Что такое пиксель?

В наш век цифровых медиа мы часто воспринимаем скромный пиксель как должное. Но что такое пиксель и как он стал такой важной частью нашей жизни? Мы объясним.

Пиксель — это элемент изображения

Если вы пользовались компьютером, смартфоном или планшетом, вы видели пиксель или даже миллионы пикселей. Вероятность того, что вы сейчас читаете это предложение благодаря пикселям, очень высока. Они формируют слова и изображения на экране вашего устройства.

Слово «пиксель» возникло как аббревиатура термина «элемент изображения», придуманного учеными-компьютерщиками в 1960-х годах. Пиксель — это наименьший возможный компонент любого электронного или цифрового изображения, независимо от разрешения. В современных компьютерах они обычно квадратные, но не всегда, в зависимости от соотношения сторон устройства отображения.

Заслуга изобретения пикселя обычно принадлежит Расселу Киршу, который изобрел методы цифрового сканирования в 1957 году. При разработке своего сканера Кирш решил преобразовать области света и тени на фотографии в сетку из черных и белых квадратов. Технически пиксели Кирша могли иметь любую форму, но квадратные точки в двумерной сетке представляли собой самое дешевое и простое техническое решение в то время. Последующие пионеры компьютерной графики основывались на работах Кирша, и условность прижилась.

С тех пор некоторые пионеры графики, такие как Элви Рэй Смит, выразили мысль о том, что пиксель на самом деле не является квадратом — он более абстрактен и подвижен, чем с концептуальной и математической точек зрения. И он правильный. Но для большинства людей в большинстве современных приложений пиксель в основном представляет собой цветной цифровой квадрат, используемый для построения большего изображения, похожего на плитку в мозаике или стежок в вышивании.

За десятилетия, прошедшие с 1960-х годов, пиксели стали стержнем цифрового домена, отображая визуальные элементы текстовых процессоров, веб-сайтов, видеоигр, телевидения высокой четкости, социальных сетей, виртуальной реальности и многого другого. С нашей нынешней зависимостью от компьютеризированных технологий трудно представить жизнь без них. Пиксели так же важны для компьютерной графики, как атомы для материи.

Растр против векторной графики

Пиксели не всегда были единственным способом создания цифрового искусства. Некоторые пионеры компьютерной графики 1960-х годов, такие как Иван Сазерленд, в основном работали с каллиграфическими дисплеями (сегодня их часто называют «векторными дисплеями»), которые представляли компьютерную графику в виде математических линий на аналоговом экране, а не в виде дискретных точек в сетке, такой как растровое изображение. Чтобы его зафиксировать, мы спросили Сазерленда о значении пикселя.

«Пиксель — это элемент изображения, — говорит Сазерленд, которому сейчас 84 года, и он был одним из пионеров цифрового искусства и виртуальной реальности. «Вы можете сделать так, чтобы это означало что угодно. В растровом отображении, управляемом из цифровой памяти, это содержимое одной ячейки памяти. В каллиграфическом дисплее это обычно означает разрешение используемых цифро-аналоговых преобразователей».

Сегодня почти все используют растровую графику с пикселями на сетке, но векторное искусство, подобное тому, которое впервые создал Сазерленд, живет математически в форматах файлов, таких как SVG, которые сохраняют цифровые изображения в виде математических линий и кривых, которые можно масштабировать до любого размера. Чтобы отобразить векторную графику на растровом экране, в какой-то момент математические формулы необходимо преобразовать в дискретные пиксели. Чем выше плотность пикселей и чем больше дисплей, тем более плавными выглядят линии, когда вы отображаете их в виде пикселей на сетке.

Как измерить пиксели

Пиксели — это текучие вещи. Они могут быть любого размера на странице или на экране, но важно помнить, что сами по себе пиксели почти ничего не значат. Вместо этого они набирают силу в количестве. Представьте себе один квадратный пиксель, и вы поймете, что с его помощью нельзя нарисовать много изображений.

Таким образом, одним из наиболее важных измерений пикселей является их количество в изображении, которое называется «разрешение». Чем выше разрешение сетки пикселей, тем больше деталей изображения вы можете изобразить или «разрешить», когда человек смотрит на него.

Когда цифровое изображение имеет недостаточно высокое разрешение, чтобы разглядеть детали изображения, которое вы пытаетесь захватить, изображения могут выглядеть «пиксельными» или «зубчатыми». Это называется алиасингом, который является термином теории информации, означающим потерю информации из-за низкой частоты дискретизации (в данном случае каждый пиксель является «выборкой» изображения). Посмотрите на изображение Марио выше. При таком низком разрешении (частоте дискретизации) недостаточно разрешения, чтобы изобразить текстуру ткани одежды Марио или пряди волос Марио. Если бы вы хотели изобразить эти особенности, детали были бы потеряны при таком низком разрешении. Это псевдоним.

Чтобы уменьшить эффект алиасинга, ученые-компьютерщики изобрели методы, называемые сглаживанием, которые в некоторых случаях могут уменьшить эффект алиасинга путем смешивания цветов соседних пикселей для создания иллюзии плавных кривых, переходов и линий.

Для хранения каждого пикселя требуется память, и на заре видеоигр, когда компьютерная память была дорогой, игровые приставки не могли хранить очень много пикселей одновременно. Именно поэтому старые игры выглядят более пикселизированными, чем сегодня. Тот же принцип применим к цифровым изображениям и видео на компьютерах, при этом разрешение изображения неуклонно растет с течением времени, поскольку цена памяти (и цена чипов для обработки видео) резко падает.

Сегодня мы живем в цифровом мире, насыщенном пикселями. Поскольку разрешение растровых изображений постоянно растет в мониторах и телевизорах (8K, кто-нибудь?), похоже, что мы будем использовать пиксели в течение многих десятилетий. Они являются важными строительными блоками нашего цифрового века.