеству битов на соксель. По итогам тщательно контролируемого теста ученые пришли к такому выводу:

Мы проанализировали все тестовые данные для различных типов музыки и конкретных программ, типов технологии высокого разрешения, возраста записи, а также возраста, пола, опыта слушателя и полосы пропускания его слуха. Ни одна из этих переменных не показала никакой корреляции с результатами или какой-либо разницы между ответами и результатами подбрасывания монеты.

Другими словами, даже аудиофилы не отличили CD от SACD или DVD-A. Но, что примечательно, те же экспериментаторы сообщили, будто «практически все записи SACD и DVD-A звучали лучше, чем большинство компакт-дисков». После тщательного опроса инженеров звукозаписи выяснилось, что они для этих носителей использовали теорему отсчетов намного правильнее, чем инженеры, создающие запись для компакт-диска. Смысл в том, что цифровое может быть точным представлением аналогового, но оно должно быть сделано правильно. Иначе говоря, в цифровых технологиях нет ничего такого, что помешало бы им сравняться по качеству с аналоговыми, нет никаких врожденных недостатков.

Возглавляя космическую гонку

…Раннее утро выходного дня. Вы вспомнили, что забыли с вечера договориться с вашим другом о совместной загородной прогулке. Вы протягиваете руку и берете с ночного столика небольшой, величиной с портсигар, аппарат. Это телевизионный приемо-передатчик индивидуального пользования, какими снабжены все без исключения жители нашей планеты. Вы устанавливаете позывной вашего друга и нажимаете кнопку вызова…

— Да, — говорит Владимир Александрович Котельников, — бесспорно, будут и крохотные телеприемники, помещающиеся в жилетном кармане, и гигантские, с экраном в несколько квадратных метров.

— Котельников предсказывает мобильный телефон (1957)

Во второй раз Котельников посетил Соединенные Штаты 27 августа 1957 года, как раз перед запуском спутника — событием, которое потрясло Америку. Это был Международный геофизический год. Он ознаменовал завершение перерыва в международном научном общении, который произошел в начале холодной войны. Котельников был теперь действительным членом Академии наук СССР и приехал, чтобы сообщить американцам кое-какую информацию. На конференции в Боулдере, штат Колорадо, он заявил, что Советы вскоре запустят искусственный спутник Земли, который будет передавать радиосигнал на частотах около 20 и 40 миллионов (мега) циклов в секунду. Никто не обратил на это внимания. Американцы не верили, что советская наука продвинулась так далеко. Но 4 октября спутник действительно стартовал и действительно излучал радиоволны поочередно на двух частотах — 20,005 и 40,002 мегациклов в секунду. Космическая гонка началась, и Котельников стал одним из ее активных участников.

Он оставался ее участником и в самом конце, почти два десятилетия спустя. На совещании в Москве в 1971 году Котельников, только что назначенный исполняющим обязанности главы Академии наук СССР, заявил удивленным американским дипломатам, что предполагаемая экспериментальная стыковка корабля «Аполлон» с орбитальной станцией «Салют», предложенная NASA, невозможна по техническим причинам, но СССР готов вместо этого продолжить работы по программе экспериментального полета «Аполлон — Союз» (сокращенно ЭПАС, или, в американской версии, Apollo — Soyuz Test Project, ASTP). Совместный космический полет со стыковкой двух космических кораблей «Союз» и «Аполлон», состоявшийся в июле 1975 года, стал одним из самых ярких символов разрядки отношений между двумя странами.

Провозглашение космической гонки стало лишь одним из достижений Котельникова. Под его руководством проведена радиолокация Венеры, Меркурия, Марса и Юпитера, за что он получил Ленинскую премию. Затем космические аппараты «Венера-15» и «Венера-16» при помощи системы радиолокационного зондирования, разработанной в МЭИ, впервые нанесли на карту приполярные области Венеры, отправив пиксели на Землю через всю Солнечную систему. Астероид № 2726 получил имя Котельников за большой вклад нашего героя в космическую программу России.

Избавление от высоких частот

Великая идея Котельникова объясняет, почему пиксели должны располагаться «достаточно близко» друг к другу. Если это правило нарушается, ничего хорошего не выйдет. Вы, наверное, видели результаты: зубчатые края предметов, вращающиеся назад колеса, муаровые узоры на полосатых галстуках или неприятное мерцание фона в видеоиграх. Эти изъяны были настоящим проклятием первых дней Великой цифровой конвергенции. И остаются ими до сих пор. Недавно я смотрел DVD с замечательными фильмами режиссера Микеланджело Антониони «Приключение» и «Ночь». В «Приключении» потрясающее платье в горошек на Монике Витти испорчено из-за неправильно сделанной выборки. Оно неравномерно вспыхивало и гасло, как будто горошинки были маленькими лампочками, которые переключались случайным образом. И почти