Как советский инженер изобрел пиксель и начал цифровую революцию
Элви Рэй Смит — один из основоположников современной анимации, который стоит у истоков Pixar и подразделения компьютерной графики Lucasfilm. Вместе с Эдом Кэтмаллом он в 1986 году основал компанию Pixar, которая шесть лет спустя выпустила первый полнометражный фильм, полностью сделанный с помощью компьютерной анимации — это была «История игрушек». Хотя Смит покинул компанию еще в 1991 году, его вклад в технологии Pixar проложил путь многим современным блокбастерам.
Журнал Fast Company называет Смита легендой компьютерной графики и сообщает, что именно он в 1970-х был одним из тех людей, которые создавали с ноля эту отрасль.
Wired пишет о нем как о «неизвестном гении», который создал компьютерную анимацию, какой мы ее знаем — после чего его «задвинул в угол» Стив Джобс. Его разработки в области компьютерного зрения применяются не только в анимации, но и в таких сервисах, как Photoshop, а также в технологиях дополненной реальности и беспилотных автомобилей.
Элви Рэй Смит, которому в этом году исполнится 80 лет, сравнительно недавно вышел из тени, опубликовав в 2021 году книгу. Однако это не его собственная версия истории Pixar и не мемуары — это биография пикселя. Книгу уже сравнивали со знаменитой научно-популярной работой Дугласа Хофштадтера «Гедель, Эшер, Бах: эта бесконечная гирлянда», где в художественной форме излагаются основные концепты , связанные с теоремой Геделя о неполноте.
Книга Смита о пикселе тоже весьма концептуальна, начинается со вклада в современную цифровую реальность французского математика XVII века Жан-Батиста Жозефа Фурье. Само понятие пиксель он понимает не как элемент картинки на мониторе, а как некую идею, определенным образом организованную информацию. Как пишет автор статьи Fast Company, посвященной книге, когда он в беседе со Смитом признался, что не совсем понял, что такое пиксель, тот ответил: «Никто не понимает. Поэтому я и написал свою книгу».
Книга «Пиксель. История одной точки» выходит на русском языке в издательстве Individuum в августе. Forbes публикует отрывок.
Человек, который изобрел пиксель и начал цифровую революцию, был председателем Верховного Совета РСФСР. Не в одно и то же время, но все-таки это один и тот же человек. Звали его Владимир Котельников. Котельников получил и множество советских наград, в том числе шесть орденов Ленина, две Сталинские премии, две звезды Героя Социалистического Труда. Он пережил Октябрьскую революцию 1917 года, а также все репрессии и войны, которые с тех пор составляют историю современной России. Он едва избежал ГУЛАГа — а точнее, тех самых «шарашек», — поскольку находился под защитой влиятельной жены одного из самых кровавых приспешников Сталина. Он поделился с американцами информацией о первом советском искусственном спутнике Земли и составил карту Венеры с помощью цифровых изображений — пикселей, полученных из космоса.
Заслуги Котельникова, что вполне ожидаемо для вдохновителя Великой цифровой конвергенции, отмечены и в Америке: в 2000 году он награжден медалью Александра Грэма Белла. Тем не менее его имя мало кому известно в Штатах. За ним редко признают одно из величайших открытий ХХ века — теорему выборки, идею, лежащую в основе всего мира цифровых медиа. Лавры первооткрывателя обычно достаются Клоду Шеннону, известному американскому инженеру и математику, хотя Шеннон никогда на них не претендовал.
В судьбе Котельникова проявились три движущие силы технологического прорыва: великая научная идея, хаос революции и войны, требующий воплотить ее в конкретное изобретение, и тираны, защищающие ученых и продвигающие их технологии. Великая идея Котельникова, напрямую ведущая к пикселю, вплетена в поразительно параллельные судьбы малоизвестного Котельникова и знаменитого Шеннона.
Идея состоит в следующем: цифровое может достаточно точно представлять аналоговое. Дискретное, прерывистое и импульсное может точно представлять гладкое, непрерывное и плавно изогнутое. Прерывистая последовательность может точно представлять последовательную непрерывность. Возможно, сейчас вас это не удивляет, но я надеюсь все-таки удивить вас, потому что оказывается, что мы можем отбросить поразительное — фактически бесконечное — количество информации, практически ничего не теряя. Эта ключевая идея сделала возможным Цифровой Свет (а также цифровой звук). Эта фундаментальная истина лежала в основе Великой цифровой конвергенции и, следовательно, всего современного мира.
Подобно тому как волна — это форма, представляющая частоты Фурье, существует форма, представляющая отсчеты, или выборки, Котельникова.
Математики называют это «каменной стеной» или sinc-фильтром, а инженеры — реконструкционным или восстанавливающим фильтром. Поскольку оба названия не вполне понятны, я буду называть эту прекрасную форму «разбрасывателем».
«Разбрасыватель» пришел из математики, а не из реального мира, но он напоминает расходящиеся круги от брошенного в воду камня — их высота тоже уменьшается с увеличением расстояния. Подобно им, его волна бесконечно движется в каждом направлении, но на некотором расстоянии от центрального горба гребни ее становятся настолько низкими, что уже не имеют значения. Как мы увидим, это очень важно в реальном мире.
Самое раннее изображение «разбрасывателя», которое я нашел, в правильном контексте появляется в классической статье Владимира Котельникова, опубликованной в 1933 году. Впервые я узнал об этой замечательной идее в начале 1960-х на электротехническом факультете. Нам рассказывали, что ее выдвинул Гарри Найквист, американский инженер и настоящий герой для нас, инженеров-электронщиков. Он работал в легендарной «Лаборатории Белла» (Bell Labs) в AT&T — мы все мечтали трудоустроиться туда. Но в конце 1960-х, когда я учился в Стэнфорде, информатика наконец-то стала отдельной дисциплиной и автором великой идеи начали называть Клода Шеннона, нашего нового героя во всем, что касалось цифровых технологий. Он первым использовал слово «бит» в печати. И он тоже работал там в качестве младшего коллеги Найквиста.
Но это американская версия событий, и здесь вступает в действие закон Стиглера: «Никакое научное открытие не было названо в честь первооткрывателя». (Сам Стиглер, кстати, считал, что этот закон открыт Робертом Мертоном.) Так что в России, безо всяких колебаний, лавры первооткрывателя всегда отдают Котельникову. В Японии эти заслуги приписывают Исао Сомея. В Англии — сэру Эдмунду Уиттекеру. В Германии — Герберту Раабе. Впрочем, если на то пошло, Найквист родился в Швеции. И только Шеннон — истинный американец, родившийся в Мичигане. Можно ли считать желание приписать ему лавры первооткрывателя проявлением нездорового патриотизма? Все вышеперечисленные сформулировали свои версии этой идеи раньше Шеннона, кроме Сомея — он опоздал на несколько месяцев. Получается, что чести дать свое имя теории — во всяком случае, в Соединенных Штатах — удостоился человек, сформулировавший ее практически последним.
Несмотря на всю путаницу с именованием, факты говорят сами за себя: великую идею — в том виде, в котором она используется в Цифровом Свете — впервые четко, ясно и обстоятельно изложил и доказал Котельников в 1933 году. Нам на Западе трудно поверить, что такая фундаментальная идея появилась в худшие дни сталинской России. Во время холодной войны нас учили, что советская наука если не фальшивка, как биология Лысенко, то в лучшем случае основана на украденных идеях или раздута пропагандой. Придется смириться, что авторство Котельникова неоспоримо.
Владимир Александрович Котельников родился в 1908 году в Казани. Трудно представить ученого со столь же безупречной математической родословной. Его прапрапрадед Семен Котельников учился у Леонарда Эйлера, одного из величайших математиков всех времен. Часть математического аппарата, который использовал Фурье, — это прямое наследие Эйлера. В 1757 году Семен Котельников стал одним из первых академиков Санкт-Петербургской академии наук, основанной Петром Великим и ныне именуемой Российской академией наук.
Дед Владимира, Петр Семенович Котельников, был математиком в Казанском университете. Петр Семенович был ассистентом Лобачевского, а затем занял пост декана физико-математического факультета. Неудивительно, что отец Владимира, Александр Петрович Котельников, тоже окончил Казанский университет и тоже занимал пост декана физико-математического факультета. Но, что важно для нас, история Владимира Котельникова по-настоящему началась, когда Александр Петрович решил покинуть Казань и переехать с семьей в Киев, получив новую преподавательскую должность.
Котельниковы с шестилетним Владимиром прибыли в Киев в тот самый августовский день 1914 года, когда немецкая армия прорвала фронт. Население в панике бежало из города, увлекая за собой новоприбывших. С огромным трудом Котельниковым удалось на следующий день выбраться из Киева и вернуться в Казань. Семья попала прямо под первые удары Первой мировой, ставшей первой в череде войн, определивших жизнь и карьеру Владимира. Следующими двумя стали Октябрьская революция 1917 года и последовавшая за ней Гражданская война между красными и белыми. Россия изменилась. Молодой Владимир тоже, но причиной тому были не войны. Посреди всего этого хаоса он впервые услышал радиопередачу. «Как это устроено?» — спросил он отца. «Ты этого пока не поймешь». Такой ответ он воспринял как вызов и уже с 10 лет всерьез захотел разобраться, как работает радио. Большую часть следующих девяти десятилетий своей жизни он занимался радиотехникой и связью, а в его карьере отразились подъемы, потрясения и падение Советского Союза.
«Велик был и страшен год по Рождестве Христовом 1918, от начала же революции второй». Так начинается роман «Белая гвардия» Михаила Булгакова — повествование об ужасах, разрушениях и анархии, царивших в Киеве в годы Гражданской войны. Во второй раз Котельниковы выбрали неудачный момент, чтобы переехать туда. Им пришлось пережить весь описанный Булгаковым кошмар. Профессор варил мыло, а дети распускали занавески на нитки; денег не хватало, работы не было.
В 1924 году Александр Петрович перевез семью в Москву. Он получил профессорскую должность в Московском высшем техническом училище (МВТУ), старейшей высшей технической школе в России. МВТУ подверглось серьезным трансформациям в 1930 году, когда разделилось на пять самостоятельных учебных заведений. Одно из них — Московский энергетический институт (МЭИ) — стало одним из ведущих технических университетов мира. Можете считать его московским аналогом Массачусетского технологического института.
Владимир Котельников был одним из первых выпускников МЭИ. В 1931 году Котельников закончил МЭИ, получив диплом инженера-электрика по специальности «Радио». Через некоторое время случился его annus mirabilis (лат. «год чудес»). В 1932 году аспирант Котельников самостоятельно, без всякой посторонней помощи, написал две статьи, каждой из которых было достаточно, чтобы открыть ему путь на инженерный олимп. Одна из них — «Теория нелинейных фильтров с делением частоты пополам» — не касается темы нашего исследования. Однако в другой содержалась интересующая нас великая идея — теорема отсчетов. Завершая обучение в аспирантуре, Котельников представил свои работы в ноябре ученому совету факультета, а в следующем году опубликовал под неприметным названием «О пропускной способности «эфира» и проволоки в электросвязи». Когда он представлял эту работу преподавателям МЭИ, один из них сказал: «Все вроде верно, но больше похоже на научную фантастику». Нечто из ничего. Тем не менее они одобрили статью, дав старт его академической карьере .
В 1933 году, продолжая преподавать в МЭИ, Котельников поступил на работу в НИИ связи Народного комиссариата связи. Связь на войне имеет первостепенное значение, поэтому неудивительно, что, захватив власть в октябре 1917 года, большевики в первый же день создали Народный комиссариат почт и телеграфов РСФСР, впоследствии преобразованный в НКС. Котельников, начав с должности инженера, со временем стал начальником собственной лаборатории связи, а впоследствии и целого института. Он всегда одной ногой стоял в академической башне из слоновой кости, а другой — в реальном мире политики и войн.
Фундаментальные идеи, изложенные в опубликованных работах, а также ответственная работа в двух престижных организациях давали возможность быстро продвигаться как в академических, так и в политических кругах. Как мы уже видели на примере Фурье, ни в той, ни в другой сфере нельзя избежать танцев с тиранами.