Развитие пикселя

Пиксель или же picture element  — это наименьший компонент электронного или цифрового изображения. При слове «пиксель» многие из нас представляют маленькие цветные квадратики, которые в соединении друг с другом образуют какое-либо изображение. Но это понимание ошибочно, поскольку пиксели являют собой бесформенные компоненты. Они абстрактны, и у них нет ни длины, ни ширины и ни толщины. А еще это просто число, кодирующее оттенок серого, или три числа с тремя интенсивностями цвета.

Изначально пиксели невозможно увидеть, нам доступен только результат преобразования в аналоговое изображение через так называемые «разбрасыватели». Вся идея пикселя основана на теореме отсчетов Котельникова, объясняющей, как заменить непрерывную визуальную картину конечным числом дискретных битов. В основе же этой теории лежат преобразования Фурье, который рассматривал изображение или звук, как сумму волн.

Такой маленький элемент, невидимый в изначальной форме, способен создать абсолютно любое изображение, что угодно, входящее в Цифровой Свет — единую технологию, окружающую нас повсеместно. Именно они и являются организующим принципом Цифрового Света, помимо еще двух идей — волновых колебаний и машинных вычислений. Уникальность структуры пикселя и способ представления цвета позволяют применять его во всех виртуальных областях. Также одна из его особенностей — невидимость — делает пиксель незаменимым носителем информации.

Важность этой абстрактной величины, лежащей в основе всего электронного и цифрового, без чего нельзя обойтись в современном мире, несомненно привлекает интерес к принципу ее формирования и работы, к тому, как из невидимого элемента получается видимое изображение.

Основный источник визуального исследования — это книга сооснователя студии Pixar Элви Рэя Смита «Пиксель. История одной точки», в которой подробно рассказывается обо всех аспектах в развитии этого компонента, начиная от открытий Фурье во времена Французской революции, заканчивая прогрессом в нейросетях. В качестве материала для исследования я отобрала части, связанные исключительно с прогрессом в визуальной составляющей с 1950-х годов, опираясь также на историю развития компьютеров, поскольку первый пиксель зародился вместе с первым компьютером.

Цель данного визуального исследования показать и проанализировать путь развития пикселя от простых черно-белых изображений, которые были нужны исключительно для демонстрации технических процессов компьютера и простейший первых пиксельных игр до современных мощных графических редакторов и реалистичных видеоигр.

Whirlwind I  был введен в эксплуатацию в 1951 году, как первый цифровой электронный компьютер, выполнявший вычисления параллельно, а не последовательно. Компьютер был разработан Лабораторией сервомеханизмов Массачусетского технологического института для ВМС США. Для определения ячейки памяти, соответствующей точке на дисплее, инженер Боб Эверетт изобрел «световой пистолет», в сентябре 1949 года был добавлен «специальный дисплей» на основе электронно-лучевой трубки — осциллоскоп.

Таким образом, он мог нарисовать точку в любом месте своего двумерного экрана, не соблюдая ограничения растровой сетки. Это устройство могло создавать изображение из невидимого описания и модели, хранящейся в памяти компьютера.

С самого начала появления компьютера вместе с ним всегда шла интерактивность, что подразумевало собой также и видеоигры. Кристофер Стрейчи — британский преподаватель и физик, запрограммировал первую в мире видеоигру для компьютера Ferranti Mark I. Игра была запущена в июле 1952 года и представляла собой реализацию настольной игры в шашки. Программа работала таким образом, что последовательные состояния доски отображались на трубке Уильямса, запоминающего устройства на основе электронно-лучевой трубки. В этот же год Александр Шафто «Сэнди» Дуглас запрограммировал крестики-нолики для EDSAC. Эта игра стала первой игрой, запущенной на компьютере, как отдельная программа.

Spacewar! — двумерная интерактивная игра, созданная на PDP-1  Стивом Расселом в сотрудничестве с Мартином Гретцем, Уэйном Виитаненом, Бобом Сондерсом, Стивом Пайнером и другими в 1962  году. Взаимодействие с ней происходило при помощи джойстиков и кнопок. В игре присутствовала гравитация и кнопка прыжка в гиперпространство. На дисплей выводились медленно вращающееся звездное поле, два ракетных корабля, которые стреляли торпедами, выглядящие как просто точки.

16  декабря 1951 года в телешоу Эдварда Р. Марроу «Смотри сейчас» были показаны две анимации, сделанные на Whirlwind—. Первой была растровая анимация, в которой «разбросанные» пиксели складывались в слова HELLO MR. MURROW. Во второй же анимации, векторной, появлялась движущаяся точка, изображающая ракету, летящую по параболической траектории.

Genesys  — программа, созданная Рональдом Майклом Беккером в 1969  году, суть которой заключается в использовании «волновых форм» для управления движениями анимированного персонажа. Эти формы были обобщены до «p-кривых», которые определяли, как изменяется положение персонажа в пространстве-времени. Таким образом, на дисплее рисовалась кривая, показывающая нужное движение, и уже затем по этому пути происходило движение персонажа.

Создание объектов в компьютерной графике происходит через моделирование с помощью невидимой геометрии в пространстве Творчества, затем основанные на геометрии модели с помощью пикселей в пространстве Отображения визуализируются, тем самым становятся доступными для их просмотра на дисплее.

Как правило, компьютерная графика предполагает геометрию на входе и пиксели на выходе, при обработке изображений же пиксели получаются и на входе, и на выходе. Все это используется для создания изображений, отличие в том, что содержание компьютерной графики основано на геометрии пространства Творчества. А изображение — визуализация геометрических моделей внутри компьютера при помощи пикселей, которые отображаются на дисплее.