جهانی ساخته شده از مربعهای کوچک...
در دنیای امروز، ما در اقیانوسی از تصاویر دیجیتال غوطهور هستیم. در هر ثانیه، هزاران عکس در شبکههای اجتماعی آپلود میشود، تلسکوپ فضایی جیمز وب تصاویری با وضوح خیرهکننده از کهکشانهایی در فاصله میلیاردها سال نوری به زمین مخابره میکند، و دوربین گوشیهای هوشمند ما جزئیاتی را ثبت میکنند که حتی چشم غیرمسلح انسان قادر به دیدن آنها نیست. تمام این جهان بصری خیرهکننده، از رزولوشنهای 4K و 8K گرفته تا نرمافزارهای پیچیده تشخیص چهره، بر یک مفهوم بنیادین استوار است: «پیکسل».
اما اگر به شما بگویند تمام این امپراتوری بصری، با تمام عظمتش، از یک عکس سیاهوسفیدِ دندانهدار و بیکیفیت از چهره یک نوزاد سهماهه آغاز شده است، چه؟
داستان اختراع اولین عکس دیجیتال، روایتی از برخورد نبوغ مهندسی با عشق پدرانه است. این داستان درباره مردی به نام راسل کیرش (Russell Kirsch) است که در بهار سال 1957، تصمیم گرفت به جای پردازش اعداد و معادلات خشک ریاضی، به کامپیوترهای غولپیکر بیاموزد که چگونه دنیا را «ببینند». این مقاله، کالبدشکافی لحظهای است که آنالوگ به دیجیتال تبدیل شد و بررسی این معمای جذاب که چرا مخترع پیکسل، دههها بعد، بابت اختراع این مربعهای کوچک از جهانیان عذرخواهی کرد.
برای درک عظمت کار راسل کیرش، باید به فضای تکنولوژیک دهه 1950 میلادی سفر کنیم. در آن دوران، کامپیوترها دستگاههایی نبودند که روی میز قرار بگیرند؛ آنها هیولاهایی غولپیکر بودند که کل یک اتاق یا حتی یک طبقه از ساختمان را اشغال میکردند.
در اداره ملی استانداردهای آمریکا (NBS که امروزه با نام NIST شناخته میشود)، کامپیوتری به نام SEAC (کامپیوتر اتوماتیک شرقی استانداردها) وجود داشت. SEAC یک ماشین پردازشگر با هزاران لامپ خلاء بود که برای محاسبات پیچیده ریاضی، طراحی تسلیحات و پیشبینی وضع هوا استفاده میشد. در آن زمان، تنها راه ارتباط با این ماشینها، کارتهای پانچشده (Punch Cards) و نوارهای کاغذی بود. کامپیوترها فقط اعداد را میفهمیدند و هیچ درکی از فرم، شکل، نور یا تصویر نداشتند.
راسل کیرش، مهندس جوانی که سرپرستی یک تیم تحقیقاتی را در NBS بر عهده داشت، یک سوال جسورانه پرسید: «چه میشود اگر کامپیوتر بتواند به جای خواندن اعداد، دنیای فیزیکی اطراف ما را ببیند؟» این سوال در سال 1957، به همان اندازه علمی-تخیلی بود که امروز سفر انسان به کهکشان آندرومدا.
برای عملی کردن این ایده، کیرش و تیمش دستگاهی اختراع کردند که امروزه ما آن را به عنوان اولین «اسکنر تصویر» تاریخ میشناسیم. این دستگاه ساختار نسبتاً ساده اما نبوغآمیزی داشت: یک استوانه چرخان که یک عکس فیزیکی روی آن چسبانده میشد، و یک «لوله تکثیرکننده فوتون» (Photomultiplier Tube) که وظیفه داشت میزان نور بازتابیده شده از عکس را اندازه بگیرد.
در یکی از روزهای بهار 1957، دستگاه آماده آزمایش بود. کیرش باید یک عکس فیزیکی را برای اسکن انتخاب میکرد. او میتوانست یک سند متنی، یک نقشه نظامی یا یک شکل هندسی ساده را انتخاب کند. اما او تصمیم گرفت عکسی به ابعاد ۵ سانتیمتر از پسر نوزاد سهماههاش، «وُلدن» (Walden)، را روی استوانه اسکنر قرار دهد.
با چرخش استوانه، سنسور نوری روی عکس حرکت میکرد. کامپیوتر SEAC حافظه بسیار محدودی داشت، به همین دلیل کیرش مجبور شد تصویر را به یک شبکه بسیار کوچک از نقاط تقسیم کند. این اسکنر، عکس نوزاد را به یک ماتریس 176 نقطهای تجزیه کرد. در مجموع، تصویر نهایی از 30,976 نقطه تشکیل شده بود. (برای مقایسه، دوربین یک آیفون مدرن حدود 12,000,000 پیکسل در یک عکس ثبت میکند).
عکسی که روی صفحه مانیتور ابتدایی کامپیوتر SEAC نقش بست، هیچ شباهتی به عکسهای باکیفیت امروزی نداشت. این تصویر فقط شامل دو رنگ بود: سیاه کامل یا سفید کامل (سیستم باینری 0 و 1). هیچ سایهروشن یا طیف خاکستری (Grayscale) در کار نبود.
اما تیم کیرش برای حل مشکل سایهروشنها از یک ترفند مهندسی خارقالعاده استفاده کرد. آنها عکس را چندین بار و با آستانههای نوری متفاوت اسکن کردند و سپس این اسکنهای متوالی را روی هم قرار دادند. با این ترکیب، آنها توانستند یک تصویر با طیف خاکستری شبیهسازی کنند. نتیجه نهایی، چهرهای پیکسلی، دندانهدار اما کاملاً قابل تشخیص از وُلدن نوزاد بود که با چشمان درشتش به بیرون از دنیای دیجیتال خیره شده بود.
این تصویر پیکسلی 176 مربعی، در سال 2003 توسط مجله معتبر لایف (Life) در فهرست «100 عکسی که جهان را تغییر دادند» قرار گرفت. این عکس، بیگبنگِ (انفجار بزرگ) دنیای دیجیتال بود. نقطهای که در آن، آنالوگ برای همیشه جای خود را در حافظه کامپیوترها باز کرد.
اهمیت کاری که راسل کیرش انجام داد، بلافاصله درک نشد. در آن زمان، بسیاری این کار را صرفاً یک سرگرمی مهندسی میدانستند. اما در کمتر از یک دهه، تکنیک تجزیه تصویر به واحدهای کوچک (پیکسلها) جهان را متحول کرد.
در اواخر دهه 1960 و همزمان با مسابقه فضایی، ناسا برای ارسال تصاویر سطح ماه به زمین در ماموریتهای آپولو، از همان اصول پایهای که کیرش ابداع کرده بود استفاده کرد. فرستادن تصاویر آنالوگ از فضا به زمین پر از نویز و عملاً غیرممکن بود، اما تبدیل تصاویر به دادههای دیجیتال (صفر و یک) و مخابره آنها، راهگشای اکتشافات فضایی شد.
در دهههای بعد، این تکنولوژی به پیدایش دستگاههای سیتی اسکن (CT Scan) در پزشکی، بارکدخوانها، ماهوارههای جاسوسی، دوربینهای دیجیتال و در نهایت، شکلگیری اینترنتِ مبتنی بر تصویر کمک کرد. هوش مصنوعی امروزی که چهره شما را برای باز کردن قفل گوشی تشخیص میدهد، مستقیماً از روی همان معماریای کار میکند که کیرش برای اسکن عکس پسرش طراحی کرده بود.
اما جذابترین و ژورنالیستیترین بخش زندگی راسل کیرش، نه در سال 1957، بلکه نیم قرن بعد در سال 2010 رقم خورد. زمانی که کیرش در دهه هشتاد زندگی خود به سر میبرد، مصاحبهای عجیب با مجله Wired انجام داد و حرفی زد که جامعه علوم کامپیوتر را شگفتزده کرد: او رسماً بابت اختراع پیکسلهای مربعی عذرخواهی کرد!
ماجرا از این قرار بود که وقتی کیرش در سال 1957 در حال تعریف واحد سازنده تصویر بود، تصمیم گرفت آنها را به شکل مربع طراحی کند. دلیل این انتخاب، محدودیتهای منطق ریاضی و حافظه کامپیوترهای آن زمان بود. در کامپیوترهای اولیه، دادهها در قالب ماتریسهای سطری و ستونی (مانند خانههای یک جدول) پردازش میشدند. برای ماشینی که با کارتهای پانچ مربعی کار میکرد، طبیعیترین کار این بود که تصویر را هم به مربعهای کوچک تقسیم کند.
اما کیرش در سال 2010 اعتراف کرد که این «منطقیترین انتخاب»، در واقع یک «خطای فاجعهبار» بوده است. او گفت: “مربعها، زبان ماشینها هستند، نه زبانِ طبیعت. در طبیعت، شما هیچ موجودی را پیدا نمیکنید که از مربعهای ریز ساخته شده باشد. طبیعت از خطوط منحنی، فرمهای سیال و سلولهای نامنظم تشکیل شده است.”
مشکل بزرگ پیکسلهای مربعی پدیدهای به نام پلهپله شدن (Aliasing) است. وقتی شما سعی میکنید با استفاده از مربعهای کوچک، یک خط منحنی یا یک دایره (مثل انحنای چشم یک نوزاد) را رسم کنید، لبههای آن خط هرگز کاملاً صاف نخواهد شد؛ بلکه به صورت دندانهدار و پلهپله درمیآید. سالهاست که مهندسان گرافیک، توسعهدهندگان بازیهای ویدیویی (Anti-aliasing) و سازندگان نمایشگرها در حال مبارزه با این دندانهها هستند. آنها مجبورند تراکم پیکسلها (PPI) را آنقدر بالا ببرند که چشم انسان دیگر متوجه مربعی بودن آنها نشود. این کار نیازمند قدرت پردازشی و حافظه عظیمی است.
کیرش در مصاحبهاش با لحنی تلخ اما علمی گفت:
تصمیم من برای استفاده از پیکسلهای مربعی، چیزی بود که در آن زمان درست به نظر میرسید، اما من با این کار، جهان را با یک مشکل هندسیِ ابدی روبرو کردم که حالا همه مجبورند برای رفع آن میلیاردها دلار هزینه کنند.
کیرش انسانی نبود که فقط عذرخواهی کند و دست روی دست بگذارد. او در دهه نهم زندگیاش، در دوران بازنشستگی، شروع به توسعه یک مدل ریاضی جدید کرد. او سیستمی را پیشنهاد داد که در آن پیکسلها به جای مربعهای ثابت و خشک، بر اساس محتوای تصویر تغییر شکل دهند. در این سیستم که از نحوه کار چشم انسان و سلولهای شبکیه الهام گرفته شده بود، پیکسلها میتوانستند به شکل مثلث، چندضلعیهای نامنظم یا فرمهای منحنی درآیند تا خطوط و مرزهای تصویر را با دقت بسیار بالاتری، و با حجم داده بسیار کمتری ذخیره کنند.
اگرچه جهان تکنولوژی به قدری در زیرساختهای پیکسل مربعی غرق شده بود که امکان تغییر این استاندارد در سطح جهانی وجود نداشت، اما تحقیقات او الهامبخش نسل جدیدی از الگوریتمهای پردازش تصویر در هوش مصنوعی شد.
راسل کیرش در آگوست سال 2020، در سن 91 سالگی درگذشت. او در حالی چشم از جهان فروبست که میلیاردها نمایشگر در سراسر کره زمین، میراث مربعهای کوچک او را در خود جای داده بودند.
داستان اولین تصویر دیجیتال، فراتر از یک دستاورد خشک مهندسی است. این روایتی است از ذات انسان که تلاش میکند روح زندگی را در کالبد بیجان ماشینها بدمد. در آن بعدازظهر بهاری در سال 1957، راسل کیرش میتوانست هر چیزی را اسکن کند؛ یک معادله ریاضی، یک متن خشک اداری، یا لوگوی یک سازمان. اما او چهره پسر خردسالش را انتخاب کرد.
شاید در پس این انتخاب، یک حقیقت شاعرانه نهفته باشد: در لحظهای که ماشینها برای اولین بار چشم باز کردند تا جهان هستی را ببینند، اولین چیزی که با آن مواجه شدند، نگاه معصومانه یک کودک بود. کیرش شاید بابت شکل مربعی پیکسلها از ما عذرخواهی کرده باشد، اما جهان مدرن بابت بینایی دیجیتالش، تا ابد مدیون او و عکس سهدرچهارِ پسر کوچکش خواهد بود.
