Пиксель. История одной точки

Элви Рэй Смит

Alvy Ray Smith

A Biography of the Pixel

© 2021 by Alvy Ray Smith, Massachusetts Institute of Technology

© А. Снигиров, перевод, 2023

© ООО «Индивидуум Принт», 2023

Посвящается

Элисон, моей любимой жене,

Сэму и Джесси, моим дорогим сыновьям, и Лео, Атти, Джорджи, Оги и Эвелин, моим обожаемым и разрушительным внукам

Начало: сигнальное событие

Не делай себе кумира и никакого изображения того, что на небе вверху, и что на земле внизу, и что в воде ниже земли.

– Исход 20:4

В начале – конечно, задолго до библейского табу – было наскальное изображение. В мерцающем свете пламени казалось, что оно двигалось. Изображение на стене пещеры Альтамира в Испании – это одновременно и шагающий кабан, и камень, на котором его нацарапал древний художник, и использованные им уголь и охра. В течение примерно 20 тысячелетий в мире не было другого места, где удалось бы посмотреть на этого добиблейского борова. Только в пещере Альтамира, в мерцающем свете костра, на экране кинотеатра эпохи палеолита, можно было увидеть, как двигаются его ноги и покачивается голова.

Рис. 0.1 Шагающий кабан. Альтамира, ок. 20 000 г. до н. э.

Да что там палеолит – всего два столетия назад, в 1800 году, и картина «Бонапарт на перевале Сен-Бернар», и холст, на котором Жак-Луи Давид написал ее, и масляные краски, которые он использовал, составляли единое целое. Представьте, что вы, находясь в Европе, захотели бы поделиться с друзьями из Нью-Йорка этим восхитительным агиографическим изображением Наполеона. Еще нет ни сотовых телефонов, ни видеокамер, не изобрели даже фотографию. Единственный способ показать его там – привезти саму картину, если вы, конечно, отважитесь на такое. Эстамп, офорт или набросок могли бы познакомить жителей Нью-Йорка с этой замечательной картиной, но любая копия, хорошая или плохая, – это уже новое изображение, неспособное всецело и точно передать оригинал.

Все это время картина и средства ее создания оставались едины. Никто даже и не задумывался о возможности разделить их. Да и чем могло бы быть изображение без носителя?

Затем, в начале XIX века, изобретение фотографии положило начало миру, в котором есть то, что мы сейчас называем «медиа», – средства передачи информации. Настала эра, когда оказалось возможным точное воспроизведение. В конце XIX века появился кинематограф, а в начале XX – телевидение. Все медиа тогда были аналоговыми, сообщения передавались пропорционально и непрерывно. Появившаяся возможность переносить изображение с одного носителя на другой намекала, что в изображении есть нечто, существующее отдельно от носителя.

Понятие «цифрового» кодирования информации – дискретного и прерывистого – практически не рассматривалось по крайней мере до 1933 года. К середине 1950-х существовало лишь несколько цифровых изображений. Немногочисленные осведомленные о них специалисты считали, что такие легкомысленные эксперименты с картинками отвлекают внимание от серьезных проектов цифровых компьютеров. Все остальные изображения в мире создавались и воспроизводились исключительно аналоговыми средствами: маслом на холсте, типографской краской на бумаге, эмульсией на фотопленке и некоторыми другими.

На стыке тысячелетий, к 2000 году, произошло неожиданное событие – Великая цифровая конвергенция. Единый новый цифровой носитель – всемогущий бит – вытеснил почти всех аналоговых конкурентов. Бит стал универсальным носителем информации, а особая упаковка из битов – пиксель – покорила мир. Стало возможным, так сказать, отделить картину от холста. В результате большинство изображений в мире теперь существуют в цифровом виде. Аналоговые изображения практически исчезли, повсеместно вытесненные цифровыми. Возможно, лишь музеи и детские сады – те редкие места, где есть вероятность найти аналоговые изображения.

Моя книга расскажет об этом революционном событии тысячелетия, восславив Цифровой Свет – обширное царство, включающее в себя любое изображение, созданное из пикселей. Оно простирается от паркоматов до виртуальной реальности, от приборных панелей до цифрового кино и телевидения, от аппаратов МРТ до видеоигр, дисплеев мобильных телефонов и многого, многого другого – всего, что использует пиксели.

Самое удивительное в новом носителе – это его невидимость. Невидимы биты и состоящие из них пиксели. Не следует путать, как это часто бывает, пиксели, о которых я говорю, с теми маленькими светящимися областями на экране, которые называются элементами отображения. Техническая суть моей книги – объяснить, как делаются видимыми изображения, состоящие из невидимого материала, как цифровые пиксели преобразуются в аналоговые элементы отображения.

Великая цифровая конвергенция пришлась на границу тысячелетий по чистой случайности, но довольно удачно. Первый цифровой фильм «История игрушек» студия Pixar выпустила в 1995 году. В 1998 году впервые передан цифровой телевизионный сигнал высокой четкости (HDTV). Цифровая видеокамера, способная по качеству съемки составить конкуренцию традиционному пленочному оборудованию, потрясла рынок в 1999-м. Цифровой диск для записи видео, получивший название DVD, дебютировал в 2000 году. Apple представила прорывной смартфон iPhone в 2007 году. То, что раньше было книгами, фотографиями, кино и телевидением, превратилось – в мгновение ока, по меркам истории – просто в последовательности битов. Изменения произошли настолько быстро, что уже выросло молодое поколение, которое, возможно, не сталкивалось с нецифровыми медиа нигде, кроме последних аналоговых оплотов – дошкольных учреждений и музеев изобразительных искусств.

Все мы теперь плывем по цифровому океану пикселей. Я ношу с собой миллиарды их и подозреваю, что вы тоже. Однако странно, что на это глобальное изменение в нашем повседневном опыте до сих пор не обращали серьезного внимания. Возможно, большинство людей еще не осознали, что Цифровой Свет – это единая унифицированная технология. И это новая идея. Прояснить ее – главная цель моей книги.

Всего три идеи – волновые колебания, машинные вычисления и пиксели – лежат в основе всей кажущейся сложности Цифрового Света. Каждая из них интуитивно проста, глубока и красива. Это краеугольные камни нашего современного мира, и, чтобы разобраться в них, не нужна математика. Первые три главы этой книги будут посвящены этим фундаментальным идеям и увлекательным историям о людях, которые сделали возможным их практическое применение.

Идея волновых колебаний – аналоговая. Вы, наверное, знаете, что музыка состоит из одновременных звуковых волн разной частоты (высота тона) и амплитуды (громкость). Два столетия назад французский математик Жозеф Фурье распространил это понятие на весь наш чувственный опыт. Все, что мы видим и слышим, – это сумма волн разной частоты и амплитуды. Всё – музыка. В этой книге я покажу вам, как увидеть музыку в изображении.

Компьютеры – идея цифровая. Машины, ускоряющие вычисления, – пример проникновения цифровых технологий в повседневную жизнь. Но сама идея вычислительных машин возникла только в 1936 году, когда англичанин Алан Тьюринг придумал их, чтобы продемонстрировать возможность аккуратного исполнения систематических процессов. Это может показаться непонятным и скучным человеку, но достаточно взглянуть на последствия, чтобы убедиться в обратном. Компьютер стал самым гибким и универсальным инструментом человека. А потрясающая скорость, с которой он производит вычисления, – величайшее инженерное чудо всех времен. Скорость работы компьютеров невообразимо и многократно усиливает возможности нас, ничтожных людишек.

Но вся ошеломляющая, изменившая наш мир мощь компьютеров на самом деле сводится к аккуратному переключению между двумя состояниями, часто называемыми 0 и 1. Все их вычисления – это биты. Это может показаться тривиальным, но я надеюсь вдохновить вас неожиданной красотой и загадочностью компьютерных вычислений. Опять же, никакой математики нам не потребуется.

И наконец, самая важная, но наименее известная из этих трех фундаментальных идей, лежащих в основе моей книги: вы можете легко преобразовывать колебания в биты и наоборот, перемещаться между аналоговым и цифровым мирами. Сама идея восходит к 1933 году, когда советский математик Владимир Котельников сформулировал ее в том виде, в каком мы ее знаем сегодня. Ее официальное название – теорема отсчетов или теорема выборки. Вся эта книга – биография пикселя, а пиксель – наше название единичного отсчета, выбранной точки визуального мира. Так что эта книга – о выборке. Пиксели – это невидимые биты, которые воплощаются в видимые световые колебания. Я загорелся желанием написать эту книгу, чтобы вы осознали, какое в них скрыто волшебство, и удивились, как оно работает. Обещаю, никакой математики здесь тоже не потребуется.