Пиксель. История одной точки - Элви Рэй Смит

Согласно нашему определению, произвольно набранный текст не относится к цифровым изображениям, потому что не предполагает намерения создать связную двумерную картинку. Но как насчет случаев, когда буквы умышленно расположены в виде двумерной матрицы так, чтобы с некоторого расстояния псевдотекст воспринимался как картинка? На рисунке 4.25 показаны два примера такого творчества: Мадонна с младенцем и портрет Дага Хаммаршёльда, ставшего в 1953 году генеральным секретарем ООН и самым молодым человеком, занимавшим эту должность. Чтобы облегчить выполнение задачи, некоторые символы напечатаны поверх других.

Вопрос в следующем: если уникальный сигнал представляет собой цифровые биты, то можем ли мы интерпретировать его как пиксель, а напечатанные буквы — как элемент отображения для этого пикселя? Вопрос отнюдь не праздный, потому что цифровые сигналы появились в 1874 году, когда Эмиль Бодо разработал «пятиэлементную» систему кодирования символов, которую мы сегодня назвали бы пятибитной. Оба изображения, приведенные выше, вероятно, передавались в кодировке Бодо. Здесь глиф выступает в качестве элемента отображения, а его оттенок серого (включая элементы, образованные путем наложения буквенных символов) приблизительно соответствует отношению площади черных чернил и белой бумаги в прямоугольной области, занятой глифом.

С тех пор сотни, а то и тысячи таких изображений (в большинстве своем — картинки с обнаженными женщинами) были созданы и разосланы — сначала по телеграфу в ночные смены, а затем с помощью радиолюбительских передатчиков. Операторы-любители собирали схемы управления телетайпом с помощью принятых сигналов, печатали изображение и одновременно перфорировали бумажную ленту. Бумажная лента — это запоминающее устройство телетайпа, с нее можно было сделать несколько копий, чтоб отправить друзьям, скажем, в качестве поздравления с Рождеством. Таким образом, телетайп как способ создания цифровых изображений получил широкое распространение до появления компьютеров в 1948 году и в течение еще более десяти лет после, пока компьютеры оставались редкими и дорогими. Примеры таких изображений приведены выше. Мадонна с младенцем датируется 1947 годом, а портрет Хаммаршёльда — 1962-м.

Эпоха телетайпного искусства застала рождение компьютеров и легко адаптировалась к изменившемуся миру. Появились новые коды, заменившие систему Бодо. С их помощью компьютеры взаимодействовали с печатающими терминалами, такими как телетайпы. История подобных пересечений заставляет нас задуматься над понятием Цифрового Света. Возникает вопрос: не требуется ли расширить определение и стоит ли считать телетайпные коды первыми пикселями еще до появления компьютеров?

Не совсем. Из-за «наивного» использования теоремы отсчетов и грубого восстановления мы можем считать их лишь ранними предшественниками пикселей Цифрового Света. Но поскольку система их хранения представляла собой бумажную ленту, а не электронную память, они не подходят под наше определение Цифрового Света. Чтобы сделать систему определений в этой книге непротиворечивой, мы будем настаивать только на электронной компьютерной памяти.

Рис. 4.25

Первое использование теоремы отсчетов

Использование как наивной выборки, так и векторных каллиграфических мониторов, которые вообще не основывались на выборке, массово продолжалось в 1950-х, 1960-х, 1970-х и даже 1980-х годах. Только в конце 1960-х — начале 1970-х годов, в эпоху Цифрового Света, мы встречаем первые намеки на применение теоремы выборки к вычислению пикселей. Самые ранние попытки связаны с горизонтальным смягчением краев геометрических фигур или глифов, которые использовались для аннотирования изображений. На компьютерном жаргоне это называлось горизонтальным антиалиасингом или горизонтальным сглаживанием.

Если дискретизация выполняется с меньшей частотой, чем требует теорема отсчетов, то пропавшие высокие частоты отражаются на результате в виде появления визуального шума, который называют алиасингом. Сглаживание — это решение возникшей проблемы, способ избавиться от неприятной «ступенчатости», как иногда называют алиасинг. Правильное применение теоремы отсчетов требует значительной вычислительной мощности, поэтому на заре компьютерной эпохи ее реализация возлагалась на специализированное аппаратное обеспечение. Применение теоремы отсчетов программным способом откладывалось до обретения компьютерами большей силы в соответствии с законом Мура.

Первый явный пример полного антиалиасинга геометрической модели — в обоих измерениях, как мы видим на рисунке 4.26, — вероятно, выполнен Ричардом Шаупом из Исследовательского центра Xerox в Пало-Альто в 1973 году (но обратите внимание на замечание в комментариях по поводу возможного предшественника в 1971-м). Ступенчатые линии — вверху, сглаженные — внизу.

Шауп также создал в 1973 году изображение колеса повозки, показанное на рисунке 4.27 (зубчатое — слева, сглаженное — справа). Он явно не использовал теорему Котельникова ни для той, ни для другой картинки, но результаты свидетельствуют, что он прибегнул к какому-то эквивалентному методу. Оба изображения состоят из 8-битных пикселей в градациях серого и имеют устаревшее видеоразрешение (примерно 500 пикселей в ширину каждое).

Первое явное применение теоремы отсчетов для пространственного сглаживания состоялось в Университете штата Юта. Томас Стокхэм, эксперт по цифровому звуку, в 1970-х преподавал теорему отсчетов целому поколению пионеров компьютерной графики. Его ученик Эд Кэтмалл включил сглаженные изображения в свою докторскую диссертацию 1974 года. Другой его студент Фрэнк Кроу донес полученные от Стокхэма сведения до всех, кто занимается компьютерной графикой, в своей докторской диссертации 1976 года и последующих публикациях.

Сколько ни анализируй историю, все равно Цифровой Свет появился одновременно с рождением компьютеров. Первый Свет был зачат вместе с Baby. Первые пиксели — это в прямом смысле биты первой компьютерной памяти. Решающим периодом стал промежуток с 1947 по 1952 год. Возможно, произошел разрыв в один или два года между первыми тестовыми изображениями на трубке памяти Baby и первыми изображениями, которые были намеренно сгенерированы на компьютерах с хранимой программой при помощи программ, а не через прямую запись в память. Тем не менее очевидно, что к 1951 году на компьютерах уже создавались изображения из пикселей, управляемых хранимой в памяти программой. Эти пиксели получены интуитивным путем из геометрических моделей — обычно букв, цифр или других простых форм. Некоторые модели были интерактивными, а некоторые — анимированными. Использование теоремы отсчетов, вероятно, по-настоящему началось лишь с 1970-х годов.

Рис. 4.26

Рис. 4.27

Пиксель полностью объединяет историю Цифрового Света: компьютерную графику, видеоигры, обработку изображений, цифровую фотографию, интерфейсы приложений или операционных систем, цифровое телевидение, анимационные фильмы, виртуальную реальность и так далее. С этой точки зрения использование векторных дисплеев в компьютерной графике на протяжении нескольких десятилетий рассматривается как обходной путь. Значительное увеличение плотности элементов отображения на дисплеях и колоссальное ускорение вычислений, согласно закону Мура, позволило растровым дисплеям победить и вернуть Цифровой Свет к его растровым корням. Сведение всех устройств отображения к единому растровому виду в конечном счете привело к Великой цифровой конвергенции