用40年前的电脑打开女神图片,这你敢信?

用40年前的电脑打开女神图片,这你敢信?
大数据文摘出品
搞过图像处理的同学应该都认识这位吧?
用40年前的电脑打开女神图片,这你敢信?
这位名叫 Lena Forsen 的模特,自从在上世纪 70 年代被南加州大学信号与图像处理研究所的助理教授 Alexander Sawchuk 用作测试图片后,就一发不可收拾,成为图像行业标准,被学者们复制和重新分析了数十亿次。
可以说,她是整个计算机图像处理领域的“女神”。
Medium 上一位博主突然产生了一个想法,在那些几十年前古老的计算机上,能够显示“女神”Lena Forsen 的这张经典照片吗?
最古老的可以显示照片的计算机,又是哪一款呢?
好像还有点意思,我们一起来看看。

远在图像产生之前

我们现在熟悉的图像格式其实离我们并不远。JPEG 图像格式于 1993 年推出,GIF 于 1987 年发布。
那远在这些图像格式诞生之前,有没有可能显示图像呢?
70 年代的大型机和超级计算机确实能够处理照片图像,但那离普通人太远了。
第一台个人电脑 Altair 8800 于 1975 年发布,用户可以通过开关进入程序,并通过 Led 灯观看结果:
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显然这玩意是不能显示图像的。
在 70 年代末,搭载 CP/M OS 的计算机出现了,这是一个完全成熟的操作系统,有文件系统、磁盘驱动器、编译器、程序和游戏。但是有一个问题 —— CP/M UI 只是文本。
从理论上讲,我们可以用 ASCII 图形来显示下面的内容:
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但是这显然是一种作弊的手法,不能算数。
再往后来呢?
一些 CP/M OS 机器,比如 Visual 1050 计算机,是有图形功能的,但是没有通用的标准。
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最早可用于 CP/M 的格式之一是 RLE,它对黑白图像进行编码,分辨率为 256×192。
我们终于能看到“女神”了!
虽然实际上图片可能看起来像这样:
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正如我们所看到的,它远非完美,但仍然比纯 ASCII 好得多。这种格式的单色图像大小约为 6 KB,因此在 CP/M 90 KB 软盘上,最多可以保存 14 张这种质量的照片。
后来计算机硬件变得更加强大。
1981 年,CGA(彩色图形适配器)被引入,MS-DOS 计算机能够显示 4 种颜色的高达 320×240 分辨率的图形。
这种品质的图片可能看起来像这样:
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这种格式的图像大小约为 40 KB,因此在一张 360 KB 的软盘上可以放置大约 8 张图像。几年后,1987 年推出的 VGA 适配器能够显示 256 张彩色图像,这些图像就更真实了。
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这张图片的大小是 77kb,所以 5-6 张图片可以保存在一张 720kb 的 1.44 英寸的磁盘上。
后来,80 年代末推出的 SVGA (高级视频图形阵列) 适配器能够使用 16M 颜色显示高达 1280×1024 分辨率的逼真图像,这实际上与我们今天所用的颜色非常接近了。
其他的计算机模型在 80 年代和 90 年代也可以使用(苹果,Commodore,ZX Spectrum 等等),它们都可以显示不同类型的图形。

先有图像还是先有图像格式?

先有鸡还是先有蛋?先有图像还是图像格式?
肯定是图像。
在最简单的情况下,“格式”是不需要的,单色图像只是一个位序列:
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因此,如果我们知道图像的宽度和高度,并且计算机具有图形功能,那么每个开发人员都可以制作一个程序,从二进制文件中显示图像“原样”。
顺便说一下,在谈论“自定义”图像格式时,提到 1985 年发布的游戏“脱衣扑克”(Strip Poker) 也很有意思:
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我们可以看到,在第一个屏幕,玩家可以选择两个人物之一,“苏姿”或“梅丽莎”,第二个屏幕是游戏本身。如果我们打开游戏文件夹,很容易看到这两个人物的数据文件只是保存“原样”,根本没有压缩,所有文件大小相同:
1:03 AM             71 Melissa.txt12:18 AM           5768 Melissa1.pic12:18 AM           5768 Melissa2.pic12:19 AM           5768 Melissa3.pic12:20 AM           5768 Melissa4.pic12:21 AM           5768 Melissa5.pic5:40 AM             35 Opn.txt12:04 AM           5768 Opps.pic12:59 PM          50304 Poker.exe1:06 AM           1288 Screen.pic12:03 AM           5768 Stitle.pic5:09 AM             69 Suzi.txt12:02 AM           5768 Suzi1.pic1:33 AM           5768 Suzi2.pic12:00 AM           5768 Suzi3.pic12:01 AM           5768 Suzi4.pic12:00 AM 5768 Suzi5.pic


游戏开发者尽最大努力缩小尺寸:每个文件的大小只有 5768 字节!
这样我们只能得到 320×18 的灰度图像。事实上,我们可以使用 Python 打开 pic-file,看到许多细节缺失:
用40年前的电脑打开女神图片,这你敢信?
也许游戏使用了单独的背景图片或者通过编程方式绘制了一些细节 (比如垂直线) ,开发人员肯定使用了一些技巧来有效地在 320×240 的屏幕上显示 320×18 的图片。

他们为什么要花这么多精力呢?

答案很简单ーー当时许多计算机根本没有硬盘驱动器,因此在软盘上写入游戏的能力至关重要。
正如我们已经知道的那样,第一张软盘的大小只有 360 KB—— 这不仅对于游戏而言已经足够了,对于 MS-DOS 引导文件也是如此。开发者实际上做到了,游戏的大小只有 140 KB。
当然,“按原样”保存图像可能会占用空间,开发人员试图找到更好的方法来保存数据。
最早的图像编码方法之一是 RLE (游程编码)。在这种格式下,每个数据块都存储在‘count,value’对中,这样可以更有效地保存图像。
作为一个简化的例子,黑白点序列“ bwwbwwwwww”可以保存为“1B3W1B4W”。正如我们所看到的,它更加紧凑,可以用于图形或表格,但是对于真实感图像,“压缩”的图像甚至可以比原始图像更大。
最早被广泛使用的格式之一是 PCX (PiCture eXchange) ,它于 1985 年推出。这种格式也使用 RLE 编码,正如我们看到的,头部字段存储了大量附加信息:
// Standard PCX header (C/C++)struct PCXHeader {char   ID;           // ID, always 0x0Achar   Version;      // The version numberchar   Encoding;     // Use of encoding (0, 1)char   BitPerPixel;  // 1, 2, 4 or 8short  X1;   // The minimum x-coordinate of the image positionshort  Y1;   // The minimum y coordinate of the image positionshort  X2;   // The maximum x coordinate of the image positionshort  Y2;   // The maximum y coordinate of the image positionshort  HRes; // The horizontal image resolution in DPIshort  VRes; // The vertical image resolution in DPIchar   ClrMap[16*3]; // The EGA palette for 16-color imageschar   Reserved1;char   NumPlanes;    // Number of color planes: 1, 3, or 4short  BPL;          // The number of bytes of one color planeshort  Pal_t;char   Filler[58];} Header;
PCX 格式实际上不太适合保存照片图像,例如,同一幅 320×240 分辨率的“ Lenna”图像的 16 色格式大小为 35 KB,256 色格式大小为 100 KB。
GIF GIF 于 1987 年发布,与 PCX 相比,它要先进得多。
GIF 使用的是 Lempel-Ziv-Welch (LZW) 算法,这种算法效率更高ーー同样的 320×240 图像以 GIF 格式保存,只有 37 KB 大小,而 PCX 是 100 KB 大小。
1989 年,GIF 的扩展版本发布了,它也可以显示动画。令人惊讶的是,即使在今天,动画 GIF 仍然在使用,甚至在本文中也可以看到这个例子ーー它仍然是最简单的、跨平台的方法,可以将动画内容嵌入到页面中。
最后,于 1992 年推出了联合摄影专家组制作的 JPEG 格式。它使用的是有损数据压缩图片,是专门为保存照片而设计的。
该算法使用 DCT (离散余弦变换) 来保存数据,这个方法本身是在 1972 年提出的,但是正如我们所看到的,仅仅 20 年之后,公众对这项技术的真正需求出现了。
顺便说一下,在 90 年代,色情图片的销售变成了一种生意。从技术角度来看,这些广告来自 1994 年的《电脑杂志》 ,很有趣:
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总结

让我们回到最初的问题,在将近 40 年前的 80 年代初,有没有可能在 XT 机器上看《花花公子》?
从技术上讲,答案是肯定的。这些机器能够显示图像,并且有软盘驱动器,这使得文件共享变得容易。下面是 1983 年制造的一台真正的康柏便携式计算机的运行过程:
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 正如我们所看到的,它并没有那么快,图像加载时间大约是 40 秒,但它仍然可以工作。
但实际上,这台电脑是在 1983 年发布的,而 PCX、 GIF 或 JPEG 图像格式甚至还没有推出。

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