¿Por qué los píxeles son cuadrados?

Solución:

Los píxeles en las pantallas son cuadrados, pero no estoy seguro de por qué.

No son (necesariamente) cuadrados.

Algunos dirían que son nunca cuadrado (“Un píxel es una muestra puntual. Existe solo en un punto”).

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Entonces, ¿cuál es la ventaja de los cuadrados en una pantalla LCD / CRT?

• Otros arreglos (como triángulos, hexágonos u otros polígonos de relleno de espacio) son más costosos computacionalmente.

• Cada formato de imagen se basa en píxeles (cualquiera que sea su forma) dispuestos en una matriz rectangular.

• Si tuviéramos que elegir otra forma o diseño, habría que reescribir una gran cantidad de software.

• Todas las fábricas que actualmente fabrican pantallas con un diseño de píxeles rectangulares tendrían que ser adaptadas para algún otro diseño.

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Aspectos prácticos del uso de un sistema de coordenadas hexagonales

En general, hay cuatro consideraciones principales que deben tenerse en cuenta al utilizar un sistema de coordenadas hexagonales:

• Conversión de imágenes: el hardware capaz de capturar imágenes del mundo real directamente en una celosía hexagonal es altamente especializado y, por lo tanto, generalmente no está disponible para su uso. Por lo tanto, se requieren medios eficientes para convertir una imagen estándar enrejada cuadrada en una hexagonal antes de que se pueda realizar cualquier procesamiento.
• Direccionamiento y almacenamiento: cualquier manipulación realizada en imágenes debe poder indexar y acceder a píxeles individuales (en este caso, hexágonos en lugar de cuadrados), y cualquier imagen en forma hexagonal debe poder almacenarse en forma hexagonal (de lo contrario, la conversión de imágenes tendría que realizarse cada hora en que se accedió a la imagen). Además, un sistema de indexación que sea simple de seguir y simplifique la aritmética de ciertas funciones sería muy valioso.
• Operaciones de procesamiento de imágenes: para hacer un uso efectivo del sistema de coordenadas hexagonales, se deben diseñar o convertir operaciones que estén orientadas a explotar las fortalezas del sistema, y ​​particularmente las fortalezas del sistema de direccionamiento utilizado para indexación y almacenamiento.
• Visualización de imagen: al igual que con la obtención de la imagen en primer lugar, los dispositivos de visualización en general no utilizan celosías hexagonales. Por lo tanto, la imagen convertida debe devolverse a un formato que pueda enviarse a un dispositivo de salida (ya sea un monitor, una impresora o alguna otra entidad) y la pantalla resultante aparecerá en proporciones y escala naturales. La naturaleza exacta de esta conversión depende del método de indexación utilizado. Esto podría ser una simple reversión del proceso de conversión original o una convolución más considerable.

Problemas con los sistemas de coordenadas hexagonales

Sin embargo, existen algunos problemas con los sistemas de coordenadas hexagonales. Un problema es que la gente está muy acostumbrada a la tradicional celosía cuadrada.

Razonar en maleficios puede parecer antinatural y, por lo tanto, un poco difícil. Si bien se podría argumentar que las personas pueden acostumbrarse a él si es necesario, sigue siendo el caso de que se inclinarán naturalmente hacia el razonamiento con el sistema de coordenadas cartesiano tradicional por defecto, con los sistemas hexagonales simplemente como una opción secundaria.

La falta de dispositivos de entrada que se mapeen en celosías hexagonales y la falta de dispositivos de salida que se muestren como tales también es un obstáculo:

• La necesidad de convertir de cuadrados a hexágonos y viceversa resta valor a la utilidad de operar sobre celosías hexagonales.

• Dado que tales celosías son más densas que las celosías cuadradas equivalentes del mismo tamaño aparente, a menos que las imágenes se alimenten con una resolución deliberadamente más alta que la que se va a utilizar, las imágenes convertidas deberán extrapolar algunas ubicaciones de píxeles (lo que generalmente es menos deseable que tener todas píxeles proporcionados directamente desde una fuente).

• La conversión de nuevo a celosías cuadradas colapsaría algunas ubicaciones de píxeles entre sí, lo que daría como resultado una pérdida de detalle aparente (lo que podría resultar en una imagen de menor calidad que la que se introdujo originalmente).

Si uno busca usar sistemas de coordenadas hexagonales en su propio trabajo de visión, entonces primero debe determinar si estos problemas son superados por las ventajas inherentes de operar con hexágonos.

Sistemas de coordenadas hexagonales de origen

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¿Se ha probado alguna otra forma o diseño?

La pantalla XO-1 proporciona un color para cada píxel. Los colores se alinean a lo largo de diagonales que van de la parte superior derecha a la inferior izquierda. Para reducir los artefactos de color causados ​​por esta geometría de píxeles, el controlador de pantalla difumina el componente de color de la imagen a medida que la imagen se envía a la pantalla.

Comparación de la pantalla XO-1 (izquierda) con una pantalla de cristal líquido (LCD) típica. Las imágenes muestran 1 × 1 mm de cada pantalla. Una pantalla LCD típica se dirige a grupos de 3 ubicaciones como píxeles. La pantalla LCD OLPC XO trata cada ubicación como un píxel independiente:

Fuente OLPC XO

Otras pantallas (especialmente OLED) emplean diferentes diseños, como PenTile:

El diseño consta de un quincunx que comprende dos subpíxeles rojos, dos subpíxeles verdes y un subpíxel azul central en cada celda unitaria.

Se inspiró en la biomimetización de la retina humana, que tiene un número casi igual de conos de tipo L y M, pero significativamente menos conos S. Como los conos S son los principales responsables de percibir los colores azules, que no afectan de forma apreciable a la percepción de luminancia, reducir el número de subpíxeles azules con respecto a los subpíxeles rojos y verdes en una pantalla no reduce la calidad de la imagen.

Este diseño está diseñado específicamente para funcionar y depender de la representación de subpíxeles que utiliza solo un subpíxel y cuarto por píxel, en promedio, para representar una imagen. Es decir, que cualquier píxel de entrada dado se asigna a un píxel lógico centrado en rojo o a un píxel lógico centrado en verde.

Fuente de la familia de matrices PenTile

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Definición simple de píxel

Cualquiera de los muy pequeños puntos que juntos forman la imagen en una pantalla de televisión, monitor de computadora, etc.

Fuente http://www.merriam-webster.com/dictionary/pixel

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Pixel

En la imagen digital, un píxel, pel o elemento de imagen es un elemento físico. punto en una imagen de trama, o el elemento direccionable más pequeño en un dispositivo de visualización direccionable de todos los puntos; por lo que es el elemento controlable más pequeño de una imagen representada en la pantalla.

…

No es necesario representar un píxel como un pequeño cuadrado. Esta imagen muestra formas alternativas de reconstruir una imagen a partir de un conjunto de valores de píxeles, utilizando puntos, líneas o filtrado suave.

Pixel de origen

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Relación de aspecto de píxeles

La mayoría de los sistemas de imágenes digitales muestran una imagen como una cuadrícula de píxeles cuadrados diminutos. Sin embargo, algunos sistemas de imágenes, especialmente aquellos que deben ser compatibles con películas de televisión de definición estándar, mostrar una imagen como una cuadrícula de píxeles rectangulares, en la que el ancho y la altura del píxel son diferentes. La relación de aspecto de píxeles describe esta diferencia.

Relación de aspecto de píxel de origen

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¡Un píxel no es un pequeño cuadrado!

Un píxel es una muestra puntual. Existe solo en un punto.

Para una imagen en color, un píxel puede contener tres muestras, una por cada color primario que contribuye a la imagen en el punto de muestreo. Todavía podemos pensar en esto como una muestra puntual de un color. Pero no podemos pensar en un píxel como un cuadrado o cualquier otra cosa que no sea un punto.

Hay casos en los que las contribuciones a un píxel se pueden modelar, en orden bajo, por un pequeño cuadrado, pero nunca el píxel en sí.

Fuente ¡Un píxel no es un pequeño cuadrado! (Nota técnica de Microsoft 6 Alvy Ray Smith, 17 de julio de 1995)

Me gustaría ofrecer una alternativa a la bien pensada respuesta de David Postill. En su respuesta, abordó la cuestión de que los píxeles sean cuadrados, tal como sugiere el título. Sin embargo, hizo un comentario muy perspicaz en su respuesta:

Algunos dirían que nunca son cuadrados (“Un píxel es una muestra puntual. Existe solo en un punto”).

Esta posición en realidad puede generar una respuesta completamente diferente. En lugar de centrarse en por qué cada píxel es un cuadrado (o no), puede centrarse en por qué tendemos a organizar estas muestras de puntos en cuadrículas rectangulares. ¡De hecho, no siempre fue así!

Para hacer este argumento, vamos a jugar una y otra vez entre tratar una imagen como datos abstractos (como una cuadrícula de puntos) y su implementación en hardware. A veces, una vista es más significativa que la otra.

Para empezar, retrocedamos bastante. La fotografía de película tradicional no tenía ninguna “cuadrícula”, lo cual es una de las razones por las que las imágenes siempre parecían tan nítidas en comparación con las digitales modernas. En cambio, tenía un “grano” que era una distribución aleatoria de cristales en la película. Era aproximadamente uniforme, pero no era una bonita matriz rectilínea. La organización de estos granos surgió del proceso de producción de la película, utilizando propiedades químicas. Como resultado, la película realmente no tenía una “dirección”. Fue solo una salpicadura de información en 2d.

Avance rápido al televisor, específicamente a los antiguos CRT de escaneo. Los CRT necesitaban algo diferente a las fotos: necesitaban poder representar su contenido como datos. En particular, tenía que ser datos que pudieran transmitirse, en analógico, a través de un cable (generalmente como un conjunto de voltajes que cambia continuamente). La foto era 2d, pero necesitábamos convertirla en una estructura 1d para que pudiera variar en una dimensión (tiempo). La solución fue cortar la imagen por líneas (¡no píxeles!). La imagen fue codificada línea por línea. Cada línea era un flujo de datos analógico, no un muestreo digital, pero las líneas estaban separadas entre sí. Por lo tanto, los datos fueron discretos en la dirección vertical, pero continuos en la dirección horizontal.

Los televisores tenían que procesar estos datos utilizando fósforos físicos, y un televisor en color requería una cuadrícula para dividirlos en píxeles. Cada televisor podía hacer esto de manera diferente en la dirección horizontal, ofreciendo más píxeles o menos píxeles, pero tenían que tener el mismo número de líneas. En teoría, podrían haber compensado cada dos filas de píxeles, exactamente como sugieres. Sin embargo, en la práctica esto no fue necesario. De hecho, fueron aún más lejos. Rápidamente se dio cuenta de que el ojo humano manejaba el movimiento de una manera que les permitía enviar solo la mitad de la imagen en cada cuadro. En un cuadro, enviarían las líneas impares, y en el siguiente cuadro, enviarían las líneas pares y las coserían.

Desde entonces, digitalizar estas imágenes entrelazadas ha sido un truco. Si tuviera una imagen de 480 líneas, en realidad solo tengo la mitad de los datos en cada cuadro debido al entrelazado. El resultado de esto es muy visible cuando intentas ver que algo se mueve rápidamente por la pantalla: cada línea es temporalmente desplazado 1 fotograma del otro, creando rayas horizontales en cosas que se mueven rápidamente. Menciono esto porque es bastante divertido: su sugerencia compensa cada dos filas de la cuadrícula en medio píxel a la derecha, mientras que el entrelazado cambia cada dos filas de la cuadrícula a la mitad del tiempo.

Francamente, es más fácil hacer estas bonitas rejillas rectangulares para las cosas. Sin ninguna razón técnica para hacerlo mejor que eso, se mantuvo. Luego llegamos a la era de las computadoras. Las computadoras necesitaban generar estas señales de video, pero no tenían capacidades analógicas para escribir una línea analógica. La solución fue natural, los datos fueron dividir en píxeles. Ahora los datos eran discretos tanto en vertical como en horizontal. Todo lo que quedaba era elegir cómo hacer la cuadrícula.

Hacer una cuadrícula rectangular fue extremadamente natural. En primer lugar, ¡todos los televisores ya lo estaban haciendo! En segundo lugar, la matemática para dibujar líneas en una cuadrícula rectangular es mucho más simple que dibujarlos en uno hexagonal. Podrías decir “pero puedes dibujar líneas suaves en 3 direcciones en una cuadrícula hexagonal, pero solo 2 en la rectangular”. Sin embargo, las cuadrículas rectangulares facilitan el dibujo de líneas horizontales y verticales. Las rejillas hexagonales solo se pueden hacer para dibujar una o el otro. En esa época, no muchas personas usaban formas hexagonales para ninguno de sus esfuerzos no informáticos (papel rectangular, puertas rectangulares, casas rectangulares …). La capacidad de hacer horizontal suave y Las líneas verticales superaron con creces el valor de crear imágenes suaves a todo color … especialmente teniendo en cuenta que las primeras pantallas eran monocromáticas y sería una largo el tiempo anterior a la suavidad de las imágenes jugó un papel importante en el pensamiento.

A partir de ahí, tiene un precedente muy sólido para una cuadrícula rectangular. El hardware de gráficos admitía lo que estaba haciendo el software (cuadrículas rectangulares) y el software apuntaba al hardware (cuadrículas rectangulares). En teoría, algún hardware podría haber intentado hacer una cuadrícula hexagonal, pero el software simplemente no lo recompensó, ¡y nadie quería pagar por el doble de hardware!

Este ayuno nos remite al día de hoy. Todavía queremos líneas horizontales y verticales suaves y agradables, pero con pantallas Retina de alta gama, eso es cada vez más fácil. Sin embargo, los desarrolladores todavía están capacitados para pensar en términos de la antigua cuadrícula rectangular. Estamos viendo algunos las nuevas API admiten “coordenadas lógicas” y suavizado para que parezca que hay un espacio 2d continuo completo para jugar en lugar de una cuadrícula de píxeles rígidos 2d, pero es lento. Eventualmente, podríamos ver cuadrículas hexagonales.

De hecho, los vemos, pero no con pantallas. En la impresión, es muy común utilizar una cuadrícula hexagonal. El ojo humano acepta la cuadrícula hexagonal mucho más rápido de lo que acepta una cuadrícula rectangular. Tiene que ver con la forma de “alias” de las líneas en los diferentes sistemas. Las cuadrículas hexagonales se alias de una manera menos brusca, con lo que el ojo se siente más cómodo (si una cuadrícula hexagonal necesita subir o bajar una fila, pueden hacerlo sin problemas sobre una transición diagonal. Las cuadrículas rectangulares tienen que saltar, creando una discontinuidad clara)

Dos razones:

• Una forma rectangular versus circular, triangular o de más de 4 lados tiene la ventaja de que se puede colocar junto a otros rectángulos con el mínimo de “espacio desperdiciado”. Esto asegura que el área completa del píxel contribuya a la imagen. Pueden existir otras formas que “encajen entre sí”, pero probablemente serían más complejas de fabricar que simples cuadrados o rectángulos, pero sin introducir ninguna ventaja adicional.

• Una pantalla pixelada de propósito general, una que podría usarse para mostrar cualquier tipo de información, debe tener píxeles que no favorezcan ciertos tipos de formas. Por lo tanto, los píxeles deben ser cuadrados en lugar de más largos o más anchos en una dirección, y no deben cortarse ni rotarse de ninguna manera.

  • Si los píxeles son más altos que anchos, el grosor mínimo de una línea horizontal será más ancho que el grosor mínimo de una línea vertical, haciendo que las líneas horizontales y verticales se vean diferentes, para el mismo número de píxeles.

  • Si se giran los píxeles, solo las líneas en ángulo que coincidan con el ángulo de rotación se verán suaves, cualquier otra línea se verá irregular. La mayoría de los sistemas operativos y el software de productividad se basan en líneas rectas, por lo que serían muchos bordes irregulares o irregulares.

  • Los píxeles cortados (rombos) serían lo peor de ambos mundos: ni las diagonales ni las horizontales / verticales serían suaves.

Si no está interesado en una pantalla de uso general, sino en una orientada a un propósito específico, entonces puede ser más flexible. Un ejemplo extremo es el LED de 7 segmentos, si todo lo que necesita hacer es mostrar un número, 7 píxeles no cuadrados dispuestos de esa manera es todo lo que necesita. O LEDs de 15 segmentos que permiten letras.

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