Пиксель

Увеличенный участок растрового изображения.

Реконструкция из множества пиксельных значений, использование точек, линий, сглаживания

Пи́ксель (также известный как пиксел или элиз) — фундаментальный элемент цифрового изображения. Этот термин, происходящий от английского сокращения «picture element», олицетворяет наименьшую логическую единицу в двумерном пространстве растровой графики. В мире дисплейных технологий пиксель выступает в роли физического компонента матрицы, формирующей визуальное представление информации.

Визуально пиксель можно представить как неделимую частицу, обычно квадратной или круглой формы, обладающую уникальным цветовым значением. Интересно отметить, что в некоторых плазменных панелях эти элементы могут принимать восьмиугольную конфигурацию. Растровое изображение на компьютере — это не что иное, как упорядоченный массив пикселей, выстроенных в строки и столбцы, словно миниатюрная мозаика цифрового мира.

Плотность пикселей на единицу площади прямо пропорциональна детализации изображения — чем выше их концентрация, тем богаче и чётче картинка. Однако важно понимать, что изначальная детализация растрового изображения — это своего рода генетический код, заложенный при его создании. Попытка увеличить масштаб приводит к тому, что отдельные пиксели становятся заметными, словно песчинки на гладкой поверхности. Хотя интерполяция позволяет сгладить этот эффект, она не способна повысить исходное разрешение, а лишь создаёт иллюзию плавности переходов.

Каждый пиксель — это микрокосм цветовой информации, характеризующийся не только цветом, но и яркостью, а в некоторых случаях и прозрачностью. Эта информация уникальна для каждого пикселя, хотя существуют системы, где цвет и пиксели представлены как отдельные сущности, например, в легендарной видеосистеме ZX Spectrum.

В контексте устройств вывода графической информации пиксель играет роль наименьшей единицы измерения. Разрешение экрана или принтера определяется количеством пикселей по горизонтали и вертикали. Например, знакомый многим режим VGA оперирует матрицей 640×480 пикселей. На цветных мониторах пиксели формируются из триад — субпикселей красного, зелёного и синего цветов, расположенных в определённой последовательности. Интересно, что в ЭЛТ-мониторах количество триад на пиксель может варьироваться, в то время как в ЖК-дисплеях при корректной настройке на каждый пиксель приходится ровно одна триада, что предотвращает появление муара. В проекторах и принтерах применяется иной подход — наложение цветов, где каждый компонент (RGB или CMYK) полностью заполняет область пикселя.

Этимология

Термин «пиксель» впервые появился в научной литературе в 1965 году благодаря Фредерику Биллингсли, сотруднику лаборатории реактивного движения. Он использовал это слово для обозначения графических компонентов в видеоданных, полученных с космических аппаратов, исследовавших Луну и Марс. Однако авторство термина принадлежит не Биллингсли. Он заимствовал его у Кита Макфарленда из компании Link Division of General Precision в Пало-Алто, который, в свою очередь, утверждал, что слово уже было в обиходе около 1963 года.

Этимология «пикселя» восходит к слиянию «pix» (сокращение от «picture» — изображение) и «element» (элемент). Интересно, что «pix» как аббревиатура слова «pictures» впервые появилось в заголовках журнала Variety ещё в 1932 году, изначально относясь к кинофильмам. К концу 1930-х годов этот термин прочно вошёл в лексикон фотожурналистов, описывающих статичные изображения.

Концепция «элемента изображения» имеет глубокие корни в истории телевидения. Примером может служить немецкий термин «Bildpunkt» (дословно «точка изображения»), упомянутый в патенте Пола Нипкова 1888 года. Альтернативная версия утверждает, что первое официальное упоминание термина «элемент изображения» произошло в журнале Wireless World в 1927 году, хотя есть свидетельства его использования в американских патентах начиная с 1911 года.

С 1972 года некоторые исследователи стали интерпретировать «пиксель» как «picture cell» (ячейка изображения). В сфере компьютерной графики и обработки изображений часто применяется сокращение «pel». Этот вариант, например, использовала компания IBM в технической документации для своего первого персонального компьютера.

Варианты произношения и написания

В лингвистическом сообществе не существует единого мнения относительно правильности употребления форм «пиксел» и «пиксель». Авторитетный «Русский орфографический словарь РАН» предлагает интересную дифференциацию: форма «пиксел» классифицируется как общеупотребительная, тогда как «пиксель» относится к сфере разговорной профессиональной или смешанной разговорно-профессиональной лексики. В словаре отсутствует чёткая дефиниция понятия «разг. проф. речи», хотя отдельно расшифровываются термины «разг.» (разговорное) и «проф.» (профессиональное). Даже справочная служба портала Грамота.ру не даёт однозначной интерпретации этого сложного определения.

В противовес этому действующий ГОСТ 27459-87 занимает более категоричную позицию. Согласно этому стандарту в области компьютерной графики допустимо использование исключительно формы «пиксель». Более того, данная норма распространяется на всю документацию и литературу, связанную со сферой стандартизации или использующую её результаты. ГОСТ 27459-87 предлагает следующее определение термина «пиксель»: «минимальный элемент поверхности визуализации, которому можно автономно присвоить цвет, интенсивность и прочие характеристики изображения».

Таким образом, мы наблюдаем интересное расхождение между лингвистическим подходом, допускающим вариативность, и техническим стандартом, настаивающим на единообразии употребления термина в профессиональной среде.

Разрешение компьютерных мониторов

Матрица ЖК-монитора

В современных компьютерных системах визуальное отображение информации осуществляется посредством мозаики пикселей, формирующих изображение на экране монитора. Это изображение зачастую представляет собой графический интерфейс пользователя — своеобразное цифровое окно в мир компьютерных операций. Качество и детализация этого «окна» определяется разрешением дисплея — параметром, зависящим от технических характеристик монитора и возможностей видеокарты.

Жидкокристаллические (ЖК) мониторы обладают уникальной особенностью — встроенным в их конструкцию «родным» разрешением. Это разрешение определяется количеством триад, каждая из которых состоит из трёх светоизлучающих элементов: красного, зелёного и синего. Эти триады, словно микроскопические витражи, составляют основу каждого пикселя цветного ЖК-дисплея.

В мире электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) ситуация несколько иная. Некоторые ЭЛТ-мониторы имеют фиксированное число строк развёртки электронного луча и модуляции его яркости, что позволяет говорить о наличии «родного» разрешения. Однако большинство ЭЛТ-мониторов не ограничены жёстко заданным числом строк развёртки. Вместо этого они поддерживают целый спектр разрешений, обеспечиваемых как самим монитором, так и управляющей видеокартой.

Для пользователей ЖК-дисплеев стремление к максимальной чёткости изображения является приоритетным. Достижение этой цели возможно путём настройки разрешения дисплея компьютера в соответствии с «родным» разрешением монитора. Это позволяет полностью раскрыть потенциал устройства, обеспечивая оптимальное качество визуального представления информации.

Разрешение телескопов

В астрономических исследованиях важную роль играет понятие пиксельного масштаба. Этот параметр определяет угловое расстояние между небесными объектами, проекции которых занимают смежные пиксели на светочувствительной матрице телескопа, будь то ПЗС-матрица или инфракрасный детектор.

Математически пиксельный масштаб s (в радианах) выражается как отношение межпиксельного расстояния p к фокусному расстоянию телескопа f: s = p / f. Здесь следует отметить, что фокусное расстояние — это результат умножения относительного отверстия оптической системы на диаметр её входного зрачка.

В практических расчётах часто используется модифицированная формула: s ≈ 206 p / f, где s измеряется в угловых секундах на пиксель. Эта трансформация обусловлена тем, что фокусные расстояния оптических элементов обычно указываются в миллиметрах, а размеры пикселей — в микрометрах, что вводит дополнительный множитель 1000. Кроме того, один радиан эквивалентен примерно 206 265 угловым секундам ((180/π) × 3600).

Для иллюстрации: если расстояние между центрами пикселей фотоприёмника составляет 6 мкм, а фокусное расстояние телескопа равно 2000 мм, то пиксельный масштаб будет приблизительно равен 0,62 угловых секунд на пиксель (s ≈ 206 × 6 / 2000 ≈ 0,62 [′′/пкс]).

Такой подход позволяет астрономам точно оценивать угловые размеры наблюдаемых объектов и явлений, трансформируя цифровые данные в астрономические величины.

Субпиксели

Pixel art

В современных технологиях визуализации существует интересный феномен: большинство дисплейных систем и устройств обработки изображений не способны воспроизводить или фиксировать различные цветовые компоненты в единой пространственной точке. Это техническое ограничение привело к разработке инновационного подхода, при котором пиксельная структура разбивается на монохромные зоны. Такое распределение позволяет создавать иллюзию полноцветного изображения при наблюдении с определённой дистанции.

В контексте LCD-, LED- и плазменных дисплеев эти монохромные зоны представляют собой самостоятельно адресуемые элементы, известные как субпиксели. Характерной особенностью ЖК-дисплеев является горизонтальное разделение каждого пикселя на три субпикселя. Интересно отметить, что при делении квадратного пикселя на три части, каждый субпиксель неизбежно приобретает прямоугольную форму.

В профессиональной терминологии индустрии дисплеев существует своеобразный лингвистический парадокс: субпиксели часто именуются пикселями. Это объясняется тем, что они выступают в роли базовых адресуемых элементов в структуре видимых аппаратных компонентов. Как следствие, в технической документации и схемах чаще употребляется термин «пиксельные», нежели «субпиксельные» конфигурации.

Такой подход к организации цветовоспроизведения позволяет достичь высокого качества изображения при оптимальном использовании технических ресурсов дисплейных устройств.

Мегапиксель

В мире цифровой визуализации термин «мегапиксель» (Mpx или Мпкс) играет ключевую роль, обозначая совокупность из миллиона пикселей. Эта единица измерения находит применение не только для характеристики разрешения изображений, но также для описания потенциала сенсоров цифровых камер и возможностей дисплейных устройств.

Рассмотрим конкретный пример: фотоаппарат, создающий снимки размером 2048×1536 пикселей, что эквивалентно 3 145 728 пикселям в готовом изображении. Однако фактическая матрица такого устройства обычно содержит дополнительные ряды и колонки светочувствительных элементов. В результате производители могут заявлять о «3,2 мегапикселях» или даже «3,4 мегапикселях», в зависимости от того, учитывается ли только «эффективное» количество пикселей или их «общее» число.

В системе измерений цифровых изображений существуют и другие единицы. «Килопиксель» (kpx или кпкс) представляет собой тысячу пикселей, в то время как «гигапиксель» (Gpx или Гпкс) охватывает внушительный массив из миллиона мегапикселей. Интересно отметить, что другие кратные и дольные префиксы Международной системы единиц (СИ) не нашли применения в сочетании с термином «пиксель», что подчеркивает уникальность данной области измерений в цифровой индустрии.