Пиксель: определение и характеристики¶

Пиксель (от англ. picture element — элемент изображения) — минимальный логический элемент двумерного растрового изображения, представляющий собой точку определённого цвета в цветовой модели. Совокупность пикселей, расположенных в виде матрицы (сетки), формирует цифровое изображение на экранах дисплеев, в фотографиях, сканированных документах и других растровых графических данных.

¶Основные характеристики

Каждый пиксель характеризуется координатами в сетке и цветовым значением. В цветовых моделях RGB (Red, Green, Blue) цвет пикселя задаётся интенсивностью трёх субпикселей — красного, зелёного и синего. В моделях CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, Key) для печати используются голубой, пурпурный, жёлтый и чёрный каналы. Для монохромных изображений пиксель может хранить только одно значение яркости (градации серого) или один бит (чёрный или белый).

Ключевые параметры пикселя:

Глубина цвета — количество бит, отводимых на хранение цвета одного пикселя. Стандартная глубина 24 бита (по 8 бит на канал RGB) позволяет отображать 16,7 миллиона цветов.
Разрешение — количество пикселей по горизонтали и вертикали (например, 1920×1080). Общее число пикселей измеряется в мегапикселях (1 Мп = 1 000 000 пикселей).
Размер пикселя — физический размер точки на матрице или экране, измеряемый в микрометрах (для сенсоров камер) или в пикселях на дюйм (PPI — pixels per inch) для дисплеев.

¶Физическая структура

На жидкокристаллических (LCD) и OLED-дисплеях физический пиксель часто состоит из трёх субпикселей (красного, зелёного и синего), которые при рассмотрении с нормального расстояния сливаются в единую цветную точку. В матрицах цифровых камер пиксель представляет собой светочувствительный элемент — фотодиод, накапливающий электрический заряд пропорционально интенсивности падающего света. На матрицах с фильтром Байера каждый фотодиод регистрирует только один цветовой канал, а полное цветное изображение восстанавливается алгоритмами демозаики.

¶Пиксель в цифровых изображениях

Растровое изображение хранится в памяти компьютера как массив данных о пикселях. Форматы файлов различаются способом хранения этой информации:

BMP — несжатое хранение, каждый пиксель описан явно.
JPEG — сжатие с потерями, при котором мелкие детали изображения усредняются, что приводит к незначительной потере качества.
PNG — сжатие без потерь, поддерживает прозрачность (альфа-канал).
GIF — ограниченная палитра до 256 цветов.

При увеличении масштаба растрового изображения пиксели становятся различимы визуально, что называется пикселизацией. Для сглаживания неровных границ при масштабировании применяются алгоритмы интерполяции и антиалиасинга.

¶Пиксель в фотографии и видеотехнике

В цифровой фотографии разрешение матрицы измеряется в мегапикселях. Однако количество пикселей не является единственным критерием качества снимка: важны физический размер пикселя (чем он больше, тем лучше светочувствительность и ниже уровень шума) и качество оптики. Например, полнокадровая камера с 24 Мп имеет пиксели большего размера, чем камера смартфона с таким же разрешением, что обеспечивает лучшее качество при слабом освещении.

В видеотехнике разрешение определяет чёткость изображения: от стандартного (720×480) до Full HD (1920×1080), 4K Ultra HD (3840×2160) и 8K (7680×4320). Телевизоры и мониторы характеризуются плотностью пикселей (PPI), которая влияет на детализацию: при высокой плотности отдельные пиксели неразличимы глазом с типичного расстояния просмотра.

¶Дефекты пикселей

На дисплеях и матрицах могут встречаться дефектные пиксели:

Битые пиксели (dead pixels) — не работают и отображают чёрный цвет.
Горячие пиксели (hot pixels) — постоянно светятся белым или цветным.
Застрявшие пиксели (stuck pixels) — зафиксированы в одном цвете.

Причины возникновения — производственный брак, механические повреждения или деградация элементов. Производители дисплеев допускают определённое количество дефектных пикселей в пределах стандартов качества (например, ISO 13406-2), что не считается браком для гарантийной замены.

¶Пиксель-арт

Пиксель-арт — направление цифрового искусства, в котором изображения создаются путём постановки отдельных пикселей. Зародилось в ранних компьютерных играх и на 8-битных приставках, когда технические ограничения вынуждали художников работать с крупными видимыми пикселями. Современный пиксель-арт культивируется как осознанный эстетический приём в инди-играх, иллюстрации и веб-дизайне. Ключевые техники включают ограниченную палитру, чёткие контуры и дизеринг (чередование цветов для имитации промежуточных оттенков).

¶Связанные понятия

Мегапиксель — единица измерения, равная миллиону пикселей, используется для характеристики матриц камер.
PPI/DPI — показатели плотности пикселей на дюйм для экранов и печати соответственно.
Суперпиксель (в камерах с Quad Bayer) — группа из четырёх пикселей одного цвета, объединяемых для улучшения светочувствительности.
Воксель — трёхмерный аналог пикселя, элементарный куб объёмного изображения.
Тексель — элемент текстуры, накладываемой на трёхмерные модели в компьютерной графике.

¶Источники

Гонсалес Р., Вудс Р. «Цифровая обработка изображений»
Шапиро Л., Стокман Дж. «Компьютерное зрение»
Стандарт ISO 13406-2 «Ergonomic requirements for work with visual displays based on flat panels»
Документация по форматам изображений (BMP, JPEG, PNG) библиотеки W3C