Пиксель. История одной точки - Элви Рэй Смит

провозгласил в 1965 году свой знаменитый «закон». Это не просто совпадение. Каждый цветной пиксельный дисплей (а их очень много) — это знамя, которое развевается не только в честь этого события, но и в честь Эпохи 2 компьютерной истории и взрывного роста коэффициента Усиления, которое она нам принесла. Пиксели обрели цвет в психоделических шестидесятых — в том самом 1967 году, в Лето Любви и Human Be-In. Но это уже просто совпадение. Цифровой цвет породила не контркультура. Он произошел из массового стремления добраться до Луны (или убраться с Земли — зависит от того, с какой стороны посмотреть). Я не знал всю историю целиком, пока не приступил к написанию этой главы[38].

Рис. 7.1 Первые цветные пиксели, в 1967 году использовались для визуализации лунного модуля в NASA-2, симуляторе лунного проекта «Аполлон»

В этой и следующей главах я кратко объясню, откуда взялся цвет, затем мы проследим путь от первых окрашенных пикселей до первых цифровых фильмов и попробуем выяснить, как велись их вычисления. Кажется невероятным, но все это появилось из небытия примерно за 35 лет. Здесь вновь проявились закон Мура и Усиление как результат его действия: в десять раз каждые пять лет. За эти годы динамо-машина, приводившая в движение Цифровой Свет, резко увеличила мощность на семь порядков — настоящий взрыв сверхновой звезды, сияние которой наполняет сегодня каждый экран и каждую страницу в этой и следующей главах. Создатели первых цифровых фильмов серфили на этой новой волне, когда она разбивалась о берега нашей цивилизации. Тем не менее первые фильмы — это лишь крошечные разноцветные индикаторы, обозначившие появление колоссальной силы, воздействующей на весь мир.

Биография пикселя начинается с изобретения выборки и заканчивается в следующей главе Великой цифровой конвергенцией. Я намереваюсь охватить Цифровой Свет между двумя конечными точками, но сама природа закона Мура предполагает, что в моей книге недостаточно места для такого взрывоподобно расширяющегося пространства с постоянно растущим числом ответвлений. Исходя из закона Мура, мне придется помещать все больше и больше (экспоненциально больше) технологий на каждую следующую страницу, чтобы главы должны образом отражали действительность.

Чтобы сделать конечное из бесконечного, я решил остановиться на иллюстративной компьютерной графике в качестве показательного примера для всего Цифрового Света. А когда мы перейдем только к ней, показательным примером станет цифровое кино. Подобно тому как иллюстративная компьютерная графика представляет нам гораздо более обширное пространство Цифрового Света, так и цифровое кино представляет все оставшиеся за пределами моей книги виды компьютерной графики, возникшие в результате Великой цифровой конвергенции, включая видеоигры, автоматизированное проектирование, авиасимуляторы, интерфейсы приложений и виртуальную реальность.

Вот как я предлагаю поступить: мы двинемся по экспоненте закона Мура шагами, равными одному порядку, начиная с 1965 года и до Великой цифровой конвергенции в начале нового тысячелетия. Чтобы добраться до представляющего всю компьютерную графику цифрового кино, мы сделаем пять больших шагов. Каждый из них станет подразделом в двух главах биографии цветного пикселя. События в обеих главах разворачиваются с экспоненциальной скоростью. Каждый подраздел я помечу соответствующим коэффициентом закона Мура: 1X, 10X, 100X, 1000X и 10000X. Таким образом, каждый шаг будет напоминать нам о фундаментальном значении инженерного чуда, благодаря которому все это стало возможным.

Закон Мура 1X (1965–1970)

Что такое цветной пиксель?

Из главы «Восход Цифрового Света» мы знаем, что пиксель — это один отсчет из поля зрения. Более того — и это очень важно — это отсчет оцифрованный и представленный в виде битов. Здесь мы говорим о пикселях из полей цветового зрения. Естественно, мы называем их цветными пикселями.

Мы также знаем, что увидеть цветной пиксель невозможно. У него нет формы. Это отсчет поля зрения в одной точке. У него есть лишь координаты на математической сетке местоположений и один-единственный цвет. Чтобы увидеть невидимый пиксель, его необходимо «разбросать» на устройстве отображения и добавить к другим «разбросанным» пикселям. Операции «разбрасывания» и сложения вновь восстанавливают бесконечность цветов исходного поля зрения до дискретной выборки отсчетов. Фактически перед нами еще одна переформулировка великой теоремы отсчетов.

Но как цвет «связан» с пикселем? Каждый элемент дисплея — это часть материи реального мира, испускающая цветной свет. Чтобы дисплей был полезным в современном мире, количество цветов на нем должно достигать нескольких миллионов. Таким образом, необходим элемент управления вводом, чтобы задавать элементу отображения один из многочисленных цветов.

Сам по себе пиксель не содержит цвета. Он содержит элементы управления цветом. Конструкция элемента цветного дисплея варьируется у разных производителей, поэтому рассмотрим типовую. Она состоит из трех расположенных рядом крошечных светоизлучающих частей, каждая из которых дает один из трех основных цветовых компонентов: красный, зеленый или синий (для излучаемого, а не поглощаемого света, как мы уже обсуждали). На расстоянии, с которого мы обычно наблюдаем дисплей, отдельные светящиеся части сливаются для наших глаз в один цвет. Каждому такому элементу цветного дисплея нужны три входных канала управления, по которым подаются, скажем, разные уровни напряжения для изменения интенсивности свечения трех базовых частей. Чем выше напряжение, тем ярче светится первичный компонент.

Наше определение цветного пикселя требует, чтобы он отображался под цифровым управлением. Биты в цветном пикселе управляют тремя цифровыми каналами одного элемента цветного дисплея. Говорить, что пиксель хранит цвет, довольно удобно, поэтому мы тоже будем иногда так делать. Но на самом деле пиксели не хранят цвета — точно так же, как биты на самом деле не содержат 0 и 1. В следующем разделе я буду осторожен и скажу, что пиксель управляет цветом, а не хранит его.

Как считать цвета

Давайте рассмотрим, как считать цвета в цифровом виде. Раньше мы использовали метафору с примитивным двухпозиционным выключателем. У него есть два состояния — включен или выключен. Точно так же и бит представляет 1 или 0 (если мы настаиваем на числах для обозначения состояний). Таким образом, 1-битный пиксель может управлять отображением только двух разных цветов — как правило, черного и белого, но их легко заменить любыми другими, скажем розовато-лиловым и зеленовато-желтым.

У двух выключателей есть уже четыре разных положения: оба включены, оба выключены, один включен, а другой выключен, один выключен, а другой включен. Таким образом, управляемый 2-битным пикселем элемент дисплея отобразит один из четырех возможных цветов. Когда количество битов в пикселе увеличивается на единицу, количество цветов, которыми он управляет, удваивается. У трех выключателей есть восемь возможных положений: все четыре положения