Пиксель. История одной точки

До сих пор я говорил, что пиксели могут представлять любой уровень яркости. Но точка на аналоговой кривой — это аналоговое значение, то есть на самом деле она может иметь любое бесконечное число значений амплитуды между максимальной и минимальной. Строго говоря, аналоговое значение яркости изображения для определенного отсчета — это еще не пиксель. Оно станет пикселем, когда преобразуется в биты, и лишь тогда можно будет провести обратную операцию по разбрасыванию, превратив его в свечение, которое вы видите на дисплее. Цифровой отсчет, такой как пиксель, может принимать только определенные дискретные значения, и их конечное число.

Хотя компьютерами мы плотно займемся в следующих главах, немного «компьютерного языка» понадобится нам уже сейчас. Известно, что бит может принимать два значения, обычно называемые 1 и 0. Думайте о бите как о выключателе света. Он имеет два положения — включено и выключено. Теперь рассмотрим два выключателя. В каких положениях они могут быть? Оба включены; оба выключены; первый включен, а второй выключен; первый выключен, а второй включен. Итак, ответ — четыре. Другими словами, два бита (выключателя) могут иметь четыре значения, а три — уже восемь. Как мы уже отметили, третий выключатель может быть включен или выключен, а два других могут находиться в четырех разных положениях. Дважды четыре — восемь. В целом, по мере добавления выключателей количество различных положений каждый раз удваивается. Чтобы избавить вас от математических хлопот, я просто скажу, что 8 битов (выключателей) могут иметь 256 значений (положений), 10 битов — 1024 значения, а 16 битов — 65 536 значений.

В первые десятилетия компьютерной графики было принято ограничивать пиксель черно-белого изображения восемью битами. Это означало, что он мог представлять только один из 256 оттенков серого. Например, значения 0 и 255 дают черный и белый цвета соответственно, а между ними распределяются 254 других оттенка. Но фактическое значение на аналоговой кривой может оказаться, например, 49,673. Что тогда делать? Что ж, пиксель для этой точки получит ближайшее доступное значение серого — 50, что внесет небольшую ошибку в изображение, когда оно позже появится на дисплее. Насколько критична крошечная ошибка при округлении яркости? Достаточно ли 50 близко к 49,673, чтобы округление не имело значения? Что такое «достаточно близко» для яркости пикселей?

Вот пример, когда нам действительно нужно различать «достаточно близкие» значения. Врачи, особенно радиологи, «читают» изображения на дисплеях, полученные при помощи компьютерной и магнитно-резонансной томографии, и ставят диагноз, исходя из увиденного. Производители дисплеев для медицинских работников изучили восприятие черно-белого изображения. В итоге выяснилось, что обычный человек различает на дисплее до 630 оттенков серого. Итак, из этого можно сделать два вывода. Во-первых, старый 8-битный пиксель с 256 возможными значениями не так уж хорош. А во-вторых, 10-битного пикселя с тысячью с хвостиком возможных значений более чем достаточно. Человеческий глаз не увидит ошибку, возникающую при округлении до ближайшего значения, среди тысячи с лишним вариантов. В современных цифровых изображениях для хранения одного цвета используется 16 бит, что дает более 65 000 оттенков серого. Этого более чем достаточно, чтобы на любом дисплее обмануть мозг любого человека. То же самое касается и 16-битных сокселей при воспроизведении звука.

Вы наверняка слышали утверждения аудиофилов, что виниловые пластинки лучше компакт-дисков? В мире визуального искусства принято утверждать, что цифровая фотография никогда не сравнится по диапазону передаваемых оттенков с пленочной. Такие бурные споры совсем не редкость. Но есть ли в них зерно истины? Ну конечно же! Есть несколько причин, по которым цифровая выборка может быть сделана неправильно: недостаточное количество значений на пиксель или соксель, слишком грубый или ошибочный разбрасыватель, недостаточно высокая частота выборки. Многие приверженцы аналогового звука или изображения считают, что цифровым технологиям присущ некий изначальный дефект, хотя проблема заключается просто в неудачной реализации. Теоретически ничто не мешает какому-нибудь инженеру изобрести компакт-диск, звучащий в точности как виниловая пластинка. Точно так же вполне реально сделать отпечаток с цифрового изображения, ни в чем не уступающий пленочной фотографии. Однако в обоих случаях добиться нужного результата будет непросто. Теорию нужно воплощать как можно ближе к идеалу, и это вполне возможно.