...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь

Сначала рассмотрим простой рисунок. Поступим так, как поступают начинающие художники, когда им нужно сделать копию с картины: разобьем ее на клетки. Чем меньше размер клеток, тем легче делать копию. После этого можно приступить непосредственно к двоичному кодированию картины. Условимся обозначать каждую клетку 0, если более половины ее площади не закрашено, и 1 в противном случае. Тогда в соответствии с принятым правилом код первой строки будет иметь вид 000001000, код второй строки — 001101100 и т. д., а двоичный код всей картины, записанный в виде последовательности кодов остальных строк, —

(С равным правом можно применить и "обратный" код, т. е. незакрашенному полю ставить 1, закрашенному — 0.)

Эту двоичную информацию — с виду она ничем не отличается от закодированной текстовой или речевой информации — можно записать в электронную память или передать на расстояние подобно тому, как передается двоичный код телеграмм. Правда, восстановленная по данной последовательности 0 и 1 картина будет отличаться от исходной. Однако если разбить изображение на достаточно большое число клеток (взяв, например, ширину клетки 0,5 мм или еще меньше), то можно добиться полного, как говорится, один к одному, сходства восстановленного изображения с оригиналом. Конечно, в этом случае двоичный код картины нам придется записывать на бумаге гораздо дольше: ведь он будет содержать в 50-100 раз большее число 0 и 1. Для того чтобы поместить в микросхему изображение размером всего лишь со спичечный коробок (4x5 см), объем ее памяти при ширине клеточки 0,5 мм должен составлять 8000 бит, а при ширине клеточки 0,1 мм — уже 200000 бит. Таким образом, более точное описание изображения требует больших информационных затрат. За качество, как всегда, приходится платить.

Обратите внимание, закодировать нашу картину двоичным кодом было весьма просто, поскольку мы имели дело с изображением, состоящим всего из двух цветовых градаций: поле каждой клеточки было условлено считать либо белым (0), либо закрашенным (1). А как быть с фотографией? Ну хотя бы с той, которую называем черно-белой. Ведь на ней вопреки названию имеются плавные переходы от белого цвета к черному. Как определить степень "яркости" той или иной клеточки? Дело осложняется еще и тем, что при разбиении фотографии на клеточки может оказаться, что яркость изображения даже внутри одной клеточки будет неодинаковой. Очевидно, чем меньше размеры клеточки, тем более однородной будет ее яркость. Если в клеточке размером 1 мм² нарисовать пять черных линий (есть умельцы, которые умудряются на рисовом зернышке разместить целое стихотворение), то человеческий глаз легко их различит. Если же таких линий больше, скажем десять, то глаз не сможет их различить: все они сольются воедино и клеточка будет казаться однотонной. Это свойство глаза — различать определенное число линий на 1 мм — называется его разрешающей способностью. Ученые установили, что разрешающая способность человеческого глаза у разных людей колеблется от 5 до 10 линий на 1 мм. Это означает, что для фотографических изображений размер клеточки должен быть не больше 0,1х0,1 мм, т. е. на 1 мм² изображения должно поместиться как минимум 100 таких клеточек. Только тогда можно считать яркость внутри клеточки всюду одинаковой.

— Но ведь на такого же размера клеточки мы разбивали и изображение, состоящее всего из двух тонов! — воскликнет наблюдательный читатель.

Правильно. Никакого особого отличия в разложении на отдельные элементы (клеточки) этих двух типов изображений нет. Разница заключается в другом. В первом случае было только две градации яркости (помните, поле либо белое, либо закрашенное?). Это и позволило нам сразу же применить двоичный алфавит: 0 и 1. Во втором же случае мы имеем дело с непрерывной шкалой изменения яркостей элементов изображения (от белого цвета до черного).

Как же поступить в этом случае? Экспериментально установлено, что для качественного воспроизведения художественной фотографии достаточно иметь (опять-таки из-за конечной разрешающей способности глаза) всего 10–20 градаций яркости, отличающихся друг от друга. (Не напоминает ли вам такая фотография картину, сложенную из отдельных элементарных площадок подобно детской мозаике?) Значит, весь диапазон изменения яркости элемента изображения следует разбить на требуемое число градаций. После этого номер каждой градации нетрудно представить в двоичной системе счисления. Для записи, скажем, любой из 20 градаций достаточно 5 бит.

Итак, при двоичном кодировании фотографии яркость каждого элемента (клеточки) изображения может быть записана 5-разрядным числом из 0 и 1. Заметим, что для фотографии размером со спичечный коробок нужна электронная память, содержащая в 5 раз больше ячеек, чем для двухтонового рисунка (т. е. 1 млн бит).

Как практически осуществляют двоичное кодирование изображения? Ведь не разбивают же фотографию на такие, прямо скажем, микроскопические клеточки вручную? Впрочем, если мы преодолеем эту трудность, то сразу же столкнемся с другой: к какой разрешенной градации следует отнести яркость той или иной клеточки.

Чтобы автоматизировать процедуру двоичного кодирования изображения, необходимо научиться выделять из него отдельные элементы и измерять их яркость. Давайте посмотрим, как это делает такой "естественный" прибор, как человеческий глаз.

Вопрос о том, как устроен человеческий глаз, волновал людей еще в глубокой древности. Им интересовались такие крупные философы и мыслители, как Демокрит (V–IV вв. до н. э.), Аристотель (IV в. до н. э.), Герофил ((II в. до н. э.), Тит Лукреций Кар (I в. до н. э.) и др. Но первые достоверные физиологические данные были получены лишь в I в. н. э. талантливым представителем древней медицины Клавдием Галеном (примерно 120–201 гг. н. э.).

…Гладиаторы бились уже два часа. Но вот под восторженный рев трибун один из них тяжело ранил своего соперника, и очередной бой в школе гладиаторов в римском городе Пергам закончился. Над раненым гладиатором склонился человек с обрамленным курчавой бородкой лицом и добрыми, излучавшими какой-то особенный свет глазами. Это был врач гладиаторов Клавдий Гален.

Сын богатого архитектора, он получил хорошее образование в области философии, математики, естественных наук, но решил посвятить себя врачебному искусству. Лечение израненных, с вывихами и переломами гладиаторов многому научило Галена и пригодилось ему позже, когда римский император Марк Аврелий сделал его придворным медиком.

Искуснейший врач своего времени, Гален положил начало общей физиологии человека и физиологии зрения, в частности. Благодаря ему человечество впервые узнало, что глаз состоит из хрусталика, радужной оболочки с отверстием (зрачком), сетчатки и зрительного нерва, связывающего сетчатку с мозгом.

Спустя несколько столетий (в IX в.) крупнейший ученый древнего Востока, физик, математик, медик Абу Али Ион аль-Хайсам (Альгацена) в своей знаменитой книге "Оптика" изложил первые научные основы зрения. Он разъяснил, что предметы посылают в глаз лучи каждой своей частицей и каждый луч возбуждает в глазу соответствующую точку хрусталика. Альгацена даже воспроизвел простейшую модель глаза: коробку с маленькой дырочкой, на задней стенке которой он получил изображения от нескольких зажженных свечек, поставленных перед дырочкой. Его наблюдения позволили сделать важный вывод: любой луч движется сквозь дырочку самостоятельно, не мешая другим.

Оба ученых — и Гален, и Альгацена — ошибочно приписывали хрусталику роль светочувствительного элемента. Только в 1851 г. немецкому физиологу Г. Мюллеру удалось на опытах с лягушками доказать, что эту функцию выполняет сетчатка глаза. Другой немецкий физиолог И. Кюнс проделал такой опыт: на неподвижный глаз кролика, долго находящегося в темноте, он отбросил изображение светового окна с темным переплетом. Когда через некоторое время он извлек из глаза сетчатку, на ней достаточно ясно было видно изображение окна. Получилась живая фотография!

Глаз часто сравнивают с фотоаппаратом: хрусталик — это объектив, фокусирующий изображение на сетчатку; зрачок — диафрагма, сужающаяся при большой освещенности предмета и расширяющаяся при малой: сетчатка — фотопленка, на которой фиксируется изображение предмета. Конечно, сходство здесь чисто внешнее, процессы, которые происходят в сетчатке глаза, на самом деле гораздо сложнее процессов, происходящих в фотопленке.

Сетчатка глаза состоит из множества светочувствительных элементов, или, как их называют, фоторецепторов — палочек и колбочек, соединенных с окончаниями волокон зрительного нерва. Два элемента изображения воспринимаются отдельно, если они попадают на две рядом расположенные колбочки. Каждая колбочка присоединена к отдельному окончанию нервных волокон. С помощью этих колбочек различаются мелкие детали изображения. Палочки подсоединяются к окончаниям нервных волокон группами и позволяют судить о яркости данного участка изображения. Следовательно, любое изображение, сфокусированное хрусталиком на сетчатку, разбивается на отдельные элементы. При различной яркости этих элементов по-разному раздражаются нервные окончания и в них возбуждаются биотоки различной силы. По волокнам зрительного нерва (этого удивительного, состоящего почти из 150 млн "проводов" природного "кабеля связи") биотоки передаются в мозг.