Что такое пиксель: разбираемся

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.