Рождение пикселя

Пиксель Малые дискретные элементы, из которых состоит изображение (на телевизионном экране) Элемент устройства с зарядовой связью (ПЗС), использованного как оптический сенсор. (Из словаря Merriam Webster) PIXEL - комбинация слов PIX (picture, изображение) и ELement (элемент), означающая наименьший адресуемый элемент на экране дисплея. Чем выше пиксельное разрешение (чем больше столбцов и строк пикселей), тем больше информации можно разместить на экране. Информация о пикселе занимает несколько битов. Соответственно чем больше "битовая глубина", тем больше цветов и оттенков может быть представлено. Самая экономичная система - монохромная, она использует ровно один бит для каждого пикселя. Шкала серых оттенков и цветные дисплеи обычно используют от 4-х до 24-х битов/пиксель и воспроизводят от 16 до 16 миллионов цветов. На экранах (ЭЛТ или ЖК) пиксель состоит из трёх точек красного, синего и зеленого цвета. В монохромных и использующих оттенки серого цвета системах пиксель - одна точка. Пиксели возбуждаются с различной интенсивностью. Так реализуется спектр цветов (представленных комбинацией трёх точек) от тёмных до светлых оттенков. Чёрный цвет - все три точки выключены, белый - все три максимально возбуждены. В IBM их называли PEL (Picture ELements, элемент изображения), но такая терминология не прижилась. К тому времени IBM уже потеряла свои позиции в мире PC, и ее последними притязаниями стали VGA и менее известный на рынке стандарт XGA.

Введение

Эти светящиеся маленькие точки на экранах наших мониторов, на карманных компьютерах и вообще на любых дисплеях привычно вошли в нашу жизнь, точно так же, как сотовые телефоны и Интернет. Но они не всегда были такими красочными, они были гораздо хуже. Но давайте по порядку:

Сложно сказать, где и когда началась эра цифровых технологий. Может быть, всё началось с азбуки Морзе (1835), и было продолжено Бодо (1874, Франция) и Холлерифом (1880), но я придерживаюсь мнения, что первопроходцем был Клод Шеннон (Claude E. Shannon), чья "Математическая Теория Коммуникаций" ("Mathematical Theory on Communication") открыла миру глаза на преимущества и перспективы использования цифровых данных. Была высказана идея рассмотрения бесконечного количества бесконечно малых величин и разбиения их на операбельные единицы данных, которые теперь называют битами. Доктор Клод Шеннон (1917 - 2001) опубликовал свои труды в 1947 (работая в лабораториях Bell), но мировой научной общественности потребовалось несколько лет для осознания значимости этой работы. И когда это произошло, мир был шокирован. Внезапно всё стали представлять в виде данных, и мир начал меняться.

"Истина" или "ложь", "да" или "нет"

Джон Атанасов (John V. Atanasoff, 1903) и его ученик Клиффорд Берри (Clifford Berrу) сконструировали первый электронный компьютер во время своей работы в Государственном колледже Айовы (теперь это университет). Компьютер был основан на булевской алгебре. Джордж Буль (1815 - 1864) пролил свет на алгебраическую двоичную систему (Математический анализ логики (1847) и исследование законов мышления (1854)), он предложил замену любого математического равенства на значения "истина" и "ложь". В 1940 г. Атанасов и Берри применили эту концепцию к электрическим цепям, используя вместо "истина" и "ложь" наличие или отсутствие сигнала, и разработали первый электронный компьютер. Однако их проект перестали инвестировать, и их работа затерялась среди подобных разработкок других учёных, из которых самой значимой стал ENIAC, первый автоматический цифровой компьютер, созданный в 1946 г. в университете Пенсильвании.

Творение Атанасова и ENIAC были первыми программируемыми машинами, однако проводные вычислительные машины создавались ещё в 1941 г. во время Второй Мировой Войны немецким инженером Конрадом Зусе (Konrad Zuse). Он разработал компьютер Z3 для моделирования самолетов и ракет, а в 1943 г. англичане закончили секретный дешифратор для раскодирования немецких сообщений и назвали его Колосс (Colossus).

В 1945 г. Джон Фон-Нейман (John Von Neuman) разработал EDVAC (Электронный дискретный программируемый автоматический компьютер), оснащенный памятью как для программ, так и для данных. Фон-Нейман использовал вакуумные трубки, конденсаторы, перфокарты и ртутные линии задержки для хранения информации. Но требовалось нечто лучшее.

Трубки, конденсаторы, перфокарты и память на магнитных сердечниках

В конце 40-х доктор Эн Ванг (An Wang) и Джей Форрестер (Jay Forrester), глава компьютерного проекта Whirlwind, изобрели оперативное запоминающее устройство. Память на магнитных сердечниках оказалась более компактной и надежной технологией, и она заменила вакуумные трубки и ртутные линии задержки.

Память на сердечниках, а если быть более точным - память на магнитных сердечниках, является разновидностью оперативной памяти (RAM). Она была разработана в Массачусетском технологическом институте (MIT) Джеем Форрестером (Jay Forrester)в 1951 г. Первоначально память была слишком дорогой, но по мере дальнейшего совершенствования цены ползли вниз, и в 50-х и 60-х она получила широкое распространение.

Whirwild был первым цифровым компьютером института, но кроме этого он был и первым цифровым компьютером, специально разработанным для управления в реальном времени. IBM в дальнейшем лицензировала эту технологию, и память на сердечниках стала повсеместно использоваться в первом и втором поколении компьютеров IBM. Во взаимодействие между институтом и IBM был вовлечен молодой инженер Кен Ольсон (Ken Olson), основатель DEC (Digital Equipment Corporation).

В 1956 г. IBM выплатила $500,000 доктору Вангу за его патент на оперативную память. Он использовал эти деньги на расширение своей компании, Wang Laboratories.

Планшет (Sketchpad) и Аналоговый векторный дисплей

Где-то 7 лет спустя в MIT появился другой гигант мысли и создал первый компьютерный дисплей. В 1963 г. Иван Сазерлэнд (Ivan Sutherland) работал над своей диссертацией, и тогда ему выпал шанс учиться у Клода Шеннона, создателя теории информации. К тому времени он изобрел графическую компьютерную программу, Планшет, позволяющую создавать изображения непосредственно на экране используя ручные манипуляторы, такие как световое перо. Но все это происходило не на цифровом дисплее, а только лишь на векторном аналоговом.

Аналоговые дисплеи (в большинстве своем) работают за счет изменения напряжения. Лучший (да и простейший) пример аналогового устройства - реостат для регулирования света лампы. Когда вы передвигаете рычажок вверх, напряжение на лампе увеличивается, и она светится ярче. На векторном дисплее результатом увеличения напряжения на одной из сторон трубки становится перемещение святящегося пятна на люминофоре в её направлении. Это основной принцип работы экранов телевизоров. Напряжение повышается, и резко падает - это называется пилообразным напряжением. Луч пробегает весь экран и перемещается назад. Каждый раз когда он возвращается (влево), луч немного опускается, таким образом, получаются строки на экране. По европейскому стандарту на дисплее 625 строк, а по американскому и японскому - 525. Такие аналоговые дисплеи были созданы в конце 30-х, и они до сих пор используются во всём мире в телевизорах.

Первые компьютеры тоже были аналоговыми. В 1930 г. Ванневар Буш (Vannevar Bush) изобрел первый аналоговый компьютер. Одной из базовых задач компьютера был просчёт траектории стрельбы орудий во время Второй Мировой Войны. Как и многое другое, аналоговые компьютеры создавались в основном для военных целей. Самым известным аналоговым компьютером, так и не созданным (не считая книги Вильяма Гибсона и Брюса Стерлинга), была вычислительная машина Бэббиджа (Babbage) (1839). Бэббидж в теории описал возможность создания такой машины, но при этом сам он не верил, что это возможно, это было "слишком сложно".

Усилители на вакуумных трубках, в основном использующиеся для работы со звуком, можно было бы создавать с невероятной точностью уже во время Второй Мировой (они были изобретены в 1904 г.) Они могли давать надёжные, воспроизводимые результаты. Конкретное напряжение на входе может быть использовано как базовое, и в зависимости от него, на выходе получается другое предсказуемое напряжение. Напряжение можно сопоставить с численным значением с достаточно большой точностью (погрешность - не более одного процента). Согласитесь, это лучше использования логарифмической линейки - точность выше и скорость больше. Главной проблемой аналоговых компьютеров оставалось отсутствие какой-либо нормальной возможности запоминать промежуточные результаты, так что цифровые компьютеры, обладающие оперативной памятью, были заранее обречены на успех.

Тем не менее, такой компьютер был оснащен аналоговым векторным дисплеем, изобретенный Иваном Сазерлэндом. Как и все великие идеи и изобретения, дисплей дал обширное поле деятельности инженерам, ученым и дизайнерам во всем мире. Как не сложно было догадаться, его концепции заинтересовали и военных. Но вот медицина не сразу нашла применение компьютерной графики. Технология не была задействована ими до 1980-х. Химики же сразу признали компьютерную графику как способ моделирования молекул.

Векторный аналоговый дисплей, как и аналоговый компьютер, продолжали совершенствоваться и с каждым годом становились всё быстрее и точнее. Кстати, тогда, в 60-х годах доктор Гордон Мур из Intel ещё даже не закончил колледж. В то время аналоговые компьютеры могли совершать расчеты с точностью до одной десятитысячной. Это было невероятным успехом, и они становились повседневным инструментом ученых для решения множества специфических задач (таких как расчет запасов нефти и газа и прогнозы погоды).

От цифровых переключателей к транзисторам

Но Bell сделала очередной рывок и создала транзисторный усилитель. Усилители класса А дают на выходе превосходный линейный сигнал, усилители класса С при малейшем изменении сигнала на входе дают либо ноль напряжения, либо максимум напряжения на выходе.

Усилители класса С не удовлетворяют запросам любителей чистого звука, но вполне подходят на роль переключателей - при поступлении слабого сигнала на вход, на выходе они дают сигнал с большим напряжением. Такие переключатели нашли своё место в индустрии как управляющие элементы для моторов, ламп и соленоидов. Но главное их предназначение еще предстояло открыть.

Учёные Бардин (Bardeen), Шокли (Shokley) и Браттейн (Brattain) из лабораторий Bell ещё в 1947 г. ставили эксперименты, которые привели к изобретению транзистора. (Кстати, это весьма спорно: были транзисторы изобретены, или просто открыты на основе законов физики. Этот вопрос интересен с точки зрения патентования.) В любом случае учёные, открывшие принцип запрещённой зоны, пытались разработать лучший, меньший и более экономичный усилитель. Первоначально они не давали чистого сигнала и могли служить лишь как усилители-переключатели класса С. Но эта проблема была быстро разрешена, и вскоре появились коммерческие транзисторы, используемые в радио и слуховых аппаратах.

Первое радио на транзисторах было создано в 1954 г. (использовались транзисторы TI - Texas Instruments. Хотя впервые их начала продавать компания Raytheon). Когда Томас Ватсон увидел эти транзисторы, он купил целую коробку, отдал их своим лучшим инженерам и велел им использовать транзисторы в компьютерах. (TI очень повезло: она снабжала IBM транзисторами более 10 лет.) Поэтому у IBM была фора в изобретении первого транзисторного компьютера.

Но они бы никогда не произвели ни на кого впечатления, если бы их творения программировались с помощью кодов Холлерита (Hollerith) или, скажем, ассемблера. Самыми заинтересованными лицами в появлении более простых языков были военные. По вполне понятным причинам они хотели заменить свои гигантские калькуляторы на что-то более простое в использовании и мобильное.

Хотя Ватсон никогда не говорил об этом, он всегда понимал их проблемы. Он велел своим инженерам придумать что-нибудь для решения этой проблемы. Так появился новый продукт: FORmula TRANslator - FORTRAN, - первый язык программирования высокого уровня. Один из изобретателей, Джон Бакус (ему было 29 лет, он был математиком в Колумбийском университете) сказал, что он вдохновился на разработку Фортрана после нескольких лет работы на компьютерах IBM 701 и 704 и просто устал от сложности программирования. В конце 1953 Бакус заявил, что три четверти бюджета любого проекта составляли программирование и тестирование. (Кстати, со временем ситуация так и не изменилась) В 1954 он получил "зелёный свет" и занялся разработкой инструмента, позволяющего использовать новый встроенный сопроцессор для вычислений с плавающей точкой и индексные регистры IBM 704. А компьютерная графика более чем что-либо другое использовала операции с плавающей точкой.

Транзисторы возбуждали воображение многих людей, и не только тех, кто создавал радио и компьютеры в 1957. Шерман Миллс Фейрчайлд, основатель Fairchild Camera and Instrument Corporation, спонсировал небольшую группу молодых ученых из Калифорнии для разработки новых технологий для производства транзисторов. Целью ученых (среди них были Роберт Нойс и Гордон Мур - основатели корпорации Intel) было массовое производство транзисторов. Они выполнили свою задачу к 1959 г. и предложили миру планарную технологию. Именно эта технология стала основным методом производства транзисторов и интегральных схем, и до сих пор считается одним из самых значительных достижений в технологии транзисторов после их изобретения.

Итак, к началу 60-х почти все кусочки мозаики были собраны. У нас были цельные вычислительные машины, умеющие выполнять операции с плавающей точкой. Они были оснащены большим количеством магнитной памяти. А также появился простой в использовании и в то же время мощный язык программирования. И ещё жил такой Шеннон и его протеже Иван Сазерлэнд. Все было готово: компьютерная графика ожидала своего изобретения.

И это случилось. Хотя сегодня мы вовсе не удивляемся таким возможностям, но Планшет был первой программой, позволявшей создавать изображения прямо на экране, не описывая их с помощью кодов и формул. И даже более того, он позволял изменять и дополнять информацию, хранящуюся на компьютере, посредством работы с картинкой на экране. Оказалось, что компьютеры можно использовать не только для обработки данных. На основе Планшета возникло новое направление компьютерного дизайна, которое сейчас называют CAD (computer-aided design).

Но дисплей всё ещё оставался аналоговым.

Растровый дисплей

Аналоговые дисплеи активно использовались в компьютерах до начала 80-х годов. Большие круглые 27-дюймовые дисплеи с правильными плоскими экранами использовались в системах CAD (чтобы дизайнеры могли делать измерения прямо на экране.), в системе воздушного контроля в аэропортах (многие используются и по сей день) и в системах дальнего обнаружения ракет.

Компания Tektronix стала основным поставщиком таких дисплеев для коммерческой и научной сфер. Они добавили ещё одну возможность - хранение информации в ЭЛТ. Благодаря аккуратной и точной перезарядке люминофорного экрана, картинка могла сохраняться на нем достаточно долгое время. Отметим, что запоминающая трубка Tektronix являлась графическим дисплеем, и у компании было очень немного конкурентов.

Tektronix была основана в 1946 году, во время революции в электронике, произошедшей после Второй Мировой. Основатели компании изобрели способ точно измерять высокоскоростные электрические сигналы и выводить их на дисплей устройства, которое впоследствии было названо осциллографом.

На рубеже 60-70-х начались эксперименты с растровыми дисплеями для компьютерной графики. Растровая развёртка - это телевизионная технология. Она использовалась в 60-х в черно-белых текстовых дисплеях для терминалов и на консолях управления ЭВМ. Такие устройства оснащались очень маленьким объемом памяти - только для хранения одного символа. По ходу луча через экран производилось его включение и выключение. В результате получались группы точек (в точности как на матричном принтере), которые и составляли символы из таблицы кодов ASCII.

Кодовая таблица ASCII изначально разрабатывалась для телетайпов, но в итоге стала основой многих приложений для ПК. 7-и битная ASCII (Американский Стандартный Код для Обмена Информацей) - основа всех компьютерных кодов и даже HTML, хотя она содержит всего 128 символов.

ASCII была создана в начале 60-х, но она стала американским стандартом только в 1968. В 60-х на звание стандарта в США претендовало много кодовых таблиц. В 1962 IBM создала и начала раскручивать EBCDIC (Extended Binary-Coded-Decimal Interchange Code). Эта 8-и битная кодовая система позволяет использовать до 256 символов. Однако и она проиграла ASCII в качестве ПК стандарта. Хотя во многих мейнфреймах EBCDIC используется и сегодня.

Звездные войны!

Некоторые компании начали производство коммерческих компьютеров ещё в 60-х, хотя в то время IBM держала более 80 процентов рынка. Предшественник миникомпьютера PDP-1 от DEC продавался в 1960 г. за $120,000. Он включал в себя графический ЭЛТ дисплей, не нуждался в принудительном охлаждении и управлялся всего лишь одним оператором. Именно большой экран вдохновил первых хакеров из MIT на создание первой компьютерной видеоигры - SpaceWar! (Звездные войны) Именно на этой игре авторы демонстрировали возможности компьютеров. Дуэлянты расстреливали друг друга с помощью ранних моделей джойстиков, преодолевая гравитационное поле солнца и маневрируя около вражеского корабля.

С течением времени транзисторы совершенствовались и вскоре стали основой компьютера. Корпорация Fairchild Camera and Instrument лидировала в этой сфере индустрии. Несколько отставали Texas Instruments. В 1967 Fairchild создала первый стандартный МОП (метал-окисел-полупроводник) для обработки данных. Это было восьми битное арифметическое устройство с сумматором. А в 1968 году Барругс (Burroughs) стала производить первые компьютеры (B2500 и B3500), в которых использовались эти интегральные схемы. Но устройством вывода все еще служил аналоговый дисплей (такой же как у осциллографа).

Память на интегральных схемах была именно тем, что могло дать импульс развитию компьютерной графики. С появлением устройств с большой плотностью записи (МОП и больших комплементарных МОП (КМОП/CMOS) компьютерная индустрия начала быстро меняться. Эта компактная дешевая память была основной опорой для миникомпьютеров, а позже - для индустрии ПК и компьютерной графики.

В 1969 г. в лаборатории Bell создали первый кадровый буфер на транзисторах. Он позволял использовать 3-х битную глубину цвета и запоминать изображение попиксельно перед воспроизведением на векторном экране. Тогда и появился "пиксель-мутант", полу-цифровой, полу-аналоговый. Эту систему использовали для демонстрации программы Paint, разработанной Ноллом и Миллером в лабораториях Bell в 1969 г.

Цифровые растровые дисплеи

Через несколько лет, в 1972, Ramtek разработала коммерческий продукт, использующий технологию цифрового кадрового буфера. Как и продукт Bell, он был основан на интегральных схемах со сдвиговым регистром.

Через год, в 1973, один умелец, Дон Ланкастер (Don Lancaster), написал статью "Телевизор - пишущая машинка". Он предложил миру первый текстовый дисплей на основе обычного телевизора. В журнале по радиоэлектронике Radio Electronics за 1973 год стоимость его комплектующих была оценена в в $120. В оригинале использовались две платы памяти, которые могли хранить 512 символов (16 строк по 32 символа). На 90-минутную кассету могло поместиться около 100 страниц такого текста.

В 1968 DEC (Digital Equipment Corporation) представила свой компьютер PDP8. К концу 1973 компьютеры семейства PDP-8 стали самыми продаваемыми компьютерами в мире. PDP-8 считался пионером в компьютерной индустрии, ведь это был первый массово продаваемый компьютер. Почти каждый мог себе позволить такую покупку (хотя бы за казенные деньги). PDP-8 - это 12-битная машина с одним сумматором, которая может адресовать до 32K 12-битных слов. Между прочим, некоторые используют её до сих пор. В этой системе использовалась полупроводниковая память и символьный растровый дисплей.

В том же году цифровые растровые дисплеи появились одновременно в нескольких местах. В 1973 E&S начала продавать первый коммерческий кадровый буфер. А в PARC Ричард Шуп (Richard Shoup) продемонстрировал свой растровый дисплей и цифровой кадровый буфер, разработанные для графических приложений, в частности для программы Paint. Теперь же система SuperPaint находится в коллекции Музея Истории Компьютеров в Мофетт Филд в Маунтин Вью в Калифорнии. В 1965 г. под руководством одного из основателей DEC, Гордона Белла, Ричард Шуп получает степень бакалавра в электронной инженерии, а затем и докторскую степень по вычислительной технике в университете Каренеги Меллона (Carnegie Mellon University) в Питсбурге. В то время PARС могла похвастаться своими достижениями по части компьютерной графики. В частности, там был создан компьютер Alto с растровым дисплеем, сконструированный Текером (Thacker) в феврале 1973.

Итак, можно считать, что пиксель родился где-то между экспериментами Сазерлэнда с его программой Sketchpad в 1963 и созданием коммерческого растрового дисплея компаниями DEC и Xerox в 1973.

Сегодня они проникли во все сферы нашей жизни. И все что бы мы ни делали: смотрели на часы, пользовались сотовым телефоном, читали E-mail, считали на калькуляторе, глядели на спидометр или индикатор топлива в машине, читали об опоздании поездов или самолетов, проверяли температуру кофе в электронной кофеварке, всю информацию дают нам они - пиксели.