Растровая графика.

Растровая графика-раздел компьютерной графики, изучающий методы и средства создания и обработки изображений, состоящих из растров с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов

Растр – малый по размеру квадратный элемент (ячейка, точка). Отсюда, растровые изображения состоят из матрицы растров.

Для растровых изображений особую важность имеет понятие разрешения (растрирование), выражающее количество точек, приходящихся на единицу длины. При растрировании на оригинал как бы накладывается сетка линий, ячейки которой образуют элемент растра. Частота сетки растра изменяется числом линий на дюйм (lines per inch - lpi) и называется линиатурой. При этом следует различать:

· разрешение оригинала

· разрешение экранного изображения

· разрешение печатного изображения

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

Разрешение экранного изображения. Для экранных копий изображения элементарную точку растра принято называть пикселом. Пиксель характеризуется положением на экране дисплея (координаты x,y) и цветом. Размер пикселя варьируется в зависимости от выбранного экранного разрешения (из диапазона стандартных значений), разрешения оригинала и масштаба отображения.

Мониторы для обработки изображений с диагональю 20-21 дюйм (профессионального класса), как правило, обеспечивают стандартные экранные разрешения: 640*480 точек, 800*600 точек, 1024*768 точек, 1600*1200 точек, 1600*1280 точек, 920*1200 точек, 1920*1600 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. Размер точки растрового изображения как на твердой копии (бумага, пленка и т.д.), так и на экране зависит от примененного метода и параметров растрирования оригинала.

Рассмотрим более подробно процедуру растрирования.

Размер точки растра рассчитывается для каждого элемента и зависит от интенсивности тона в данной ячейки. Интенсивность тона – характеризует субъективную величину – яркость. Чем больше интенсивность, тем плотнее заполняется элемент растра. То есть,если в ячейку попал абсолютно черный цвет, размер точки растра совпадет с размером элементом 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 (АМ).

Ячейка растра

АМ-растр, 18,75%

АМ-растр 50%

ЧМ-растр 18,75%

 

Рис.1. Примеры амплитудной и частотной модуляции растра

 

Существует и метод растрированием с частотной модуляцией (ЧМ), когда интенсивность тона регулируется изменением расстояния между соседними точками одинакового размера. Таким образом, при частотно-модулированном растрировании в ячейках растра с разной интенсивностью тона находится разное число точек (рис.1). Изображения, растрированные ЧМ-методом, выглядят более качественно, так как размер точек при АМ-растрировании. Еще более повышается качество изображения разновидность ЧМ-метода, называемая стохастическим растрированием. В этом случае рассчитывается число точек, необходимое для отображения требуемой интенсивности тона в ячейке растра. Затем эти точки располагаются внутри ячейки на расстояниях, вычисленных квазислучайным методом (на самом деле используется специальный математический алгоритм). То есть регулярная структура растра внутри ячейки, как и на изображении в целом, вообще отсутствует. Поэтому при стохастическом ЧМ-растрировании теряет смысл понятие линиатуры растра, имеет значение лишь разрешающая способность устройства вывода. Такой способ требует больших затрат вычислительный ресурсов и высокой точности полиграфического оборудования; он применяется в основном для художественных работ, при печати с числом красок, превышающим четыре.

Интенсивность тона (так называемую светлону) принято подразделять на 256 уровней. Большое 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 восприятия 256 уровней тона достаточно иметь размер ячейки растра 256=16х16 точек.

Между разрешением оригинала, частотой ратра и градацией уровней существует зависимость, описываемая формулой:

где N – число градаций уровней тона (оттенков), dpi – разрешение устройства вывода (отображения), lpi – линиатура растра. Единица в формуле соответствует абсолютно белому цвету, когда ячейка растра вообще не заполнена.

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 lpi, для газетного производства – 65-85 lpi, для книжно-журнального – 85-133 lpi, для художественных и рекламных работ –133-300 lpi.

При печати изображений с наложением растров друг на друга, например многоцветных, каждый последующий растр поворачивается на определенный угол. Традиционными для цветной печати считываются углы поворота: 105 градусов для голубой печатной формы, 75 градусов для пурпурной, 90 градусов для желтой и 45 градусов для черной. При этом ячейка растра становится косоугольной, и для воспроизведения 256градаций тона с линиатурой 150lpi уже недостаточно разрешения 16х150=2400 dpi. Поэтому для фотоэкспонирующих устройств профессионального класса принято минимальное стандартное разрешение 2540 dpi, обеспечивающее качественное растрирование при разных углах поворота растра. Таким образом, коэффициент, учитывающий поправку на угол поворота растра, для цветных изображений составляет 1,06.

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

где F_ο – падающий световой поток, F_p – отраженный световой поток, F_τ – пропущенный световой поток.

Для оптических сред, пропускающий 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.

Связь между параметрами изображения и размером файла.

Связь между разрешением изображения и его размером

Средствами растровой графики принято иллюстрировать работы, требующие высокой точности в передаче цветов и полутонов. Однако размеры файла растровых иллюстраций стремительно растут с увеличением разрешения. Фотоснимок, предназначенный для домашнего просмотра (стандартный размер 10х15 см, оцифрованный с разрешением 200-300 dpi, цветовое разрешение 24 бита), занимает в формате TIFF с включенным режимом сжатия около 4 Мбайт. Оцифрованный с высоким разрешением слайд занимает 45-50 Мбайт.

Цветоделенное цветное изображение формата А4 занимает 120-150 Мбайт. Размер изображения (в программах он обозначается как Image Size) задает физические размеры изображения. Поскольку для всякого готового растрового изображения размер в пикселах по ширине и высоте задан жестко, то его размер и разрешение оказываются связанными между собой. Увеличив размер в два раза, вы снизите в два раза его разрешение. Увеличив разрешение в два раза, вы уменьшите линейные размеры картинки в два раза. Количество пикселов, из которых состоит изображение, останется одним и тем же и, соответственно, размер файла при этом также останется неизменным.

При попытке увеличить размер изображения, оставив неизменным его разрешение, вы "вынудите" графический редактор вставить в картинку дополнительные пикселы. Так, если увеличить изображение в два раза, то программа должна по какому-то известному ей алгоритму вставить после каждого пиксела по ширине и высоте еще по одному пикселу.

Все редакторы умеют это делать, но насколько "интеллектуально" - это вопрос. На одних изображениях такая операция пройдет безболезненно, на других появятся дефекты. Программа не всегда может правильно "догадаться", что и куда она должна вставить. Очевидно, что чем больше на исходном изображении мелких и контрастных деталей, тем больше дефектов получится в итоге. На практике такие дефекты проявляются как расфокусировка и размытость изображения.

Обратная процедура уменьшения изображения при сохранении того же разрешения приводит к необходимости удаления "лишних" пикселов. Опять же программы делают это по заложенным в них интеллектуальным алгоритмам (кстати, таких алгоритмов может быть несколько и вы можете попробовать разные). Но результат всегда ведет к некоторой потере информации и, соответственно, к дефектам.

Связь между разрешением изображения и размером готового файла.

Размер файла изображения пропорционален его разрешению. Чем выше разрешение (чем больше информации в единице площади картинки), тем больше размер файла. Картинка с разрешением 300 dpi занимает места в памяти в четыре раза больше, чем картинка того же размера, но с разрешением 150 dpi. Это понятно, поскольку количество пикселов в ней и по длине и по высоте больше в два раза.

Размер файла имеет для вас значение в том смысле, что от него зависит как быстро будет работать ваша машина и хватит ли у вас места на винчестере, чтобы хранить наработанное. Понятно, что чем больше размер оперативной памяти в машине и чем больше размер винчестера, тем больше вы можете себе позволить.

Масштабирование растровых изображений. Одним из недостатков растровой графики является так называемая пикселизация изображений при их увеличении (если не приняты специальные меры). Раз в оригинале присутствует определенное количество точек, то при большом масштабе увеличивается и их размер, становятся заметны элементы растра, что искажает саму иллюстрацию (рис.2). Для противодействия пикселизации принято заранее оцифровывать оригинал с разрешением, достаточным для качественной визуализации при масштабировании. Другой прием состоит в применении стохастического растра, позволяющего уменьшить эффект пикселизации в определенных пределах. Наконец, при масштабировании используют метод интерполяции, когда увеличение размера иллюстрации происходит не за счет масштабирования точек, а путем добавления необходимого числа промежуточных точек.