Пиксель

Пиксель (сокращение от англ. picture element — элемент изображения) — это минимальная неделимая единица цифрового растрового изображения, представляющая собой однородную точку определённого цвета. Пиксели являются строительными блоками, из которых формируется всё цифровое визуальное содержимое, от фотографий и видео до интерфейсов программ и компьютерных игр. Каждый пиксель характеризуется координатами в сетке изображения и цветовым значением, которое кодируется в определённой цветовой модели (например, RGB, CMYK). Совокупность пикселей, расположенных в двумерной матрице, образует растровое изображение, где количество пикселей по горизонтали и вертикали определяет его разрешение.

История

Происхождение термина

Термин «пиксель» впервые был использован в 1965 году американским инженером Фредериком К. Биллингсли из Лаборатории реактивного движения НАСА для описания элементов изображения, передаваемых с космических аппаратов «Рейнджер» и «Маринер». До этого использовались термины «точка» или «элемент изображения». В русскоязычной научно-технической литературе термин «пиксель» начал активно применяться с 1970-х годов, хотя в некоторых контекстах использовались кальки «пиксел» или «элемент разложения».

Развитие технологии

Первые цифровые изображения имели крайне низкое разрешение. В 1950-х годах изображения, получаемые с первых сканеров, состояли из нескольких тысяч пикселей. Появление в 1970-х годах первых растровых графических дисплеев (например, в компьютере Xerox Alto) закрепило пиксель как основную единицу отображения. С развитием полупроводниковой техники и увеличением плотности пикселей на дюйм (PPI) стало возможным создание фотореалистичных изображений. Важным этапом стало внедрение в 1980-х годах формата GIF, который использовал ограниченную палитру цветов (до 256), и формата JPEG в 1990-х, позволившего сжимать изображения с миллионами цветов.

Классификация и виды пикселей

По типу формирования цвета

• Аддитивные пиксели (RGB): Используются в светоизлучающих устройствах (мониторы, телевизоры, смартфоны). Цвет формируется путём смешивания красного (R), зелёного (G) и синего (B) света. Каждый субпиксель (физическая часть пикселя, отвечающая за один из цветов) может иметь разную яркость, что в сумме даёт нужный оттенок.
• Субтрактивные пиксели (CMYK): Используются в печати (принтеры, типографские станки). Цвет формируется путём вычитания из белого света поглощённых красителями цветов (голубой C, пурпурный M, жёлтый Y, чёрный K). В этом случае пиксель — это участок бумаги, покрытый точками красителей разного размера или плотности.

По физической структуре (в дисплеях)

• ЖК-пиксели (LCD): Состоят из жидкокристаллической ячейки, цветного светофильтра и подсветки. Каждый пиксель управляется тонкоплёночным транзистором (TFT).
• OLED-пиксели: Состоят из органических светодиодов, которые излучают свет самостоятельно, без подсветки. Это позволяет добиться более глубокого чёрного цвета и высокой контрастности.
• Пиксели в микро-LED дисплеях: Используют неорганические светодиоды микроскопического размера, которые обеспечивают высокую яркость и долговечность.

По функциональному назначению

• Мёртвые пиксели (dead pixels): Постоянно горят одним цветом (белым, чёрным или цветным) из-за физического дефекта транзистора или ячейки. Не подлежат исправлению пользователем.
• Застрявшие пиксели (stuck pixels): Постоянно горят одним цветом (обычно красным, зелёным или синим) из-за сбоя в управляющем сигнале. Иногда могут быть исправлены программными методами или механическим воздействием.
• Горячие пиксели (hot pixels): Появляются на фотоматрицах при длительных выдержках и проявляются как яркие точки на тёмном фоне. Являются следствием теплового шума сенсора.

Устройство и характеристики

Структура пикселя в цифровой фотографии

В цифровой фотокамере пиксель — это светочувствительная ячейка (фотодиод) на матрице (CCD или CMOS). Каждый фотодиод накапливает электрический заряд пропорционально количеству попавшего на него света. Для получения цветного изображения перед матрицей устанавливается фильтр Байера, который закрывает каждый пиксель одним из трёх цветных фильтров (красным, зелёным или синим). Зелёных фильтров вдвое больше, чем красных и синих, что соответствует чувствительности человеческого глаза. Затем с помощью алгоритмов демозаики (интерполяции) для каждого пикселя вычисляются недостающие цветовые компоненты.

Разрешение и плотность

• Разрешение изображения: Количество пикселей по горизонтали и вертикали (например, 1920×1080). Чем больше пикселей, тем выше детализация.
• Плотность пикселей (PPI — Pixels Per Inch): Количество пикселей на дюйм экрана. Высокая плотность (300 PPI и выше) делает отдельные пиксели неразличимыми для человеческого глаза. Для печати используется аналогичный параметр DPI (Dots Per Inch).
• Глубина цвета: Количество бит, используемых для кодирования цвета одного пикселя. 8-битный цвет (256 оттенков на канал) даёт 16,7 миллионов цветов (True Color). 10-битный цвет — около 1,07 миллиарда оттенков.

Геометрия и форма

Традиционно пиксели считаются квадратными, но это не всегда так. В некоторых дисплеях (например, в ранних мониторах или в некоторых типах матриц для видеокамер) пиксели могут быть прямоугольными. В современных OLED-экранах часто используется нестандартная геометрия субпикселей (например, Diamond Pixel в дисплеях Samsung), что позволяет увеличить плотность пикселей и снизить энергопотребление.

Применение

Компьютерная графика

Пиксели являются основой растровой графики, используемой в фотографии, веб-дизайне, цифровой живописи и трёхмерном моделировании (при текстурировании). Форматы файлов, такие как BMP, PNG, JPEG, TIFF, хранят изображения в виде массивов пикселей. Пиксельная графика (pixel art) — это стиль цифрового искусства, где изображение создаётся вручную на уровне отдельных пикселей, часто с использованием ограниченной палитры.

Отображение информации

Все современные дисплеи (мониторы, телевизоры, экраны смартфонов, проекторы) работают на основе пиксельной сетки. Качество изображения напрямую зависит от количества и характеристик пикселей. Технологии масштабирования (upscaling) позволяют отображать изображения с более низким разрешением на экранах с более высоким, используя алгоритмы интерполяции (например, билинейная или бикубическая интерполяция), которые вычисляют цвет новых пикселей на основе соседних.

Научная визуализация

В микроскопии, астрономии и медицине пиксели используются для представления данных с датчиков. Например, в компьютерной томографии каждый пиксель может представлять не только цвет, но и физическую плотность ткани (воксель — трёхмерный пиксель). В спутниковой съёмке каждый пиксель соответствует определённому участку земной поверхности, а его цвет кодирует спектральные характеристики (например, содержание хлорофилла или влажность).

Интересные факты

• Самое первое цифровое изображение, полученное с помощью сканера, имело разрешение 176×176 пикселей (около 31 000 пикселей). Это была фотография сына Рассела Кирша, создателя первого сканера, сделанная в 1957 году.
• В русском языке слово «пиксель» долгое время имело вариант написания «пиксел» (калька с английского pixel). Оба варианта считаются допустимыми, хотя «пиксель» более распространён в профессиональной среде.
• В некоторых старых игровых консолях (например, NES) использовались спрайты — заранее отрисованные наборы пикселей, которые могли перемещаться по экрану независимо от фона. Размер спрайтов был жёстко ограничен (например, 8×8 или 16×16 пикселей).
• Существует понятие «суперпиксель» — группа соседних пикселей, обрабатываемая как единое целое в алгоритмах компьютерного зрения для сегментации изображений. Это позволяет значительно ускорить обработку.

Критика и ограничения

Основным ограничением пиксельной структуры является эффект пикселизации — видимость отдельных квадратных элементов при недостаточном разрешении или при сильном увеличении изображения. Это особенно заметно на старых дисплеях или при просмотре изображений с низким разрешением на больших экранах. Для борьбы с пикселизацией применяются технологии сглаживания (антиалиасинг), которые сглаживают края объектов за счёт смешивания цветов соседних пикселей.

Другой проблемой является муар — интерференционный узор, возникающий при наложении двух периодических структур (например, пиксельной сетки дисплея и текстуры ткани на фотографии). Для его уменьшения используются оптические фильтры (в фотокамерах) и алгоритмы постобработки.

В последние годы активно развиваются технологии, стремящиеся преодолеть ограничения пиксельной дискретизации, такие как объёмные дисплеи (voxel displays) и дисплеи на основе метаповерхностей, которые могут создавать изображение без явной пиксельной структуры. Однако на данный момент пиксель остаётся фундаментальной единицей цифрового изображения.

Источники

• Биллингсли, Ф. К. (1965). Processing Ranger and Mariner Photography. Journal of the Society of Motion Picture and Television Engineers.
• Гонсалес, Р., Вудс, Р. (2012). Цифровая обработка изображений. Техносфера.
• Шилдт, Г. (2008). C++: Полное руководство. Вильямс (глава о растровой графике).
• Документация по форматам изображений (PNG, JPEG, GIF) от W3C и ISO.
• Материалы конференций по компьютерной графике (SIGGRAPH).