Пиксель. История одной точки

Зрение

Возможно, вы готовы признать, что все воспринимаемое на слух – это сумма волн, но вряд ли вы думаете, что точно так же дело обстоит и со зрением. Этот следующий шаг потребует немного больше объяснений. Великая идея Фурье заключается в том, что видимый мир, как и музыка, складывается из суммы волн. Но в случае со зрением эти волны пространственные. Они двумерны. Чтобы их увидеть, нам потребуется немного практики, но, как только вы научитесь их находить, никаких трудностей больше не возникнет. Мы выработаем такой навык, а затем совершим мысленный скачок, который когда-то сделал Фурье.

Волна секундной стрелки (рис. 1.1) на самом деле изображает пространственную волну. Она представляет собой волну времени, движущуюся по оси времени, но на самом деле я изобразил пространственную волну, простирающуюся влево и вправо. Великая идея Фурье охватывает и пространство, и время. Вид волны зависит от физического процесса. Если что-либо движется во времени, подобно звуку, свету или волне от секундной стрелки, тогда это волны времени, а их частоты – это циклы в секунду. Изображение волны от секундной стрелки представляет собой пространственную волну, и ее частота выражается в циклах на дюйм, примерно один цикл на три дюйма (7,5 см), как показано на рисунке. Если бы я изобразил волну от минутной стрелки в том же масштабе, ее частота была бы в 60 раз меньше, или примерно один цикл на 180 дюймов (4,75 м). У пространственной волны часовой стрелки будет примерно один цикл на 2160 дюймов (5,49 км), в двенадцать раз меньше, чем у минутной.

Волны, которые я называю волнами зрения, не следует путать со световыми волнами. Световая волна – это механизм возбуждения палочек и колбочек в сетчатке наших глаз, позволяющий нам видеть. Это волна, которая изменяется во времени на чрезвычайно высоких частотах – около 500 триллионов циклов в секунду. Итак, световые волны – это средство, помогающее видеть, а волны зрения – это то, что мы видим. Световые волны меняются во времени, волны зрения – в пространстве.

Доказательства существования видимых пространственных волн – повсюду. Присмотритесь к этой странице. Буквы, включая пробелы, кажутся более или менее равномерно размещенными по горизонтали. Говоря языком частоты, они расположены на странице построчно с более или менее постоянной частотой по горизонтали, а строки текста размещены со строго определенной постоянной частотой по вертикали. Вы можете думать о тексте как о гребнях волны, а о междустрочном пространстве – как о впадинах между ними. Книги на полках стоят с определенной регулярностью по горизонтали. А сами полки повторяются с достаточно предсказуемой частотой по вертикали. Ни в одном из этих примеров нам не встретились красивые плавные волны Фурье, но все они намекают на понятие пространственных волн в поле зрения.

На самом деле если вы можете увидеть некую «регулярность» в своем визуальном мире, то ее версия по Фурье будет представлять собой волну этой частоты. Я только что измерил расстояние между двумя строками текста в книге, которую я читаю, и оно составляет четверть дюйма (6,4 мм). Таким образом, музыкальная версия этой страницы, представляющей собой, если подумать, картинку, должна иметь пространственную волну Фурье той же частоты, четыре цикла на дюйм.

Потолочные балки или доски деревянного пола повторяются с определенной ритмичностью. Если пол вымощен плиткой, она размещена с одинаковой частотой в двух измерениях, как и черепица, покрывающая крышу. Дворцовый комплекс в Альгамбре (рис. 1.4) доводит идею ритмики плитки, покрывающей полы, стены и потолки, до ошеломительных высот визуального наслаждения.

Рис. 1.4

Суть в том, что вы можете представить все эти пространственные ритмы с помощью только волн Фурье. Все визуальные паттерны, какими бы нерегулярными они ни казались, можно описать как комбинации, суммы изящных постоянных волн.

Но как насчет мира природы? Тот же принцип применим и здесь, хотя и не всегда очевиден, как в случае с океанскими волнами. Травинки на поляне или на лугу повторяются с характерной частотой. То же самое наблюдается и у листьев на дереве, хотя расстояние между ними зависит от разновидности растения. Расстояние между деревьями в лесу тоже имеет характерную частоту, зависящую от их вида. В расположении горных хребтов тоже можно отметить частоты. Регулярность, которую мы наблюдаем у матери-природы, гораздо менее однородна, чем у того, что создано нашими руками. В ее повторяющихся паттернах гораздо сильнее выражена случайность. Тем не менее горные пики не бывают, скажем, с двумя гребнями на дюйм или с двумя гребнями на миллион миль. Существует определенный диапазон частот, который более или менее соответствует тому, чего мы ожидаем от горных хребтов, – примерно два пика на 10 миль (16,09 км). Опять же, все эти визуальные ритмы пляшут под дудку Фурье.

Цель рисунка 1.5 – показать вам, как искать пространственные частоты в окружающем мире, как взглянуть на него альтернативным способом. На фотографии запечатлены растения-суккуленты из моего сада в Беркли, штат Калифорния. В нем повсюду присутствуют пространственные частоты. Как только вы научитесь их видеть здесь, а потом и где угодно, вы без труда совершите мысленный скачок, который сделал Фурье, и осознаете, что только волны и их частоты – всё, что нужно для полного описания визуальной сцены.

Обратите внимание на терракотовые горшки – рукотворные компоненты этой сцены. Они расположены в узлах не очень ровной сетки. Они расставлены не равномерно, но есть примерная схема повторения – скажем, один горшок через каждый дюйм или около того. В интерпретации Фурье на этой части картины есть группа волн с небольшими отклонениями от основной частоты, чем и объясняются нарушения строгой закономерности.

Узор на горшках тоже повторяющийся. Рассмотрим на рисунке линию а, проходящую через горшки и обозначенную нижней парой стрелок. Сосредоточьте внимание на регулярных частотах вдоль одной линии, как будто интенсивность света вдоль нее – это амплитуда звука в музыкальном фрагменте. Можете ли вы представить себе слово «yes», произнесенное с разной интенсивностью света вдоль воображаемой линии, проведенной в моем саду?

Начиная слева по линии а, мы обнаружим среднюю частоту спиралевидных канавок на горшке, затем высокочастотную (но с низкой амплитудой) грязь между горшками, потом среднюю частоту канавок на втором горшке, после этого низкую частоту волны, определяющей кривизну самого большого горшка, затем две чуть более высокие частоты для двух других горшков и так далее.

Рис. 1.5

У растений тоже есть частоты. Частота размещения ветвей или листьев у разных видов кактусов и суккулентов довольно сильно варьируется. Чтобы убедиться в этом, обратите внимание на постоянные частоты вдоль линии b. Она проходит через изображения двух звездообразных кактусов. Она пересекает «листья» каждого из них с почти постоянной частотой (напомню, колючки кактуса – это на самом деле его листья, а то, что мы обычно принимаем за листья, – это его ветки).

Линия с пересекает большие шары соцветий гортензии, каждое из которых состоит из сотен крошечных цветков. Они пересекают линию с большей частотой, чем любое другое из ранее упомянутых растений. Линия d проходит через листья гортензии. На этой линии они встречаются с меньшей частотой, чем цветки на линии с. То есть на одном и том же промежутке умещается примерно два листа или десятки цветков. Цветы расположены плотнее, чем листья, или, иначе говоря, с более высокой пространственной частотой.

Четыре линии на рисунке проведены параллельно друг другу, но Фурье этого не требует. Вы можете включить интуицию и отыскать повторяющиеся узоры вдоль линий, проведенных под другими углами и даже перпендикулярно тем, которые обозначил я. Например, на большом плоском овальном «листе» кактуса опунции в центре фотографии вы, вероятно, заметили правильную структуру бугорков, где расположены его шипы. Вы можете нарисовать через них две волны примерно перпендикулярно друг к другу. Это как раз и предполагает идея Фурье для двумерных изображений.

Вернемся к изображенным на фотографии рукотворным предметам: при взгляде на выложенный кирпичом внутренний дворик с любой стороны обнаруживаются повторяющиеся частоты вдоль и поперек. Почти незаметный забор на заднем плане тоже имеет определенную частоту повторения досок, как и решетка над ним.

В таком же духе можно проанализировать все, что изображено на фотографии. Линия, проходящая через изображение дерева с морщинистой корой, из-за ее шероховатости создаст волну с высокочастотной детализацией. Мелкий гравий в горшках подразумевает очень высокую пространственную частоту, и так далее. Сад – это симфония пространственной музыки.

Согласно Фурье всё, что мы видим, – визуальный мир, спроецированный на нашу сетчатку, вне зависимости от наличия или отсутствия повторяющихся паттернов, – это симфония пространственной музыки. Его можно представить в виде двумерных пространственных волн разных частот и амплитуд. Это все музыка. Это работает как музыка, но в двух измерениях – для наших глаз, а не в одном – для наших ушей. Нам понадобится это интуитивное понимание волновой природы видимого мира, чтобы в следующей главе разобраться, как устроены пиксели.

Розеттский камень

Жан-Франсуа Шампольон жил в Гренобле, где Фурье по «просьбе» Бонапарта занимал пост префекта. Фурье познакомил юного Шампольона с Розеттским камнем, в верхней трети которого находились таинственные древнеегипетские иероглифы. В течение следующих двух десятилетий Шампольон расшифровал их, опираясь на древнегреческий текст в нижней части камня.

Успешному результату поспособствовали особые отношения Фурье с первым консулом. Неоднократно Шампольона пытались забрать в армию, но каждый раз Фурье обращался за помощью к главному ценителю египетских древностей – Наполеону Бонапарту. Таким образом, освобожденный от военной службы Шампольон расшифровал надписи на Розеттском камне и заложил основы египтологии.

Великую идею Фурье, что мир есть музыка, а всё вокруг суть волны, можно назвать Розеттским камнем науки, а Фурье – ее Шампольоном. Сегодня ученые, инженеры и технологи говорят на языке частот Фурье. Это универсальный язык звука, изображения, видео и так далее. Фурье показал, как переводить с языка частот на обычные языки – например, цветов в пространстве или звуковых амплитуд во времени – и наоборот.

Возможно, вы слышали, как кто-нибудь в непринужденной беседе говорит: «Мне недостаточно полосы пропускания». Если вы разбираетесь в технике, то сразу поймете, о чем идет речь. Если нет, то, вероятно, догадаетесь, что это означает что-то вроде «производительности», но не поймете почему. А все дело в том, что это слово из языка частот Фурье.

Полоса пропускания – это технический термин, означающий меру пропускной способности канала связи. Например, человеческое ухо воспринимает звуки, обладающие частотой от 20 до 20 000 циклов в секунду. Таким образом, его полоса пропускания – это разница между ними, диапазон частот, улавливаемых ухом. В повседневном общении выражение «пропускная способность» используется метафорически для обозначения чего-то вроде способности обрабатывать информацию.

Язык частот, как в приведенном примере, разграничивает две культуры. Для искусства он китайская грамота – или, продолжая метафору с Розеттским камнем, язык частот (или язык волн Фурье) подобен древнеегипетским иероглифам. Теперь давайте посмотрим, как иероглифы Фурье – его волны в двумерном виде – могут представлять изображения.

Морщины и борозды

Что такое двумерная волна? До сих пор мы рассматривали только одномерные волны, вроде тех, которые изображают звук. Для применения идеи Фурье к визуальному миру нам необходима двумерная версия волны.

Одномерная волна – это размотанная окружность. Двумерная волна – это раскрученный цилиндр. Чтобы представить двумерную волну, вообразите, что секундная стрелка из нашего примера с часами выдавливает изображение перпендикулярно странице. В результате получится рифленая поверхность, похожая на вспаханное поле с бороздами. Металлический профлист (рис. 1.6), которым обшивают стены зданий, – наглядный пример двумерной пространственной волны. Из гофрированных пластиковых панелей делают козырьки и навесы. Бывают даже рифленые картофельные чипсы. Волнистый слой между плоскими поверхностями гофрокартона – это тоже пространственная волна. Красная черепичная крыша в средиземноморском стиле – еще один пример.

Итак, гофра – это двумерная пространственная волна. Посмотрев на нее с краю или в поперечном сечении, вы увидите одномерную волну. Впрочем, любое ее прямолинейное сечение – это одномерная волна.

Великая идея Фурье заключается в том, что весь видимый мир можно представить только как сумму рифленых пространственных волн разных частот и амплитуд. Единственный дополнительный нюанс, связанный со вторым измерением, состоит в том, что волны могут поворачиваться в любую сторону. Борозды могут идти с севера на юг, с востока на запад, с северо-востока на юго-запад или под любым другим углом, что особенно важно для мира природы. «Материалом» пространственных волн может быть оцинкованное железо или, как мы видим на рисунке, гофрированный пластик. Инженеры используют идею Фурье для описания всех сложных паттернов, как природных, так и рукотворных, состоящих из любых материалов, встречающихся в окружающем мире.

Но для понимания пикселя нам нужно учесть точку зрения того, кто смотрит на этот мир. Мир может состоять из железа, пластмассы и картофеля, но мы видим лишь яркое разноцветное поле со светлыми и темными формами и оттенками. Волны Фурье создают мир, который мы видим, из интенсивности света, изменяющейся в поле зрения.

Рис. 1.6

Как можно представить себе такое поле? Один из очевидных способов описать мир, воспринимаемый нашими глазами, – зарегистрировать интенсивность света в каждой точке поля зрения. Но учесть придется каждую точку. Поле зрения непрерывно: в нем в каждую воображаемую точку падает свет, и между ними нет промежутков. Независимо от того, насколько близко друг к другу расположены две точки, между ними обнаружится еще одна. То есть в поле зрения попадает бесконечное количество точек и, следовательно, бесконечное количество значений их освещенности.

Фурье предлагает альтернативный способ: представить видимый мир как сумму пространственных волн, сложение которых даст ту же самую картину, что и описание каждой точки. Изображенное в верхнем ряду на рисунке 1.7, например, можно описать как значение серого в каждой точке или обозначив параметры всего одной волны Фурье. Пространственная волна, соответствующая этому рисунку, имеет частоту около двух циклов на дюйм, направлена по горизонтали, ее яркость колеблется от черного до белого. Вместо огромного количества оттенков серого в каждой точке для описания картинки нам понадобятся всего несколько значений – одна частота и одна максимальная амплитуда.

Кстати, в верхнем ряду на этом рисунке показана (частично) одна из волн Фурье, вид сверху. Совсем неудивительно, что это изображение полностью описывается «по Фурье» именно волной. Обратите внимание, что вы видите волновые колебания, составляющие картину в поле вашего зрения, точно так же как слышите вибрации, составляющие звук. «Материал», из которого сделаны волны на рисунке 1.7, – это интенсивность света (или яркость), воспринимаемая как разные оттенки серого. Гребни волны окрашены в более светлый серый цвет, а ложбины – в более темный. (Этот рисунок – двумерный аналог волнистых линий, изображенных на рисунке 1.2.)

Амплитуда волны соответствует яркости изображения, так же как для звука она соответствует громкости. Частота означает количество деталей – именно ее имеют в виду люди, когда говорят об изображении с высоким разрешением или о видео высокой четкости. Большая амплитуда подразумевает высокую яркость, а высокая частота – подробную детализацию.

Если изображение неоднотонно, там присутствует информация еще и о цвете. В сетчатке нашего глаза есть три типа цветовых рецепторов – колбочек: по одному для интенсивности красного, зеленого и синего. Если точка на экране мобильного телефона или телевизора с определенной интенсивностью излучает красный, зеленый и синий цвета, то наш мозг получает от колбочек информацию об относительной силе этих трех сигналов и складывает из них итоговый цвет. В излучаемом электронными дисплеями свете первичные цвета смешиваются иначе, чем в свете, отраженном, скажем, от написанной маслом картины или отпечатанной в типографии страницы книги. Чтобы получить желтый цвет, мы должны включить красный и зеленый компоненты и выключить синюю часть. Но чтобы получить желтый свет, отраженный от страницы, мы должны блокировать синий элемент белого света и отражать только красный и зеленый. Независимо от технологии отображения глаз воспринимает все это одинаково. Поэтому далее я почти всегда буду использовать терминологию для излучаемого, а не отраженного света.

Рис. 1.7

Итак, представьте, что черно-белая картинка в верхнем ряду на рисунке 1.7 изображает цветную волну, скажем желтую. Гребень волны изображен серым – что-то между средне-серым и полностью белым, а гребень цветной волны будет желтым – что-то между средне-желтым и полностью желтым. Далее представим цветную волну как три волны одной частоты, но разной амплитуды – по одной для красных, зеленых и синих рецепторов сетчатки. Итак, желтая волна состоит из трех волн: первая похожа на показанную выше волну в градациях серого для красного рецептора, вторая точно такая же (и с той же амплитудой) для зеленого рецептора и третья такая же, но с нулевой амплитудой для синего рецептора. При равном количестве красного и зеленого и при отсутствии синего наш мозг видит желтую волну.

В среднем и нижнем рядах на рисунке 1.7 показаны другие двумерные волны – посмотрите, как они выглядят. Как и у одномерных волн на рисунке 1.2, у них разные частоты и разные амплитуды. Волна в нижнем ряду с самой высокой частотой имеет самую низкую амплитуду (серый цвет), а волна в верхнем ряду с самой низкой частотой имеет самую высокую амплитуду (почти белый цвет). Впрочем, это лишь пример. Волна может иметь любую частоту при любой амплитуде.

Итак, можем сделать вывод: мелким деталям на картинке при ее описании по Фурье соответствуют высокочастотные волны. Именно они изменяются достаточно быстро. В жаргоне специалистов по компьютерной графике есть выражение «В этой сцене много высоких частот», означающее, что в ней много мелких деталей и резких стыков.

Последнее замечание о стыках касается существенного факта, который стоит знать. Его непросто понять, но он напрямую вытекает из математики Фурье: внезапный переход на резком стыке требует высоких частот; очень внезапные изменения требуют очень высоких частот.

Вот как я формулирую изюминку теории Фурье:

Любое визуальное поле – назовем его картинкой или узором – представляет собой сумму исключительно изящных синусоидальных волн, подобных тем, что получаются при развертывании идеальных цилиндров.

Визуальный мир в виде волн не более загадочен, чем мир звука, – или, скажем так, столь же чудесно загадочен. Геттисбергскую речь можно описать как интенсивность звукового давления в каждый момент выступления Авраама Линкольна или как сумму звуковых волн различных частот и амплитуд, получив при сложении то же самое. Фурье научил нас, что оба описания эквивалентны.

Ученые и инженеры любят предложенный Фурье подход, потому что, используя его, они могут решать проблемы, с которыми сложно справиться при пошаговом описании.

Вместо того чтобы учитывать тысячи и тысячи световых точек, мы основываемся на частотах и амплитудах волн интенсивности света, которые складываются в точки. Изменившее мир учение Фурье заключает, что эти два описания эквивалентны. Визуальное поле из точек, если продолжить аналогию с Розеттским камнем, – это древнегреческий язык, а эквивалентные ему волны Фурье – иероглифы. Компьютерщику легче читать иероглифы, чем древнегреческий, но, согласно идее Фурье, это одно и то же – Розеттский камень тому подтверждение.

Критики Фурье не верили в его правоту, но математическое доказательство сомнений не оставило. Это и есть магия идеи и сокрушительная сила математики. Сложение волн разных частот даст нам картину… чего угодно! Моего цветочного сада, страницы, которую вы сейчас читаете, или фотографии вашего ребенка. В этом и заключается великая и очень важная идея Фурье.

Жажда тепла

Благодаря Бонапарту Фурье удалось пережить Террор и даже войти в правящую элиту Франции – если, конечно, считать элитой губернатора отдаленной провинции. Увлечение революцией в молодости и личное знакомство с императором могли доставить немало проблем, когда король дважды возвращался во власть. Тем не менее Фурье пережил эту круговерть, как и времена Террора. Опираясь на свой солидный политический опыт, он даже умудрился почти 13 лет продержаться в должности префекта департамента Изер, и только последний год оказался рискованным.

В течение 12 лет – с апреля 1802-го по апрель 1814-го – Фурье с максимальной пользой проводил свое изгнание, зарекомендовав себя в качестве опытного губернатора. Ему удалось заключить соглашение с сорока коммунами об осушении огромного болота в Бургуэне, что стало настоящим политическим достижением, поскольку все предыдущие попытки договориться провалились. Он проложил новую дорогу из Гренобля в Турин. Он покупал книги для городской библиотеки, покровительствовал одаренным молодым людям, в первую очередь Шампольону, и работал над многотомным «Описанием Египта», которое увидело свет в 1810 году. Несмотря на сильную занятость, Фурье каким-то образом нашел время для развития волновой теории. К ней его привели не прослушивание концертов Моцарта или созерцание красот Альгамбры, а размышления о распространении тепла как о движении волн. Возможно, его théorie de la chaleur (теория тепла) – а вместе с ней и его великая гармоническая идея – были его хитрым планом по возвращению в Париж.

Сам Фурье так говорил о своем экстраординарном интересе к теплу: «Вопрос о температурах земной почвы всегда представлялся мне одним из величайших предметов космологических исследований, и при создании математической теории тепла я главным образом имел в виду этот предмет». Он искал идею столь же грандиозную, как законы Ньютона.

Виктор Кузен, французский историк и философ, хорошо знавший Фурье, придерживался иного взгляда на мотивы ученого. Он писал, что, когда Фурье вернулся в Гренобль из Египта, он даже в самую жаркую погоду выходил на улицу только в пальто и на всякий случай брал с собой еще одно. У него развилась физическая потребность в тепле, что кажется эксцентричным, но, скорее всего, является симптомом какой-то болезни.

У французов есть слово, обозначающее таких людей. В английском языке оно отсутствует и имеет лишь отдаленный аналог в русском: Фурье был frileux – мерзляк. Он постоянно мерз. Он был избыточно, вероятно, даже болезненно чувствителен к холоду. Французское слово также несет дополнительный смысловой оттенок – что такой человек неспособен к личным теплым отношениям. Некоторые, возможно, считали, что Фурье к ним излишне холоден.

Неизвестно, когда Фурье начал писать свою работу о тепле, но она захватила его еще в Гренобле, всего через пару лет после возвращения из Египта. Ее еще несовершенная черновая версия, относящаяся, вероятно, к 1804 или 1805 году, содержит первое известное упоминание волновых функций. Академической публике Фурье представил значительно переработанный вариант этой рукописи в конце 1807 года в форме трактата под названием «Воспоминания о распространении тепла в твердых телах». За время, прошедшее между черновым наброском и окончательной версией, он разобрался в физике распространения тепла и провел множество экспериментов для проверки своих математических расчетов.