Растровая графика, её сущность

Геометрические  характеристики растра

Для растровых  изображений, состоящих из точек, особую важность имеет понятие разрешения, выражающее количество точек, приходящихся на единицу длины. При этом следует различать:

—         разрешение оригинала;

—         разрешение экранного изображения;

—         разрешение печатного изображения.

Разрешение  оригинала. Разрешение оригинала измеряется в точках на дюйм (dots per inch — dpi) и зависит от требований к качеству изображения и размеру файла, способу оцифровки и создания исходной иллюстрации, избранному формату файла и другим параметрам. В общем случае действует правило: чем выше требование к качеству, тем выше должно быть разрешение оригинала.

Разрешение  экранного изображения.  Для экранных копий изображения элементарную точку растра принято называтьпикселом. Размер пиксела варьируется в зависимости от выбранного экранного разрешения (из диапазона стандартных значений), разрешение оригинала и масштаб отображения.

Мониторы  для обработки изображений с  диагональю 20—21 дюйм (профессионального  класса), как правило, обеспечивают стандартные экранные разрешения 640х480, 800х600, 1024х768,1280х1024,1600х1200,1600х1280, 1920х1200, 1920х1600 точек. Расстояние между соседними  точками люминофора у качественного  монитора составляет 0,22—0,25 мм.

Для экранной копии достаточно разрешения 72 dpi, для распечатки на цветном или лазерном принтере 150—200 dpi, для вывода на фотоэкспонирующем устройстве 200—300 dpi. Установлено эмпирическое правило, что при распечатке величина разрешения оригинала должна быть в 1,5 раза больше, чем линиатура растра устройства вывода. В случае, если твердая копия будет увеличена по сравнению с оригиналом, эти величины следует умножить на коэффициент масштабирования.

Разрешение  печатного изображения  и понятие линиатуры. Размер точки растрового изображения как на твердой копии (бумага, пленка и т. д.), так и на экране зависит от примененного метода и параметров растрированияоригинала. При растрировании на оригинал как бы накладывается сетка линий, ячейки которой образуют элемент растра. Частота сетки растра измеряется числом линий на дюйм (lines per inch — Ipi) и называется линиатурой.

Размер точки  растра рассчитывается для каждого  элемента и зависит от интенсивности  тона в данной ячейке. Чем больше интенсивность, тем плотнее заполняется  элемент растра. То есть, если в ячейку попал абсолютно черный цвет, размер точки растра совпадет с размером элемента растра. В этом случае говорят  о 100% заполняемости. Для абсолютно  белого цвета значение заполняемости  составит 0%. На практике заполняемость  элемента на отпечатке обычно составляет от 3 до 98%. При этом все точки растра имеют одинаковую оптическую плотность, в идеале приближающуюся к абсолютно  черному цвету. Иллюзия более  темного тона создается за счет увеличения размеров точек и, как следствие, сокращения пробельного поля между  ними при одинаковом расстоянии между  центрами элементов растра. Такой  метод называют растрированием с амплитудной модуляцией (AM).

Таким образом, разрешающая способность характеризует  расстояние между соседни ми пикселами (рис. 1.). Разрешающую способность измеряют количеством пикселов на единицу длины. Наиболее популярной единицей измерения яв ляется dpi (dots per inch) — количество пикселов в одном дюйме длины (2.54 см). Не следует отождествлять шаг с размерами пикселов — размер пикселов может быть равен шагу, а может быть как меньше, так и больше, чем шаг.

Рис. 1. Растр.

Размер растра обычно измеряется количеством пикселов по горизонтали и вертикали. Можно сказать, что для компьютерной графики зачастую наибо лее удобен растр с одинаковым шагом для обеих осей, то есть dpiХ = dpiУ. Это удобно для многих алгоритмов вывода графических объектов. Иначе — проблемы. Например, при рисовании окружности на экране дисплея EGA (устаревшая модель компьютерной видеосистемы, ее растр— прямоуголь ный, пикселы растянуты по высоте, поэтому для изображения окружности необходимо генерировать эллипс).

Форма пикселов растра определяется особенностями устройства графиче ского вывода (рис. 1.2). Например, пикселы могут иметь форму прямоуголь ника или квадрата, которые по размерам равны шагу растра (дисплей на жидких кристаллах); пикселы круглой формы, которые по размерам могут и не равняться шагу растра (принтеры).

Рис. 2. примеры  показа одного и того же изображения  на различных растрах

Интенсивность тона (так называемую светлоту) принято подразделять на 256 уровней. Большее число градаций не воспринимается зрением человека и является избыточным. Меньшее число ухудшает восприятие изображения (минимально допустимым для качественной полутоновой иллюстрации принято значение 150 уровней). Нетрудно подсчитать, что для воспроизведения 256 уровней тона достаточно иметь размер ячейки растра 256 = 16 х 16 точек.

При выводе копии  изображения на принтере или полиграфическом  оборудовании линиатуру растра выбирают, исходя из компромисса между требуемым качеством, возможностями аппаратуры и параметрами печатных материалов. Для лазерных принтеров рекомендуемая линиатура составляет 65—100 dpi, для газетного производства — 65—85 dpi, для книжно—журнального — 85—133 dpi, для художественных и рекламных работ — 133—300 dpi. 
 
 
 

Динамический  диапазон. Качество воспроизведения тоновых изображений принято оценивать динамическим диапазоном (D). Это оптическая плотность, численно равная десятичному логарифму величины, обратнойкоэффициенту пропускания (для оригиналов, рассматриваемых “на просвет”, например слайдов) или коэффициенту отражения (для прочих оригиналов, например полиграфических отпечатков).

Для оптических сред, пропускающих свет, динамический диапазон лежит в пределах от 0 до 4. Для поверхностей, отражающих свет, значение динамического диапазона  составляет от 0 до 2. Чем выше динамический диапазон, тем большее число полутонов  присутствует в изображении и  тем лучше качество его восприятия.

В цифровом мире компьютерных изображений термином пиксел обозначают несколько разных понятий. Это может быть отдельная  точка экрана компьютера, отдельная  точка напечатанная на лазерном принтере или отдельный элемент растрового изображения. Эти понятия не одно и тоже, поэтому чтобы избежать путаницы следует называть их следующим образом: видео пиксел при ссылке на изображение экрана компьютера; точка при ссылке на отдельную точку, создаваемую лазерным принтером. Существует коэффициент прямоугольности изображения, который введен специально для изображения количества пикселов матрицы рисунка по горизонтали и по вертикали.

Возвращаясь к аналогии с листом бумаги можно  заметить, что любой растровый  рисунок имеет определенное количество пикселов в горизонтальных и вертикальных рядах. Существуют следующие коэффициенты прямоугольности для экранов: 320х200, 320х240, 600х400, 640х480, 800х600 и др. Этот коэффициент  часто называют размером изображения. Произведение этих двух чисел дает общее количество пикселов изображения.

Существует  также такое понятие как коэффициент  прямоугольности пикселов. В отличие  от коэффициента прямоугольности изображения  он относится к реальным размерам видео пиксела и является отношением реальной ширины к реальной высоте. Данный коэффициент зависит от размера  дисплея и текущего разрешения, и  поэтому на разных компьютерных системах принимает различные значения. Цвет любого пиксела растрового изображения  запоминается в компьютере с помощью  комбинации битов. Чем больше битов  для этого используется, тем больше оттенков цветов можно получить. Число  битов, используемых компьютером для  любого пиксела, называется битовой  глубиной пиксела. Наиболее простое  растровое изображение состоит  из пикселов имеющих только два возможных  цвета черный и белый, и поэтому  изображения, состоящие из пикселов этого вида, называются однобитовыми изображениями. Число доступных  цветов или градаций серого цвета  равно 2 в степени равной количеству битов в пикселе.

Цвета, описываемые 24 битами, обеспечивают более 16 миллионов  доступных цветов и их часто называют естественными цветами. Растровые  изображения обладают множеством характеристик, которые должны быть организованы и  фиксированы компьютером.

Размеры изображения  и расположение пикселов в нем  это две основных характеристики, которые файл растровых изображений  должен сохранить, чтобы создать  картинку. Даже если испорчена информация о цвете любого пиксела и любых  других характеристиках компьютер  все равно сможет воссоздать версию рисунка, если будет знать, как расположены  все его пикселы. Пиксел сам по себе не обладает никаким размером, он всего лишь область памяти компьютера, хранящая информацию о цвете, поэтому  коэффициент прямоугольности изображения  не соответствует никакой реальной размерности. Зная только коэффициент  прямоугольности изображения с  некоторой разрешающей способностью можно определить настоящие размеры  рисунка. Поскольку размеры изображения  хранятся отдельно, пикселы запоминаются один за другим, как обычный блок данных. Компьютеру не приходится сохранять  отдельные позиции, он всего лишь создает сетку по размерам заданным коэффициентом прямоугольности  изображения, а затем заполняет  ее пиксел за пикселом.

Количество  цветов растрового изображения

Количество  цветов (глубина цвета) — также одна из важнейших характери стик растра. Количество цветов является важной характеристикой для любо го изображения, а не только растрового.

Классифицируем  изображения следующим образом:

—         Двухцветные (бинарные) — 1 бит на пиксел. Среди двухцветных чаще всего встречаются черно—белые изображения.

—         Полутоновые — градации серого или иного цвета. Например, 256 града ций (1 байт на пиксел).

—         Цветные изображения. От 2 бит на пиксел и выше. Глубина цвета 16 бит на пиксел (65 536 цветов) получила название High Со1ог, 24 бит на пиксел (16,7 млн цветов) — True Со1ог. В компьютерных графических системах используют и большую глубину цвета — 32, 48 и более бит на пиксел.

Форматы растровых графических файлов

GIF — формат, использующий алгоритм сжатия без потерь информации LZW. Максимальная глубина цвета — 8 бит (256 цветов). В нём также есть возможность записи анимации. Поддерживает прозрачность пикселей (двухуровневая — полная прозрачность, либо полная непрозрачность). Данный формат широко применяется при создании Web—страниц. GIF—формат позволяет записывать изображение «через строчку», благодаря чему, имея только часть файла, можно увидеть изображение целиком, но с меньшим разрешением. Его выгодно применять для изображений с малым количеством цветов и резкими границами (например, для текстовых изображений).

JPEG (JPG) — формат, использующий алгоритм сжатия с потерями информации, который позволяет уменьшить размер файла в сотни раз. Глубина цвета — 24 бит. Не поддерживается прозрачность пикселей. При сильном сжатии в области резких границ появляются дефекты. Формат JPEG хорошо применять для сжатия полноцветных фотографий. Учитывая то, что при повторном сжатии происходит дальнейшее ухудшение качества, рекомендуется сохранять в JPEG только конечный результат работы. JPEG широко применяется при создании Web—страниц, а также для хранения больших коллекций фотографий.

Сравнение GIF и JPEG

—         GIF — формат удобен при работе с рисованными картинками;

—         JPEG — формат лучше использовать для хранения фотографий и изображений с большим количеством цветов;

—         для создания анимации и изображений с прозрачным фоном применяется GIF—формат.

BMP — это  формат графического редактора Paint. В нём не применяется сжатие. Он хорошо подходит для хранения очень маленьких изображений — таких как иконки на рабочем столе. Большие же файлы в этом формате занимают слишком много места.

PNG — разработан с целью заменить формат GIF. Использует алгоритм сжатия Deflate без потерь информации (усовершенствованный LZW). Максимальная глубина цвета — 48 бит. Поддерживает каналы градиентных масок прозрачности (256 уровней прозрачности). PNG — относительно новый формат, и поэтому ещё не очень распространён. В основном используется в Web—дизайне. К сожалению, даже в некоторых современных браузерах (таких, как Internet Explorer 6) отсутствует поддержка прозрачности PNG и поэтому не рекомендуется использовать прозрачные PNG изображения на Web—страницах.

TIFF — формат, специально разработанный для сканированных изображений. Может использовать алгоритм сжатия без потерь информации LZW. Позволяет сохранять информацию о слоях, цветовых профилях(ICC—профилях) и каналах масок. Поддерживает все цветовые модели. Аппаратно независим. Используется в издательских системах, а также для переноса графической информации между различными платформами.

PSD — формат графического редактора Adobe Photoshop. Использует алгоритм сжатия без потерь информации RLE. Позволяет сохранять всю информацию, создаваемую в этой программе. Кроме этого, в связи с популярностью Photoshop, данный формат поддерживается практически всеми современными редакторами компьютерной графики. Его удобно использовать для сохранения промежуточного результата при работе в Photoshop и других растровых редакторах.