Пиксель - минимальный элемент цифрового изображения, кирпичик, из которого строится визуальный мир вокруг нас. Давайте разберемся, как родилось это удивительное слово и понятие, и что стоит за мириадами мельчайших точек на наших экранах.
История возникновения пикселя
Первое упоминание термина "пиксель" встречается в 1965 году в работах Фредерика Биллингсли из Лаборатории реактивного движения НАСА. Он использовал его для описания мельчайших элементов изображений с зондов, отправленных к Луне и Марсу. Однако сам Биллингсли не является автором этого слова. Он узнал его от коллеги Кита Макфарленда, который в свою очередь заимствовал уже употреблявшийся термин.
Идея разбиения изображения на отдельные элементы появилась гораздо раньше - еще в XIX веке в работах пионеров телевидения. Например, Поль Нипков в своем патенте 1888 года использовал немецкий аналог термина "пиксель" - Bildpunkt ("точка изображения").
Пиксель представляет собой сочетание pix (от picture - изображение) и element (элемент).
Постепенно с развитием цифровых технологий пиксели из абстрактной идеи превратились в конкретную техническую реализацию. Они неразрывно связаны с появлением дисплеев, сканеров, принтеров и других устройств работы с компьютерной графикой.
Физическая сущность пикселя
Пиксель представляет собой наименьший элемент растрового цифрового изображения. Это абстрактная единица, которая при выводе на физическое устройство отображения (монитор, принтер) занимает часть его поверхности и характеризуется определенным цветом и яркостью.
На современных дисплеях пиксель имеет форму квадрата и располагается в двумерной сетке. Однако в теории его форма может быть любой, в зависимости от типа устройства визуализации.
Каждый отдельный пиксель несет информацию только об одном цвете. Но вместе они формируют полноценное цветное изображение. Например, на ЖК-дисплеях каждый пиксель состоит из трех субпикселей красного, зеленого и синего цвета. Их сочетание придает пикселю нужный оттенок.
Чем выше плотность пикселей (их количество на единицу площади), тем выше детализация и резкость изображения. При недостаточной плотности пиксели становятся различимы невооруженным глазом, и картинка выглядит "пикселизованной".
Принцип формирования изображения
Как же из отдельных пикселей складывается единое изображение? Представьте себе мозаику. Она состоит из множества цветных камушков, каждый со своим цветом и формой. Выкладывая их в определенном порядке, можно создавать узоры и картины. Пиксели работают точно так же.
- Каждый пиксель имеет свой цвет.
- Располагая пиксели в двумерной сетке, можно создать изображение.
- Чем меньше один пиксель, тем детальнее получится картинка.
Дополнительные эффекты в изображении создаются за счет варьирования яркости и прозрачности пикселей. А для сглаживания ступенчатости границ применяется anti-aliasing - добавление полупрозрачных пикселей на границы перехода цвета.
Существует и другой подход - векторная графика. В ней изображение кодируется при помощи математических формул, а не растровой сетки пикселей. Но для вывода на экран его тоже нужно преобразовать в пиксели.
Единицы измерения количества пикселей
Для измерения количества пикселей в изображении используются следующие единицы:
- Пиксель - минимальная единица измерения.
- Килопиксель - 1000 пикселей (обозначается как kpx, кпкс).
- Мегапиксель - 1000000 пикселей (обозначается как Mpx, Мпкс).
- Гигапиксель - 1000000000 пикселей (обозначается как Gpx, Гпкс).
Чем больше пикселей содержит изображение, тем выше его разрешающая способность и информационная емкость. Но для хранения требуется и больший объем памяти.
Например, современные цифровые камеры часто характеризуются разрешением в десятки мегапикселей. А изображения от мощных телескопов - в гигапикселях.
Пиксельный масштаб в астрономии
В астрономии пиксель используется для измерения угловых расстояний на снимках звездного неба. Пиксельный масштаб показывает угловое расстояние между объектами, которые попадают на соседние пиксели детектора телескопа.
Чем выше разрешение изображения в пикселях, тем точнее можно измерять маленькие угловые расстояния при наблюдении космоса.
Медицинские изображения
В медицинской визуализации для диагностики используются изображения с максимально высоким разрешением в десятки и сотни мегапикселей. Компьютерная и магнитно-резонансная томография позволяют "заглянуть" внутрь органов и тканей, различая детали до 0,5 мм.
Без высокого разрешения и четкости пиксельного изображения многие медицинские технологии были бы невозможны.
Верстка сайтов
Веб-дизайнеры оперируют пикселями ежедневно. Размеры блоков, шрифтов, изображений на сайте задаются в пикселях. Именно они определяют внешний вид страницы.
При создании адаптивного дизайна используются относительные единицы, такие как проценты или EM. Но в конечном счете браузер все равно конвертирует их в пиксели при отрисовке страницы.
Пиксельная графика в играх
Винтажные видеоигры, такие как Mario или Zelda, использовали простую пиксельную графику. Сетка в несколько десятков пикселей в ширину и высоту для героя. И несколько сотен - для всего экрана.
Современные игры требуют графической мощности в миллионы пикселей. Но их очарование во многом заключалось в примитивизме пиксельного искусства.
Такие ограничения заставляли разработчиков проявлять креативность и добиваться максимума скромными средствами. Сегодня пиксельная эстетика переживает новый расцвет в инди-играх.
Сжатие изображений
Для хранения и передачи цифровых изображений требуются большие объемы данных. В среднем фотография в 10 мегапикселей занимает около 30 мегабайт. Поэтому для оптимизации используются различные алгоритмы сжатия.
Форматы файлов изображений
Наиболее распространенные графические форматы - JPEG, PNG, GIF - используют сжатие с потерями. Часть информации о пикселях при этом теряется без существенного ухудшения визуального качества.
Форматы TIFF, RAW хранят изображение без потерь, со всеми исходными данными о каждом пикселе. Но занимают значительно больше места.
Оптимизация графики для веб
Для веб-страниц важна скорость загрузки. Поэтому изображения оптимизируют:
- Сжатие в формат JPG с настройкой баланса качества.
- Уменьшение размеров и разрешения, если позволяет сюжет.
- Обрезка лишних областей по краям.
Таким образом достигается компромисс между размером файла и визуальным качеством изображения.
Аналитика на основе пикселя
Установив пиксель счетчика, можно собирать различную статистику о поведении посетителей на сайте:
- Сколько пользователей переходит на сайт.
- С каких страниц уходят посетители.
- Какие действия совершают на сайте.
Эти данные помогают анализировать эффективность сайта и рекламных кампаний.
Новые дисплеи
Совершенствуются технологии создания дисплеев с более высокой плотностью пикселей на дюйм и большей цветовой гаммой. Скоро 4K или 8K разрешение станет нормой.
3D пиксели
Развиваются объемные 3D дисплеи на основе вокселей - трехмерных вокселей. Они открывают новые возможности виртуальной и дополненной реальности.
