Пиксель. История одной точки - Элви Рэй Смит

компьютер позволяет нам, жалким людишкам, иметь дело с величинами такого огромного размера, не думая и даже не зная о них, и так было с самого начала.

Инженерам обеих команд, стоявшим у истоков, пришлось выбрать практичное запоминающее устройство для сохранения всех этих многочисленных состояний. В обоих случаях они остановились на некоем варианте электронной лампы, в основном из-за скорости. Британцы, одержавшие победу в этой игре, выбрали для работы электронно-лучевую трубку. До Великой цифровой конвергенции такие трубки были очень распространены. Но моя книга посвящена Великой цифровой конвергенции, одним из последствий которой стала смерть аналогового телевидения. Ранее без электронно-лучевой трубки, похожей на гигантскую стеклянную бутылку, не обходился ни один телевизор — непременный атрибут каждого дома. Ее широкое и плоское «дно» — это экран. В те далекие времена ее называли кинескопом или — ласково — просто трубкой.

Затем инженеры придумали способ «перемещения» битов по трубке, цифровое использование аналогового устройства. Общеизвестно, что электрический ток — это поток электронов, а металлическая проволока — хороший проводник для него. В каждом доме протянута сеть медных проводов, направляющих электрический ток к розеткам. Менее известно, что электрический ток способен течь и через вакуум — через ничто.

Нечто подобное и происходит в электронно-лучевой трубке. Электронная «пушка» — нагретая проволока — испускает электроны, как бы «выстреливает» ими из тонкого конца трубки в дальний широкий и плоский конец. При попадании воздуха в трубку электроны столкнутся с его молекулами, изменят направление и потеряют энергию. Чтобы этого не избежать, весь воздух из трубки выкачивается, из-за чего она становится… правильно! Вакуумной! Высокое напряжение разгоняет электроны, летящие с одного конца трубки к другому. Мы называем нагретый кусок проволоки катодом, поток электронов, выпущенных из пушки, — катодным лучом, а все устройство в целом — электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ).

Но мы не видим сами электроны. В ЭЛТ должно быть еще что-то, преобразующее электроны в фотоны, в видимый свет. Это покрытие на плоском конце трубки, которое фосфоресцирует — излучает свет — при попадании на него электронов. Покрытие из так называемых люминофоров поглощает энергию электронов и испускает фотоны. Люминофор светится, когда в него попадает луч из электронной пушки. Чем выше энергия катодного луча, тем больше испускается фотонов и тем ярче свечение. Свечение наиболее яркое в центре луча, а по мере удаления от центра плавно затухает. Оно имеет необходимую форму, чтобы представлять собой вполне приличный «разбрасыватель» пикселей.

Причина, по которой ЭЛТ работает как запоминающее устройство, заключается в том, что свечение сохраняется на короткий промежуток времени после того, как катодный луч перестает посылать электроны. В течение этого интервала (допустим, одной пятой секунды) бит, представленный свечением, «запоминается». Его можно использовать до тех пор, пока он не потухнет. Таким образом, методично перерисовывая — освежая — пятно до того, как оно исчезнет (скажем, пять раз в секунду), мы автоматически делаем так, чтобы память хранилась столько, сколько мы пожелаем. Мы, люди, видим только, что точка отображается на экране и остается там. Иногда я говорю, что пятно пишется или рисуется на экране, но и то и другое означает одно и то же: оно отображается на нем.

Но светящееся пятно только в центре экрана — это скучно. Чего нам пока не хватает, так это способа рисования светового пятна в любом месте на экране ЭЛТ. Нам нужно «согнуть» катодный луч так, чтобы электроны попадали на экран в любом месте, где мы хотим получить свечение, а не только в центре. Для Цифрового Света нам нужна возможность рисовать массив отображенных пикселей.

К счастью, важное свойство движущегося электрона — искривление его траектории при прохождении через магнитное поле. Точно так же, как световой луч преломляется, проходя через стеклянную линзу, катодный луч искривляется, проходя между полюсами магнита. Электромагниты, установленные рядом с электронной пушкой в электронно-лучевой трубке, делают свое дело. Один магнит управляет отклонением луча влево-вправо, а другой — вверх-вниз. Комбинации напряжения, поданные на два электромагнита, способны отклонить катодный луч в любом желаемом направлении и сделать это быстро. Вместо магнитных полей часто используются электрические, но их связывает одна и та же идея.

Каллиграфия против растра

С помощью электрического или магнитного механизма наведения можно водить катодным лучом по светящейся поверхности экрана трубки и нарисовать им красивый правильный узор. Электронно-лучевая трубка, использованная в таком режиме каракулей (пишем где угодно и в любом направлении), — это векторный или каллиграфический (от греческого «красивый почерк»), дисплей. Катодный луч рисует S (рис. 4.8, слева) точно так же, как вы пишете на бумаге. Интенсивность луча сохраняется постоянно высокой. Правую букву S (рис. 4.8, справа) он рисует также каллиграфически, располагая импульсы-точки вдоль кривой, но не в регулярно расположенных узлах сетки. Пятна в этом случае не являются отображенными пикселями. Это просто пятна, и они могут иметь различную форму и располагаться на меняющемся расстоянии. Теорема выборки ничего о них не говорит. Именно поэтому векторные дисплеи, несмотря на все изящество их каллиграфии, не дожили до нового тысячелетия.

Другой вид отображения работает следующим образом: катодный луч методично сканирует прямоугольный участок — ряд за рядом слева направо, сверху вниз, как будто обрабатывая поле. Это называется растровым дисплеем, от латинского raster — «грабли». На рисунке 4.9 луч рисует букву S слева в растровом порядке, но плавно зажигаясь и угасая вдоль каждой строки. Старое аналоговое телевидение использовало именно такой метод. Тут опять же нет никаких пикселей, поэтому он тоже не дожил до нового тысячелетия. Зато более успешной оказалась его модификация, в которой луч рисует только в определенных точках — узлах воображаемой сетки вдоль каждой растровой строки. Луч справа на рисунке 4.9 создает букву S из пятен одинаковой формы и с фиксированными положениями на сетке. На самом деле это разбросанные пиксели, как того требует теорема выборки.

Даже во времена раннего Цифрового Света существовали значительные различия между вектором и растром. По иллюстрациям легко понять почему. Векторная картинка соблазнительно изящна. Но, несмотря на ее красоту, она не очень перспективна и ориентирована на будущее. Великая конвергенция всех типов мультимедиа в единую цифровую среду также привела к конвергенции всех типов отображения в такие, которые основаны на пикселях — растровом массиве или сетке. Из рисунка 4.9 (справа) совсем не очевидно, что это должно было сработать, но текст, который вы читаете, подтверждает, что оно прекрасно сработало. Благодаря теореме отсчетов растровые дисплеи с отображенными пикселями смогли воссоздать такую же красоту, как и векторные дисплеи с непрерывными каллиграфическими штрихами.