Растровая графика. 
Информатика

Растровая графика оперирует с двумерным массивом (матрицей) точек/пикселей, которые и составляют любое растровое изображение.

Пиксель (pixel — Picture’s Element) — наименьшая единица двухмерного цифрового изображения, которая имеет определенный цвет, градацию серого цвета и прозрачность, а также форму.

Представление растрового изображения в памяти компьютера — массив сведений о цвете всех пикселей, упорядоченный тем или иным образом (например, по строкам, как в телевизионном изображении).

Качество растровой картинки зависит от установленного разрешения, которое выражается в числе точек или пикселей, приходящихся на единицу длины изображения. Например, число точек на 1″ (dot per inch — dpi). Это определяет размер минимальной точки, которую можно вывести на печать: чем выше этот параметр, тем соответственно меньше может быть размер минимальной точки. Обычное значение этого параметра: от 600−800 до 2400- 2540 и более dpi.

Используется и другая единица измерения — число пикселей на l" (pixcels per inch — ppi). Для изображения может указываться и общее число единичных элементов при фиксированных значениях габаритных размеров (длины и ширины) изображения (чем выше требования к качеству изображения, тем должно быть большим разрешение изображения). Размер растрового файла пропорционально растет с ростом качества изображения (по размеру и количеству градаций цвета). Пример растрового изображения представлен на рис. 13.7.

Рис. 13.7. Растровое изображение Исходное изображение использует 600? 600 пикселей, при этом размер файла составляет 325 КБайт, формат .jpeg.

Экранное изображение зависит от разрешения монитора, которое выражается в количестве пикселей по горизонтали и вертикали экрана (минимум 640? 480, максимум 1920×1600). С изменением разрешения меняются размер и расстояние между соседними точками люминофора, которое составляет около 0,2 мм. Для качественного изображения на экране монитора достаточно разрешения 72 dpi, или 0,35 мм.

Для качественной печати требуется большая разрешающая способность, которая также измеряется в dpi (300−1200 dpi). При выводе на печать на изображение накладывается линейная сетка с заданной частотой, которая указывается в числе линий на дюйм (line per inch — lpi). Эта сетка называется линиатурой, она определяет плотность укладки линий растра на единицу длины после растрирования изображения.

Разрешение lpi должно быть меньше разрешения в dpi, стандартные значения lpi -100, 133, 150, 175, 200. Растровая точка крупнее минимальной точки, которую можно воспроизвести на данном устройстве. На рис. 13.8 показано различие линиатур при печати.

Существует два основных метода растрирования изображения для печати: амплитудная модуляция и частотная модуляция. При амплитудной модуляции изменяется размер точки в матрице растра при сохранении постоянного расстояния между точками; чем больше интенсивность тона, тем больше размер точки и выше наполняемость тоном растра (до 100% для абсолютно черного.

Рис. 13.8. Пример растрового изображения с различной линиатурой: а — 60 lpi; б — 200 lpi.

цвета). При частотной модуляции размер точек растра остается неизменным, от интенсивности тона изменяется число печатных точек в растре и расстояние между ними. Чем выше разрешение устройства отображения, тем большее число точек можно напечатать и более тонкие формы элементов воспроизвести. Так, при постоянной величине lpi = 150, но разном разрешении форма растровой точки меняется (табл. 13.1). Чем больше число элементов (микроточек) для растровой точки, тем большее количество цветов, или градаций, она способна передать.

Для подсчета числа градаций цвета (N), передаваемых при заданных значениях линиатуры (lpi) и разрешении устройства отображения (dpi), используют следующую формулу:

Таблица 13.1. Зависимость формы растровой точки от разрешения.

Разрешение dpi.	Форма растровой точки.

В соответствии с формулой подсчета числа градаций цвета вычислено максимальное количество градаций (N) для различных параметров dpi, lpi устройства отображения (табл. 13.2).

Таблица 13.2. Доступное число градаций цвета.

Для одного и того же разрешения печатного устройства отображения (dpi) рост линиатуры (lpi) приводит к значительным потерям в передаче цветовых оттенков. Для фиксированной линиатуры рост разрешения печатного устройства увеличивается на доступное число градаций цвета. В большинстве растровых файлов используется 8 бит для одного цветового канала на один пиксель изображения, который может передать 256 уровней цвета. Таким образом, пиксель может иметь до 16 777 216 значений цвета, что соответствует режиму True Color. Если на каждый пиксель сохраняется 16 бит информации, то пиксель может иметь до 65 536 значений цвета, что соответствует режиму High Color. Для управления прозрачностью используется еще 8 бит на пиксель. Для печати применяется цветовая схема CMYK, которая использует четыре канала и требует 32 бита на пиксель; число цветов, отображаемых монитором, останется как и в режиме True Color.

Таким образом, существует оптимальное разрешение печатного устройства — dpi для определенного класса печати, который характеризуется величиной lpi. Так, для lpi = 150 оптимальное значение dpi = 2400, для lpi = 200, dpi = 3600^[1], которое также зависит и от типа материала, на котором производится печать (чем выше качество бумаги, тем выше значения lpi и dpi).

Для растровой графики применяют специальные растровые редакторы, которые позволяют пользователю создавать и редактировать растровые изображения непосредственно на экране компьютера, сохранять их в различных форматах:

¦ JPEG (Joint Photographic Experts Group) — широко используется для сжатия фотоизображений с потерей качества (сжатие до 100 раз), наиболее распространенные расширения для этих файлов .jpeg,. jfif, .jpg, .JPG или. JPE;

¦ TIFF (Tagged Image File Format) — формат для хранения изображений с большой глубиной цвета (24-битная модель RGB, 32-битная модель CMYK), используется при сканировании, отправке факсов, распознавании текста, в полиграфии, широко поддерживается графическими приложениями. Файлы для данного формата имеют расширение .tiff или .tif;

¦ PNG (portable network graphics) — формат для хранения изображений, использующий сжатие без потерь, значительно лучшее качество (код цвета до 48 бит). Файлы имеют расширение .рпд;

¦ GIF (Graphics Interchange Format) — независимый от аппаратного обеспечения формат для обмена изображениями; обеспечивает хранение сжатых данных без потерь изображения, но с ограничением цветов в палитре до 256; используется в основном для схем и графиков;

¦ BMP (Bitmap), битовая карта — формат хранения аппаратно-независимых растровых изображений. Файлы могут иметь расширения .bmp,. dib и. rle. Кроме того, глубина цвета в данном формате может быть от 1 до 48 бит на пиксель, максимальные габаритные размеры изображения 65 535×65 535 пикселей;

¦ PSD (Photoshop Document) — собственный формат программы Adobe Photoshop, который позволяет запоминать параметры слоев, поддерживает 48-разрядное кодирование цвета, цветоделение и различные цветовые модели;

¦ TGA (True vision Graphic Adapter) — формат видеоизображений, приспособлен к телевизионным стандартам, 32-битный код цвета пикселя модели CMYK;

¦ Flashpix (FPX) — формат для презентации на CD-ROM или в Интернете, высококачественные изображения без использования значительного количества памяти и дискового пространства.

Сведения о некоторых форматах растровой графики сведены в табл. 13.3.

Таблица 13.3. Форматы файлов растровой графики.

Для сжатия графических файлов используют различные методы: архивацию и компрессию графики. Архивация графики позволяет после сжатия информации восстановить при разархивировании графический образ полностью. Компрессия графики значительно уменьшает объем хранимых данных, но приводит к потере некоторого количества информации при восстановлении из архива, а следовательно, к ухудшению качества изображения. Программы-компрессоры позволяют либо существенно уменьшить размер файла, либо сохранить более высокое его качество изображения.

Рассмотрим примеры алгоритмов сжатия данных без потерь.

RLE (Run Length Encoding) — код с переменной длиной строки. Одинаковые последовательности байтов заменяются однократным упоминанием повторяющегося байта (или целой цепочки байтов) с указанием числа повторений кода. Применяется для монохромных растровых изображений с небольшим числом цветов, файлы имеют форматы .PSD,. bmp и др.

CCITT (International Telegraph and Telephone Committie) GROUP 3, CCITT GROUP 4 осуществляют поиск и исключение из исходного изображения дублирующихся последовательностей данных. Алгоритм такого типа ориентирован на упаковку растровой графики с большими одноцветными областями, обеспечивает высокую скорость сжатия, применяется для файлов формата. PDF, PostScript (в инкапсулированных объектах) и др.

LZW (Lemple-Zif-Welch) выполняет поиск и замену в исходном файле одинаковых последовательностей данных («фраз») для их исключения, они сохраняются в отдельной таблице с определенными кодами. В результате уменьшается размер архива. Формат подходит для обработки растровых данных: монохромных, черно-белых или цветных для файлов формата. TIFF,. PDF,. GIF, PostScript (в инкапсулированных объектах) и др.

Метод сжатия Хаффмана (Huffman) — составная часть других алгоритмов сжатия (RLE, LZW, JPEG). В этом случае для набора символов определяется частота каждого символа, для наиболее часто встречающихся символов используется код минимальной длины.

ZIP не вносит искажений в исходный файл, используется в файлах формата. PDF,. TIFF и некоторых других.

Самый популярный растровый редактор — Adobe Photoshop. Применяются также MS Paint.net, Corel Photo-MS Paint, Corel MS Paint Shop Pro, Microsoft MS Paint и др.

• [1] Большие значения dpi для получения большего числа градаций (N) указывать вредно, так как возрастает процессорное время, затрачиваемое на преобразование, а параметры растра не передаются с высокой точностью.