Пиксель — основная единица растрового изображения¶

Пиксель (от англ. picture element — «элемент изображения») — наименьший адресуемый элемент растрового изображения или экрана, имеющий определённый цвет и форму (обычно квадратную). Пиксель является базовой единицей измерения разрешения цифровых изображений и дисплеев: разрешение экрана 1920×1080 означает, что его поверхность содержит 1920 пикселей по горизонтали и 1080 по вертикали, то есть около 2,07 млн элементов.

¶Физическое воплощение

На электронных дисплеях каждый пиксель состоит из нескольких субпикселей — более мелких светящихся элементов. В большинстве ЖК- и OLED-экранов субпиксели трое: красный, зелёный и синий (схема RGB). Интенсивность свечения каждого субпикселя регулируется отдельно, а благодаря малому размеру и близкому расположению глаз воспринимает смешение как единый цвет. Существуют и другие схемы: CMYK (голубой, пурпурный, жёлтый, чёрный) для печати, RGBW (с добавлением белого субпикселя) для некоторых телевизоров, а также варианты вроде PenTile, где субпиксели имеют разный размер и расположение.

Физический размер пикселя зависит от диагонали и разрешения экрана. У смартфона с диагональю 6 дюймов и разрешением 2400×1080 плотность пикселей превышает 400 ppi (пикселей на дюйм), и отдельные элементы глазом не различимы. У монитора с диагональю 27 дюймов и разрешением 2560×1440 плотность составляет около 109 ppi. Термин «ретина-дисплей», введённый компанией Apple, обозначает экран, плотность пикселей которого достаточно высока, чтобы отдельные элементы не воспринимались глазом с обычного расстояния.

¶Пиксель как единица растровой графики

В цифровой графике пиксель — это математическая абстракция: элемент сетки растрового изображения, хранящий значения цветовых каналов. Классическое цветовое пространство RGB задаёт для каждого пикселя три числа — интенсивности красного, зелёного и синего компонентов. При глубине цвета 8 бит на канал каждый пиксель кодируется 24 битами и может принимать около 16,7 млн значений. Существуют форматы с большей глубиной (10, 12, 16 бит на канал), применяемые в обработке фото и видео, а также форматы с альфа-каналом (прозрачностью) — например, RGBA.

Растровое изображение представляет собой двумерный массив пикселей. Его свойства:

• Разрешение — количество пикселей по горизонтали и вертикали.
• Глубина цвета — число бит, отводимых на один пиксель.
• Размер файла — произведение числа пикселей на глубину цвета (до сжатия).

Главный недостаток растрового формата — зависимость качества от разрешения: при увеличении изображения пиксели становятся видимыми, контуры приобретают ступенчатость («лесенку»). Для масштабирования применяют интерполяцию — алгоритмы вроде билинейной, бикубической или алгоритма Ланцоша, которые подбирают цвета промежуточных пикселей на основе соседних. Современные методы, включая нейросетевую суперразрешение, восстанавливают детали при увеличении сильнее классических алгоритмов.

¶Векторное противопоставление

Векторная графика описывает изображение не пикселями, а математическими кривыми (обычно квадратичными и кубическими безье). Векторный файл масштабируется без потери качества, но при растеризации неизбежно превращается в пиксельную сетку. Форматы SVG, EPS, AI — векторные; JPEG, PNG, TIFF, WebP — растровые. Гибридные форматы PDF и ODF могут содержать оба типа объектов.

¶Антиалиасинг

Стремление скрыть ступенчатость контуров привело к появлению антиалиасинга (сглаживания). Идея — делать граничные пиксели промежуточного цвета, смешивая цвет объекта и фона пропорционально доле покрытия пикселя контуром. Антиалиасинг применяется в рендеринге 3D-графики, отрисовке шрифтов, интерфейсах операционных систем. Более продвинутый метод — суперсэмплинг (SSAA), при котором сцена рендерится в разрешении, кратно большем, а затем понижается.

¶Применение

Пиксельная структура лежит в основе работы всех цифровых дисплеев — от смартфонов и телевизоров до светодиодных экранов-билбордов. В светодиодных экранах крупного формата каждый физический светодиод или их группа является пикселем; чем меньше шаг пикселей, тем на меньшем расстоянии экран выглядит цельным.

В фотографии и кинематографе количество пикселей матрицы определяет разрешение снимка или видео. Стандарты Full HD (1920×1080), 4K (3840×2160) и 8K (7680×4320) обозначают именно число пикселей по горизонтали и вертикали.

Пиксельная графика (pixel art) — отдельное художественное направление, в котором художник работает с каждым пикселем вручную. Стиль возник в эпоху ранних компьютеров и игровых консолей с жёстким ограничением разрешения и палитры и сегодня сохраняется как самостоятельное эстетическое течение.

¶История

Термин «пиксель» появился в 1960-х годах в лабораториях Кембриджа (Bell Labs, MIT) и первоначально обозначал «picture element» в контексте телевизионных и спутниковых изображений. Пиксельная модель дисплеев развивалась вместе с ЭЛТ-мониторами, а массовое распространение получила с переходом на ЖК-панели в 2000-е годы.

¶Источники

• Джеймс Фоли, Андреас ван Дам — «Компьютерная графика: принципы и методы»
• Катя Вассерман — «Цифровая графика: растровые и векторные изображения»
• Стандарты ITU-R BT.709 и BT.2020 (стандарты телевизионного разрешения)
• Материалы IEEE Society for Imaging Science and Technology