Lược sử về pixel và những hiểu lầm về nó

 

Tất cả các dạng hình ảnh ngày nay đều được là từ pixel và đều là digital: sách, phim ảnh, truyền hình, trò chơi điện tử, màn hình điện thoại di động, giao diện app, ảnh vệ tinh... và cả những chữ viết bạn đang đọc trên trang báo này.

Nhưng việc xung quanh pixel lâu nay tồn tại nhiều hiểu lầm đã khiến Alvy Ray Smith, nhà đồng sáng lập hãng phim hoạt họa Pixar, phải viết hẳn một quyển sách có tên A Biography of the Pixel (Tiểu sử của Pixel). Bài này lược thuật lại một số ý chính trong bài tiểu sử về Pixel mà Smith đã viết cho tạp chí trực tuyến Aeon.

Từ một lý thuyết sóng âm thời Cách mạng Pháp

Nhà vật lý học người Pháp Joseph Fourier (1768-1830) là người đã đưa ra ý tưởng đầu tiên về các dạng sóng. Từng cùng Napoléon Bonaparte viễn chinh Ai Cập những năm 1798-1799, ông bị chính Napoléon đày đến thị trấn hẻo lánh Grenoble, để giữ mạng ông và quan trọng hơn, giữ cho những điều ông biết về sự ê chề của quân Napoléon ở Ai Cập không lan khắp Paris. 

Chính trong khi bị đày, Fourier đã hoàn thiện các ý tưởng về âm nhạc và âm thanh. Tất cả các loại âm thanh đều được tạo ra từ các sóng âm. Âm nhạc là sự tổng hợp của các sóng âm có tần số (cao độ) và biên độ (cường độ) khác nhau. Tín hiệu một chiều (1D), chẳng hạn như một chuỗi âm, là sự tổng hợp của các sóng đều (ảnh trái, hình 1). Từ phát hiện này của Fourier, chúng ta hiểu rằng tín hiệu hai chiều (2D) - chẳng hạn như một bức tranh - cũng là sự tổng hợp của các sóng đều. Chúng là các sóng 1D được nhìn từ trên xuống (ảnh phải, hình 1). Mọi loại hình ảnh đều chứa rất nhiều nếp sóng gấp này. 

Nhà tiên phong về lý thuyết thông tin Vladimir Kotelnikov (1908 - 2005) thuộc một dòng dõi toán học lâu đời ở Nga, sống qua toàn bộ thời kỳ Xô viết - Chiến tranh thế giới I, cách mạng Nga, Chiến tranh thế giới II và Chiến tranh lạnh. Năm 1933 ông công bố định lý lấy mẫu (sampling theorem), xây dựng dựa trên ý tưởng về sóng của Fourier, mà sau này trở thành cách thể hiện một hình ảnh dưới dạng những pixel.

 

Hãy xem hình 2a. Tín hiệu 1D là một đường nhấp nhô không đều, đường thẳng nằm ngang thể hiện độ lớn là 0 (với âm thanh) hoặc độ sáng là 0 (với hình ảnh). Từ Fourier, chúng ta biết rằng bất kỳ tín hiệu dạng gợn sóng liền mạch nào cũng có thể là sự tổng hợp của các sóng có tần số và biên độ khác nhau. 

Phương pháp của Kotelnikov là tìm một sóng Fourier có tần số cao nhất và lấy các điểm trung đoạn từ đồ thị sóng Fourier này đặt lên đường tín hiệu (2b). Khi bỏ đường tín hiệu đi, các điểm được lấy mẫu đặt cách đều nhau vẫn chứa đủ thông tin của tín hiệu gốc (2c).

 

Đến những vận dụng để ghi hình

Trong trường hợp hình ảnh, chúng ta gọi mỗi điểm mẫu như vậy là một pixel. Một pixel chỉ tồn tại ở một điểm, không chiều (0D), không phạm vi và không thể nhìn thấy được. Kotelnikov cũng chỉ ra cách khôi phục tín hiệu ban đầu từ các điểm mẫu hay là cách làm cho một pixel vô hình có thể nhìn thấy được.

Hình 3a chính là đường lượn từng xuất hiện trong bài báo cáo khoa học năm 1933 của Kotelnikov, được gọi là mã trải phổ (spreader). Việc nó uốn lượn đến vô cực theo cả hai hướng không thể sử dụng trong thế giới thực vốn luôn hữu hạn, nên ta giản lược nó lại thành một mã trải phổ có độ rộng hữu hạn như hình 3b. Nếu đặt một mã trải phổ lên mỗi điểm mẫu như ở hình 3c, rồi gộp các kết quả lại thì sẽ có đường in đậm trên cùng như ở hình 3d. Đó là tín hiệu ban đầu được tái tạo từ các điểm mẫu.

 

Hình ảnh là tín hiệu 2D, nên mã trải phổ sẽ trông giống như một ngọn núi (hình 4), nhưng mặt cắt ngang của mã trải phổ cho hình ảnh vẫn có dạng gốc, chính là mã trải phổ dùng cho âm thanh - tín hiệu 1D. Để tái dựng hình ảnh gốc, tất cả những gì chúng ta phải làm là dùng mã trải phổ để trải từng điểm mẫu hay pixel này ra và tổng hợp kết quả lại. Cũng có thể hiểu một hình ảnh kỹ thuật số giống như một thảm đinh mà mỗi cái đinh là một pixel.

 

Được chứa trong các dạng file hình ảnh, các pixel là vô hình, nên để nhìn thấy chúng, bạn cần gửi các pixel này đến thiết bị hiển thị. Những thiết bị này sẽ đọc file rồi trải phổ chúng ra thành những chấm sáng nhỏ trên màn hình. Toàn bộ quá trình hiển thị là quá trình vừa được mô tả và sơ đồ hóa ở trên. 

Những điểm phát sáng mà bạn thấy thực ra là những mã trải phổ pixel đang hoạt động. Nhiều người gọi những chấm này là pixel. Theo Alvy Ray Smith, điều đó không đúng và đó là một lỗi rất phổ biến.

Những hiểu lầm to lớn về pixel nhỏ bé

Pixel là những thứ digital, rời rạc, góc cạnh và không nhìn thấy được. Các điểm sáng nhỏ bé mà chúng ta có thể nhìn thấy kia lại là thứ analogue, chồng lấn nhau, mượt mịn và hữu hình. Theo Alvy Smith, cần phải gọi các điểm sáng trên màn hình là “phần tử hiển thị” (display element) để phân biệt với pixel, được viết tắt từ cụm từ “pictures element”, có nghĩa là “phần tử hình ảnh” hay “ảnh tử” (chứ không phải là “ảnh điểm” hay “điểm ảnh”).

 

Phần tử hiển thị và pixel về cơ bản là những loại khác nhau. Các phần tử hiển thị thường khác nhau tùy theo nhà sản xuất và tùy theo dạng màn hình hiển thị, và khác nhau theo thời gian khi công nghệ màn hình phát triển. Nhưng pixel, hạt cơ bản của mọi loại hình ảnh digital, thì tất thảy đều giống nhau ở mọi nơi mọi thời. Phân biệt được điều này sẽ giúp bạn hiểu vì sao cùng một file hình chứa cùng một số pixel như nhau mà khi mở trên những màn hình khác nhau thì cho hình ảnh có sắc và độ tương phản, chẳng hạn, khác nhau.

Pixel thì vô hình còn mã trải phổ thì có dạng núi chân tròn, vậy tại sao người ta cứ nghĩ pixel là hình vuông? Theo Alvy Smith, đó là do các ứng dụng và thiết bị hiển thị đã đánh lừa chúng ta bằng một mánh khóe rẻ tiền. 

Giả sử, để có hiệu ứng phóng to 20 lần trông đầy ngoạn mục, họ đã thay thế mỗi pixel đơn lẻ bằng cả một mảng vuông có 20x20 bản sao của pixel đó rồi cho hiển thị kết quả. Và thế là hình ảnh thu được là 400 pixel cùng một màu được xếp trong một hình vuông. Ngạc nhiên chưa! Đó không hề là hình ảnh từ một pixel gốc được làm cho lớn hơn 20 lần.

Lý do khác cho cái huyền thoại hình vuông nhỏ bé kia là vì trong buổi đầu sơ khai của lịch sử ánh sáng kỹ thuật số, người ta cứ quan niệm rằng hình ảnh do máy tính tạo ra phải cứng nhắc, tuyến tính, trông máy móc và không thanh nhã bởi vì... máy tính rất cứng nhắc, tuyến tính, vân vân và vân vân. 

Giờ thì chúng ta đều đã biết rằng điều này là sai. Máy tính là công cụ uyển chuyển nhất và xinh đẹp nhất mà con người chế tạo được.

 

Những ứng dụng rực rỡ

Chúng ta có thể dùng máy tính để tạo ra pixel, chứ không cần lấy mẫu từ thế giới thực. Một hình ảnh chụp sự vật từ thế giới thực có chứa hàng triệu pixel. Để tạo ra một hình ảnh có những sự vật không có thực thì cũng cần có hàng triệu pixel, có nghĩa là cần phải sử dụng máy tính để tính toán hàng triệu phép tính.

Khi chiếc máy tính đầu tiên - có tên là Manchester Baby - được tạo ra ở Anh vào năm 1948, nó đã có tính năng hiển thị các pixel thành hình ảnh. Nhưng vào thời đó cỗ máy đắt tiền độc nhất vô nhị nên được dùng cho việc tính toán chế tạo bom nguyên tử hơn là mấy thứ hình ảnh.

Ngày nay thì lại không thuận tự nhiên khi nghĩ đến một chiếc máy tính không hiển thị hình ảnh. Trò chơi điện tử tương tác đầu tiên xuất hiện vào năm 1951, cũng tại Manchester. Và trò chơi tương tác thứ hai và thứ ba xuất hiện vào năm 1952 và 1953, ở Cambridge, Anh. Bộ phim hoạt hình kỹ thuật số đầu tiên được thực hiện vào năm 1951, tại Cambridge, Mỹ, và phát trên chương trình truyền hình See It Now của Edward R Murrow. Đó là thời của những chiếc máy tính kiểu khủng long, to lớn, chậm chạp và mờ nhạt.

Tốc độ phát triển của ngành chế tạo máy tính đã cho ra đời những chiếc máy tốt hơn đến 100 tỉ lần so với năm 1965. Các pixel màu đã được tạo ra từ máy tính trên thiết bị mô phỏng Dự án Apollo Moon vào đầu năm 1967 ở NASA. Nó tạo ra hình ảnh màu có cả bóng đổ 3D để mô tả một module tàu Apollo Lunar.

 

Sau này nữa, chúng ta có những chiếc máy có thể tính toán pixel cho cả một khung hình trong một giờ và một bộ phim hoạt hình kỹ thuật số như Toy Story bản đầu sản xuất năm 1995 cần một năm để tính toán tạo ra tất cả các pixel. Tiếp sau đó là phim hoạt hình kỹ thuật số Antz (Kiến) của DreamWorks ra đời năm 1998 và phim Ice Age (Kỷ băng hà) của Blue Sky Studios ra đời năm 2002.

Đĩa video kỹ thuật số ra mắt lần đầu tiên vào năm 1996. Lần phát sóng đầu tiên của tín hiệu truyền hình độ nét cao diễn ra năm 1998. Máy ảnh kỹ thuật số chất lượng chuyên nghiệp đã đe dọa máy ảnh dùng phim từ năm 1999. Những gì từng là mực và giấy, nhiếp ảnh, phim ảnh và truyền hình, trong chớp mắt chỉ còn là những cái pixel khi bước qua thiên niên kỷ mới. ■