Τι είναι Pixel (Εικονοστοιχείο). Τεχνικές πληροφορίες

Στο παρόν άρθρο θα εξηγήσω διεξοδικά και αναλυτικά τι σημαίνει Pixel (Εικονοστοιχείο) με όλες τις απαραίτητες τεχνικές πληροφορίες.

Τι είναι Pixel (Εικονοστοιχείο)

Ένα Pixel (ελληνικά εικονοστοιχείο) εκφράζει μία τιμή χρώματος στην ψηφιακή απεικόνιση, και τυπικά είναι ένα μονωμένο σημείο π.χ. μέσα σε μία φωτογραφία και θεωρείται απαραίτητο για τη λήψη ή την εμφάνιση στοιχείων σε μια οθόνη. Φανταστείτε ότι είναι κάτι περίπου σαν ψηφιδωτό και αποτελεί μία ψηφίδα από τις πολλές που υπάρχουν μέσα στο σχήμα.

Επιπρόσθετα τα pixels (ιδιαίτερα τα megapixels) συναντώνται και στον αισθητήρα μιας φωτογραφικής μηχανής ή κάμερας, ο οποίος λέμε ότι είναι 24 megapixels και αποδίδει για παράδειγμα ανάλυση της τάξεως των 1200 x 2400 pixels στην οθόνη ενός έξυπνου κινητού τηλεφώνου ή σε κάποιο PC μόνιτορ.

Οι αριθμητικές έννοιες του Pixel

Μεγαλώνοντας επαρκώς μια εικόνα (κάνοντας ζουμ) στην οθόνη του υπολογιστή, τα pixels που τη συνθέτουν μπορούν να παρατηρηθούν με απόλυτη ευκρίνεια. Τα εικονοστοιχεία είναι τα σημεία χρώματος και οι εικόνες σχηματίζονται ως μια διαδοχική ακολουθία των pixels. Η ακολουθία σηματοδοτεί τη συνοχή των πληροφοριών που παρουσιάζονται στο σύνολο τους στη ψηφιακή χρήση. Η αναπαράσταση του εικονοστοιχείου στην οθόνη, δηλαδή στο σημείο να είναι προσβάσιμη στο μάτι ανά μονάδα, έχει ως αποτέλεσμα να σχηματίζει μια ομοιογενή περιοχή ως προς τη διακύμανση του χρώματος και της πυκνότητας ανά ίντσα.

Σε εικόνες bitmap ή σε συσκευές παρουσίασης γραφικών, κάθε εικονοστοιχείο κωδικοποιείται από ένα σύνολο bit καθορισμένου μήκους (βάθος χρώματος). Για παράδειγμα, ένα pixel μπορεί να κωδικοποιηθεί με 1 byte (8 bit ), έτσι ώστε κάθε pixel να υποστηρίζει έως και σε 256 παραλλαγές χρώματος (2⁸ δυαδικές δυνατότητες), από 0 έως 255.

Στις λεγόμενες αληθινές έγχρωμες εικόνες, συνήθως χρησιμοποιούνται 3 byte (24 bits) για να οριστεί το χρώμα ενός εικονοστοιχείου. Δηλαδή, συνολικά μπορούν να παρασταθούν περίπου 2²⁴ χρώματα, αυτό σημαίνει 16,777,216 παραλλαγές χρώματος. Μια εικόνα στην οποία τα 32 bit χρησιμοποιούνται για να αντιπροσωπεύουν ένα εικονοστοιχείο έχει τον ίδιο αριθμό χρωμάτων με τα 24 bits, αφού τα άλλα 8 bit χρησιμοποιούνται για εφέ διαφάνειας.

Για να μπορέσετε να απεικονίσετε, να αποθηκεύσετε και να επεξεργαστείτε τις αριθμητικές πληροφορίες που αναφέρονται σε κάθε εικονοστοιχείο, είναι απαραίτητο να γνωρίζετε, εκτός από το βάθος και τη φωτεινότητα του χρώματος, το μοντέλο χρώματος που χρησιμοποιείται. Για παράδειγμα, το έγχρωμο μοντέλο RGB (Κόκκινο – Πράσινο – Μπλε) σας επιτρέπει να δημιουργήσετε ένα χρώμα που αποτελείται από τα τρία κύρια χρώματα σύμφωνα με το σύστημα ανάμειξης προσθέτων.

Με αυτόν τον τρόπο, ανάλογα με την ποσότητα καθενός από αυτά που χρησιμοποιείται σε κάθε εικονοστοιχείο, θα είναι το αποτέλεσμα του τελικού χρώματος. Για παράδειγμα, το χρώμα Ματζέντα επιτυγχάνεται με ανάμειξη κόκκινου και μπλε, χωρίς πράσινο στοιχείο (αυτό το byte έχει οριστεί στο 0). Οι διαφορετικές αποχρώσεις του ίδιου χρώματος επιτυγχάνονται μεταβάλλοντας την αναλογία στην οποία παρεμβαίνουν και τα δύο συστατικά (η τιμή των δύο αυτών bytes χρώματος του εικονοστοιχείου μεταβάλλεται).

Στο μοντέλο RGB είναι πιο συνηθισμένο να χρησιμοποιείτε 8 bit όταν αντιπροσωπεύετε την αναλογία καθενός από τα τρία κύρια συστατικά χρώματος. Έτσι, όταν ένα από τα συστατικά είναι 0, σημαίνει ότι δεν εμπλέκεται στο μίγμα και όταν είναι 255 (2⁸ – 1) σημαίνει ότι παρεμβαίνει δίνοντας το μέγιστο αυτού του τόνου, οι ενδιάμεσες τιμές παρέχουν την αντίστοιχη ένταση.

Οι ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές χρησιμοποιούν φωτοευαίσθητα ηλεκτρονικά εξαρτήματα, όπως CCDs (Charge-Coupled Device) ή αισθητήρες CMOS, που καταγράφουν τα επίπεδα φωτεινότητας ανά εικονοστοιχείο. Στις περισσότερες ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές, το CCD καλύπτεται με ένα μωσαϊκό χρωμάτων (Color filter array), με κόκκινες, πράσινες και μπλε (RGB) χρωματικές περιοχές που είναι συνήθως διατεταγμένες σύμφωνα με το φίλτρο «Bayer filter», έτσι ώστε κάθε pixel-sensor να καταγράφει τη φωτεινότητα ενός μόνο κύριου χρώματος Η κάμερα με τη σειρά της επεξεργάζεται τις πληροφορίες χρώματος από γειτονικά εικονοστοιχεία, χρησιμοποιώντας μια διαδικασία που ονομάζεται παρεμβολή χρώματος, για να δημιουργήσει την τελική εικόνα.

Διαστάσεις εικόνας ανάλογα με τον αριθμό των Pixels

Για να μάθετε τον συνολικό αριθμό εικονοστοιχείων σε μια φωτογραφική μηχανή, απλώς πολλαπλασιάστε το πλάτος της μέγιστης εικόνας που μπορεί να δημιουργήσει με το ύψος της – απενεργοποιώντας πρώτα το ψηφιακό ζουμ. Είναι επίσης δυνατό να διαιρέσετε τον αριθμό των εικονοστοιχείων σε πλάτος με τον αριθμό που αντιστοιχεί στο ύψος και να γνωρίζετε το ποσοστό της εικόνας που λαμβάνεται.

Τα εικονοστοιχεία ως διακριτά δείγματα

Συχνά, τα εικονοστοιχεία μοιάζουν να έχουν την μορφή ορθογώνιου ή τετράγωνου σχήματος. Ωστόσο, αυτή θεώρηση δεν αποτελεί την ακριβή έννοια του μοντέλου. Όσον αφορά την επεξεργασία του ψηφιακού σήματος, ένα pixel είναι ένα διακριτό δείγμα και δεν μπορούν να γίνουν δηλώσεις για άλλα σημεία εκτός από τα εικονοστοιχεία. Αυτό γίνεται σαφές όταν μεγεθύνετε το γραφικό ράστερ (αγγλικά Raster graphics): Η εμφάνιση ποικίλλει ανάλογα με την επιλεγμένη μέθοδο κλιμάκωσης και τα εικονοστοιχεία της αρχικής εικόνας, τα οποία δεν εμφανίζονται απαραίτητα ως τετράγωνα όταν μεγεθύνονται.

Η έννοια του μοντέλου ως ένα τετραγωνικό εικονοστοιχείο είναι ακατάλληλη επειδή παραμελεί τις διάφορες επιλογές για τη μετατροπή και εμφάνιση του περιεχομένου μιας εικόνας σε ράστερ γραφικά. Στα γραφικά υπολογιστών, στα οποία δημιουργούνται τεχνητές εικόνες, το επιθυμητό περιεχόμενο εικόνας μπορεί να αποτυπωθεί π.χ. είτε ως Vector graphics, είτε ως 3D σκηνή ή οποιοδήποτε άλλο τύπος απεικόνισης σε μια εικόνα. Συνεπώς είναι εσφαλμένη η εντύπωση ότι ένα Pixel έχει τετράγωνο σχήμα, αφού επαφίεται αποκλειστικά στο μέσο που θέλουμε να παρουσιάσουμε το οπτικό περιεχόμενο.

Επιπρόσθετα, το εκάστοτε φίλτρο (Reconstruction filter) που χρησιμοποιείται σε τούτη τη διαδικασία καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο τα χρώματα της αρχικής εικόνας σταθμίζονται στην περιοχή ενός εικονοστοιχείου. Σε ένα σύστημα λήψης εικόνων που ψηφιοποιεί ένα φυσικό σήμα εικόνας σε ένα οπτικό επίπεδο, το αντίστοιχο θεωρητικό φίλτρο (δηλαδή η λειτουργία εξάπλωσης σημείου) καθορίζεται από τα οπτικά και ηλεκτρονικά στοιχεία που περιέχει το σύστημα.

Για την επακόλουθη επεξεργασία της εικόνας, το εικονοστοιχείο που προκύπτει πρέπει να θεωρηθεί ως διακριτή τιμή δείγματος. Όταν μιλάμε για “πλάτος ενός εικονοστοιχείου”, στην πραγματικότητα εννοούμε την απόσταση μεταξύ των δύο γειτονικών εικονοστοιχείων που συνορεύουν με το κεντρικό. Το “κεντρικό σημείο” ενός εικονοστοιχείου αναφέρεται στην πραγματικότητα στο ίδιο το εικονοστοιχείο. Επίσης οι διατυπώσεις του τύπου “μισό εικονοστοιχείο” δεν υφίστανται.

Τιμές pixel

Η κωδικοποίηση χρωμάτων που χρησιμοποιείται στο εικονοστοιχείο καθορίζεται, μεταξύ άλλων, από τον συνδυασμό, την απόχρωση και το βάθος των χρωμάτων. Η απλούστερη περίπτωση είναι μια δυαδική εικόνα (Binary image) στην οποία ένα εικονοστοιχείο αποθηκεύει μια ασπρόμαυρη τιμή.

Εκτός από τις χρωματικές πληροφορίες, τα γραφικά ράστερ μπορούν επίσης να περιέχουν τη λεγόμενη Σύνθεση Άλφα (Alpha compositing), το οποίο περιέχει πληροφορίες διαφάνειας. Η αποθήκευση τυχόν περαιτέρω πληροφοριών είναι δυνατή, αλλά η ακριβής μορφή εξαρτάται από τη γραφική μορφή που χρησιμοποιείται, όπως π.χ σε κάποια τρισδιάστατη εικόνα. Όταν μιλάμε για μία συγκεκριμένη μορφή pixel, αυτή καθορίζεται εν μέρει και από την κάρτα γραφικών, η οποία βάσει των ικανοτήτων της αποτυπώνει στην οθόνη. Με λίγα λόγια, εάν είναι μία κακή κάρτα γραφικών μπορεί να παραμορφώσει το pixel και γενικότερα ολόκληρη την εμφάνιση της εικόνας.

Προβλήματα

Τόσο η πυκνότητα των εικονοστοιχείων (και συνεπώς ο τοπικός ρυθμός δειγματοληψίας) όσο και το μέγεθος των πληροφοριών που αποθηκεύονται στο εικονοστοιχείο (βάθος χρώματος, σύνθεση χρώματος, θέση, σχήμα …) είναι περιορισμένα στην πράξη, γι ‘αυτό και ένα εικονοστοιχείο μπορεί να αντιπροσωπεύει μόνο ένα στην πραγματικότητα.

Ο περιορισμός του ρυθμού τοπικής δειγματοληψίας σημαίνει ότι οι πληροφορίες εικόνας χάνονται. Σύμφωνα με το θεώρημα δειγματοληψίας του Nyquist-Shannon (Nyquist–Shannon sampling theorem), ορισμένα περιεχόμενα εικόνας και χαμηλός ρυθμός δειγματοληψίας ή πυκνότητα εικονοστοιχείων μπορεί να οδηγήσουν σε αλλοίωση ή σε Jaggies (είναι το ανεπίσημο όνομα για τα τεχνουργήματα στις εικόνες ράστερ, τα οποία προκαλούν κάποια είδους ψευδαίσθηση, δηλαδή άλλο εμφανίζεται και άλλο καταλαβαίνεις ότι βλέπεις).

Αυτές οι επιδράσεις μπορούν να εξουδετερωθούν με αντιαπόρριψη (Antialiasing). Η αντιαπόρριψη στα γραφικά υπολογιστών χρησιμοποιεί διαφορετικές μεθόδους. Η αντιαπόρριψη των οπτικών σημάτων μπορεί να γίνει με χαμηλή διέλευση, σε συνδυασμό με διόρθωση ανοίγματος .

Η μείωση, μεγέθυνση ή περιστροφή ενός γραφικού ράστερ μπορεί να οδηγήσει σε εικόνες που είναι θολές ή να εμφανίζονται ως ελαττωματικές με αρνητικό πρόσημο να εμφανίζεται ένα αλλοιωμένο αποτέλεσμα.

Εικονοστοιχεία σε αισθητήρες και οθόνες

Τα εικονοστοιχεία ενός αισθητήρα (π.χ. κάμερας) ή οθόνης αποτελούνται συνήθως από περιοχές με βασικό χρώμα το καθένα (κόκκινο, πράσινο και μπλε). Στις οθόνες υγρών κρυστάλλων (LCD ), κάθε ορατό στοιχείο εικόνας ελέγχεται με μια τιμή χρώματος. Οι περιοχές που είναι υπεύθυνες για τα βασικά χρώματα του εικονοστοιχείου, που ονομάζονται υπο -εικονοστοιχεία , συχνά είναι διατεταγμένες το ένα δίπλα στο άλλο.

Η δομή του υπο-εικονοστοιχείου, η οποία είναι λεπτότερη από το εικονοστοιχείο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αύξηση της οριζόντιας ανάλυσης κατά τη διάρκεια της ραστερίωσης (απόδοση υπο-εικονοστοιχείων ). Τριγωνικά, ακανόνιστα μεγέθους, εναλλάξ διατεταγμένα ή επιπλέον λευκά υπο -pixel είναι επίσης δυνατά, για παράδειγμα με τις γεωμετρίες εικονοστοιχείων PenTile από το SamsungΤο Με ορισμένες, ιδιαίτερα παλαιότερες, επίπεδες οθόνες, μπορεί να προκύψουν λεγόμενα σφάλματα pixel εξαιτίας της ελαττωματικής διαδικασίας κατασκευής τους.

Οι οθόνες των παλιών συμβατικών τηλεοράσεων προβάλλουν το σήμα εικόνας μέσω δέσμης ηλεκτρονίων σε μια μήτρα φωσφόρου με σταθερή ανάλυση. Η σχισμή , η λωρίδα ή η διάτρητη μάσκα που είναι τοποθετημένη μπροστά από το στρώμα φωσφόρου εγγυάται ότι διεγείρονται μόνο τα βασικά χρώματα που ανήκουν στις αντίστοιχες δέσμες ηλεκτρονίων. Λόγω του σχετικά ευρέος και περίπου κανονικά κατανεμημένου προφίλ έντασης των δέσμων ηλεκτρονίων καθώς και της παραμόρφωσης και του διασκορπισμένου φωτός, τα σημεία εικόνας της μήτρας φωσφόρου δεν ταιριάζουν ακριβώς με τα αναμενόμενα pixel, ακόμη και αν η ανάλυση εξόδου αντιστοιχεί στη φυσική ανάλυση της οθόνη.

Το φυσικό μέγεθος ενός εικονοστοιχείου εξαρτάται από τη συσκευή. Η πυκνότητα pixel μιας οθόνης καθορίζεται σε pixel ανά ίντσα (ppi) ή κουκκίδες ανά ίντσα (dpi). Οι οθόνες υπολογιστών που διατίθενται στο εμπόριο επιτυγχάνουν πυκνότητα pixel περίπου 100 ppi, που αντιστοιχεί σε 0,3 χιλιοστά ανά εικονοστοιχείο.

Στις τηλεοράσεις, η πυκνότητα των εικονοστοιχείων είναι συνήθως μικρότερη, ενώ στα νεότερα smartphones πολλές φορές υψηλότερη, ενώ στους αισθητήρες ψηφιακών φωτογραφικών μηχανών μπορούν να φτάσουν αρκετές χιλιάδες ppi. Ο μέγιστος αριθμός εικονοστοιχείων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε αισθητήρες εικόνας δίνεται συχνά σε megapixel, αν και ως επί το πλείστον εννοούνται μόνο τα σημεία χρώματος ενός αισθητήρα και όχι τα σημεία εικόνας.

Ο λόγος διαστάσεων ενός εικονοστοιχείου στην οθόνη (αγγλικά pixelAspectRatio) δεν χρειάζεται απαραίτητα να είναι 1:1. τα περισσότερα πρότυπα βίντεο SDTV υπαγορεύουν ακανόνιστες αναλογίες διαστάσεων pixel. Το μέγεθος και το ύψος του εικονοστοιχείου σε σχέση με την ανάλυση της εικόνας επηρεάζουν καθοριστικά την αναγνωσιμότητα των γραφικών σε οθόνες υπολογιστών και τηλεοράσεις.

Τι είναι Megapixel

Η κοινή μονάδα μέτρησης για τον ορισμό ενός ψηφιακού αισθητήρα απεικόνισης είναι τυπικά το megapixel (Mpx). Για παράδειγμα, ένας αισθητήρας που αποδίδει εικόνες 2.048 × 1.536 pixel (ή 3.145.728 pixels συνολικά) λέγεται ότι έχει ανάλυση 3,2 megapixel.

Ένα megapixel (Mpx) ισοδυναμεί με 1 εκατομμύριο pixels, σε αντίθεση με άλλες μετρήσεις που χρησιμοποιούνται στον υπολογισμό όπου η βάση του 1024 χρησιμοποιείται συνήθως για προθέματα, αντί για 1000, λόγω της ευκολίας του όσον αφορά τη χρήση του συστήματος. Αυτή η μονάδα χρησιμοποιείται συνήθως για να εκφράσει την ανάλυση εικόνας των ψηφιακών φωτογραφικών μηχανών.

Στη δεκαετία του 2010, όλες οι ψηφιακές κάμερες στην αγορά είχαν αισθητήρες πολλών εκατομμυρίων pixel, από 10 έως 36 megapixels, Ενώ στην τωρινή δεκαετία (του 2020) τα πράγματα έχουν ξεφύγει κατά πολύ. Παραδείγματος χάριν αυτήν τη στιγμή υπάρχουν στην αγορά ορισμένα Smartphone που έχουν 108 megapixel camera. Ωστόσο αυτό που δεν καταλαβαίνει ο περισσότερος κόσμος, είναι ότι δεν έχει μεγάλη σημασία αν μία κάμερα είναι 1.000 megapixel για τον απλό χρήστη, διότι στην πραγματικότητα δεν θα του χρησιμεύσει σε κάτι, τουλάχιστον σε τεχνικό επίπεδο.

Εκτός και αν πρόκειται για κάποιον επαγγελματία φωτογράφο ή κάποια εταιρεία που επιθυμεί οι φωτογραφίες της να αγγίζουν την τελειότητα, ιδίως κατά το ζουμ που θέλει να δει, ακόμη και την τρίχα από το κεφάλι του φωτομοντέλου που πρωταγωνιστεί στη διαφημιστική εκστρατεία της.

Για να το θέσω πιο απλά, τα 400 Mpx θα σου είναι χρήσιμα εάν έχεις βγάλει μία φωτογραφία και θέλεις να τη μετατρέψεις σε αφίσα που θα καλύπτει τον τοίχο μιας ολόκληρης πολυκατοικίας, αφού εκεί μετράει η παραμικρή λεπτομέρεια.

Για μία απλή φωτογραφία 10 * 10 εκατοστά, τα 24 Mpx θα αποτυπώσουν μία χαρά αυτό που έχει τραβηχτεί μέσω του φακού. Άλλωστε το γυμνό μάτι δεν έχει τη δυνατότητα να λειτουργεί, όπως ένα σύγχρονο μικροσκόπιο που εκεί τα πάντα μεγεθύνονται επί εκατοντάδες ή χιλιάδες φορές. Δηλαδή η ανθρώπινη όραση συνοδεύεται από πολλούς περιορισμούς.

Επί της ουσίας, άλλοι παράγοντες παίζουν καίριο ρολό στο κατά πόσο ένας αισθητήρας μιας κάμερας έχει τα εχέγγυα και τις δυνατότητες να τραβήξει μία πεντακάθαρη φωτογραφία, και όχι τα megapixels, αφού όπως προανέφερα για τον απλό άνθρωπο που δεν έχει τεχνικές γνώσεις και θέλει απλά να τραβάει selfie για να τις ανεβάσει στο Facebook και στο Twitter, τα 24 μέχρι 48 Mpx είναι υπεραρκετά.

Τι είναι Gigapixel

Ένα gigapixel (Gpx) ισούται με ένα δισεκατομμύριο Pixels, χρησιμοποιώντας τη βάση 1000 του Διεθνούς Συστήματος Μέτρησης Metric prefix, αντί για το βασικό πρότυπο 1024 ISO / IEC 80000 ή το δυαδικό πρόθεμα που χρησιμοποιείται συνήθως στο περιβάλλον υπολογιστών. Αυτή η μονάδα χρησιμοποιείται συνήθως για να εκφράσει την ανάλυση εικόνας των ψηφιακών φωτογραφικών μηχανών