Растровая графика. Основные элементы изображения. Сферы применения. Примеры программных средств, для работы с растровой графикой. Аппаратные средства машинной графики

Растровая графика - метод графического представления объекта в виде множества точек.

В растровой графике, результирующее изображение представляет собой двумерный массив точек. Если изображение экранное, то каждая такая точка называется пикселем (picture element) и является простейшим примитивом. В свою очередь, каждый пиксель имеет цвет. Растровое изображение характеризуется разрешением (ширина и высота) и глубиной цвета. Ширина и высота задают размерность двумерного массива точек. Глубина цвета характеризует количество бит, используемое для кодирования цвета каждого пикселя. Чем больше глубина цвета и разрешение, тем выше качество изображения. Физический размер изображения характеризуется соотношением точек к длине (так называемые dpi – dots per inch). Данный параметр можно однозначно сопоставить с размером зерна монитора или точки при печати.

Основными недостатками растровой графики являются:

- большой объём памяти, необходимый для хранения и обработки изображения;

- невозможность увеличения исходной картинки для рассмотрения деталей (эффект пикселизации).

Существует два основных способа кодирования цвета: явный и палитровый.

Явный способ обычно заключается в хранении цвета в RGB-формате (red green blue). Каждый пиксель в RGB-формате характеризуется кортежем (Red, Green, Blue), где Red – интенсивность красной составляющей цвета, Green – интенсивность зелёной составляющей, а Blue – соответственно синей. В зависимости от глубины цвета и конкретного формата для отдельных цветовых составляющих выделяют различное количество бит. Самыми распространёнными являются форматы R8G8B8 (24 - бита) и R5G6B5 (16 бит).

Палитра – массив, в котором каждому возможному значению пикселя ставится в соответствие значение цвета (r, g, b). В свою очередь различают: индексные палитры, фиксированные палитры и безопасные палитры. Индексная палитра используется для уменьшения памяти, необходимой для хранения изображения, в этом случае обычно используется палитра с небольшим количеством цветов, поскольку её необходимо прикреплять к изображению. Фиксированная палитра используется в тех случаях, когда для хранения самой палитры требуется слишком много места. Безопасная палитра используется в Web-графике, в ней для кодирования цвета используется 8 бит, однако суммарное количество цветов лишь 216. Создана такая палитра для обеспечения идентичности изображения в различных браузерах, под различные ОС.

Для хранения растровых изображений базовым является DIB-формат (Device Independent Bitmap). Данный формат является аппаратно независимым. На сегодняшний день существует много различных форматов хранения растровых изображений, причём наибольшим успехом, в связи с Интернет, пользуются сжатые форматы. Существует две основных разновидности сжатия с потерями и без потерь. Алгоритмы без потерь основываются на различных алгоритмах теории кодирования, они уменьшают суммарный размер изображения, не искажая его (PCX). Сжатие с потерями, основывается на различных свойствах изображений (например, плавное изменение цвета) и может приводить к частичному искажению изображения, но зато позволяет достигать фантастических показателей сжатия (в 200 раз и более)

Растровую компьютерную графику применяют для создания простых изображений, а также для обработки уже имеющихся. Основные сферы применения:

- Деловая графика (чертежи, схемы, диаграммы…);

- Полиграфия (схемы, плакаты, иллюстрации);

- Визуализация процессов и явлений в научных исследованиях (компьютерное графическое моделирование);

- Медицина (компьютерная томография, УЗИ и т.д.);

- Сфера массовой информации (графика в Интернете, иллюстрации, фото);

- Кинематография (спецэффекты, компьютерная мультипликация);

- Быт (компьютерные игры, графические редакторы, фотоальбомы).

Программные средства по работе с растровыми изображениями делятся на следующие классы:

- Средства создания изображений (MS Paint, Painter, Fauve Massive…). Эти программы ориентированы непосредственно на рисование. В них акцент сделан на использование удобных инструментов рисования и на создание новых художественных инструментов и материалов;

- Средства обработки изображений (Adobe Photoshop, Corel Photo-Paint, Photostyler, Picture Publisher…). Эти растровые графические редакторы не предназначены для получения изображения «с нуля», а для обработки готовых рисунков с целью улучшения их качества и реализации творческих идей;

- Средства каталогизации изображений (ACDSee, Imaging). Позволяют просматривать графические файлы различных форматов, а также создавать на жёстком диске альбомы, перемещать и переименовывать файлы, документировать и комментировать иллюстрации.

Основными аппаратными средствами машинной графики являются графическая шина, видеоадаптер, монитор и принтер.

Графическая шина является интерфейсом между видеоадаптером, системной памятью и центральным процессором. К ней предъявляются весьма высокие требования по производительности, в основном в связи с перекачкой больших объёмов данных, необходимых для визуализации.

Видеоадаптер является промежуточным звеном между системным блоком и монитором. У видеоадаптера есть своя память (видеопамять), в которой в растровом виде храниться исходное изображение. Несколько раз в секунду монитор сканирует эту память и выводит результат. Буквально пару десятков лет назад видеоадаптеры являлись просто посредником, на данный момент они оснащены достаточно мощными графическими процессорами и большим объёмом видеопамяти, большая часть операций по синтезу и обработке изображений (особенно трёхмерных) производиться параллельно работе центрального процессора непосредственно на видеокарте.

Монитор является основным источником визуализации изображения. Различают два основных типа ЭЛТ (электронно-лучевая трубка) и ЖК-мониторы (жидкокристаллические). Основное отличие заключается в способе построения изображения. ЭЛТ монитор формирует изображение по одному пикселю, подсвечивая люминисцирующий материал пучком фотонов. Быстро двигаясь по всем пикселям, луч формирует изображение в целом. Жидкокристаллический монитор отображает всю картинку в целом. Он состоит из непрерывно светящей лампы и матрицы жидких кристаллов, получая данные от видеоадаптера, ЖК перестраиваются, так чтобы пропускать нужный цвет для каждого пикселя.

Принтер – устройство печати изображения на бумагу. Существует много различных типов принтеров: цветные и чёрно-белые, а также матричные, струйные, лазерные и сублимационные. Матричный принтер формирует изображение ударами матрицей иголок, струйный путём выпрыскивания краски из специальных сопл, лазерный путём испарения порошка в нужных местах. Сублимационный принтер предназначен для печати изображений фотографического качества и формирует конечное изображение путём испарения специальной краски.