Растровая графика, ее достоинства и недостатки

       Растровая графика

     Растровое изображение представляет из себя мозаику из очень мелких элементов — пикселей. Растровый рисунок похож на лист клетчатой бумаги, на котором каждая клеточка закрашена определённым цветом, и в результате такой раскраски формируется изображение.

     Принцип растровой графики чрезвычайно  прост. Он был изобретен и использовался  людьми за много веков до появления компьютеров. Во-первых, это такие направления искусства, как мозаика, витражи, вышивка. В любой из этих техник изображение строится из дискретных элементов. Во-вторых, это рисование «по клеточкам» — эффективный способ переноса изображения с подготовительного картона на стену, предназначенную для фрески. Суть этого метода заключается в следующем. Картон и стена, на которую будет переноситься рисунок, покрываются равным количеством клеток, затем фрагмент рисунка из каждой клетки картона тождественно изображается в соответствующей клетке стены.

     Создание  изображения в растровом графическом  редакторе (Paint, Fractal Design Painter, Corel Photo-PAINT, Adobe PhotoShop) похоже на работу художника, когда он пишет картину на настоящем холсте настоящими красками. Здесь компьютерный художник водит «кистью» — курсором мыши по «электронному полотну» — экрану, закрашивая каждый из пикселей рисунка в нужный цвет. Таким образом каждому пикселю присваивается цвет. Этот цвет закрепляется за определённым местом экрана и как бы «высыхает» подобно тому, как высыхает краска на настоящем холсте. Перемещение фрагмента изображения «снимает» краску с электронного холста и, следовательно, разрушает рисунок.

     Растровая графика (Рис. 1.) работает с сотнями  и тысячами пикселей, которые формируют рисунок. Пиксели «не знают», какие объекты (линии, эллипсы, прямоугольники и т. д.) они составляют.  

        

     Рис.1. Растровое изображение (вверху увеличенный глаз)

     В компьютерной графике термин «пиксель», вообще говоря, может обозначать разные понятия:

* наименьший элемент изображения на экране компьютера;

* отдельный элемент растрового изображения;

* точка изображения, напечатанного на принтере.

     Поэтому, чтобы избежать путаницы, будем пользоваться следующей терминологией:

* видеопиксель— наименьший элемент изображения на экране;

* пиксель — отдельный элемент растрового изображения;

* точка — наименьший элемент, создаваемый принтером.

     При этом для изображения одного пикселя  на экране компьютера может быть использован  один или несколько видеопикселей .

     Экран дисплея разбит на фиксированное  число видеопикселей , которые образуют графическую сетку (растр) из фиксированного числа строк и столбцов. Размер графической сетки обычно представляется в форме NxM , где N — количество видеопикселей по горизонтали, а М — по вертикали. На современных дисплеях используются, например, такие размеры графической сетки: 640 х 480, 800 х 600, 1024 х 768, 1240 х 1024 и др. Изображение на экране дисплея создается путем избирательной засветки электронным лучом определенных видеопикселей экрана. Чтобы изображение могло восприниматься глазом, его необходимо составить из сотен или тысяч видеопикселей , каждый из которых должен быть подсвечен. 

     Достоинства растровой графики

     1.Если размеры пикселей достаточно малы (приближаются к размерам видеопикселей ), то растровое изографика эффективно представляет изображения фотографического качества. 

       

     Рис. 2. Растровое изображение, полученное с помощью цифровой фотокамеры 

     2. Компьютер легко управляет устройствами вывода, которые используют точки для представления отдельных пикселей. Поэтому растровые рисунки могут быть легко распечатаны на принтерах. 

     Недостатки  растровой графики

     1. В файле растрового изображения запоминается информация о цвете каждого видеопикселя в виде комбинации битов. Бит — наименьший элемент памяти компьютера, который может принимать одно из двух значений: включено или выключено. Наиболее простой тип изображения имеет только два цвета (например, белый и чёрный). В этом случае каждому видеопикселю соответствует один бит памяти (21). Если цвет видеопикселя определяется двумя битами, то мы имеем четыре (22) возможных комбинаций значений включено /выключено. Используя для значения выключено символ 0, а для включено — 1, эти комбинации можно записать так: 00, 01, 10, 11 . Четыре бита памяти позволяют закодировать 16 (24) цветов, восемь бит — 28 или 256 цветов, 24 бита — 224 или 16777216 различных цветовых оттенков.

     Простые растровые картинки занимают небольшой  объём памяти (несколько десятков или сотен килобайт). Изображения фотографического качества часто требуют несколько мегабайт. Например, если размер графической сетки — 1240 х 1024, а количество используемых цветов — 16777216, то объём растрового файла составляет около 4 Мб, так как информация о цвете видеопикселей в файле занимает 

     1240 х 1024 х 24 = 30474240 бит или

     30474240 бит : 8 = 3809280 байт или

     3809280 байт : 1024 = 3720 Кб или

3720 Кб : 1024 = 3,63 Мб. 

     Таким образом, для хранения растровых изображений требуется большой объём памяти.

     Самым простым решением проблемы хранения растровых изображений является увеличение ёмкости запоминающих устройств  компьютера. Современные жесткие  и оптические диски предоставляют  значительные объёмы памяти для данных. Оборотной стороной этого решения  является стоимость, хотя цены на эти  запоминающие устройства в последнее  время заметно снижаются.

     Другой  способ решения проблемы заключается  в сжатии графических файлов, т. е. использовании программ, уменьшающих размеры файлов растровой графики за счет изменения способа организации данных. Существует несколько способов сжатия графических данных. В простейшем из них последовательность повторяющихся величин (в нашем случае — набор бит для представления видеопикселей ) заменяется парой — единственной величиной и количеством её повторений. На рис. 3 показано, как подобным образом может быть сжата одна строка чёрно-

белого растрового рисунка. 

       

     Рис. 3. Сжатие последовательности пикселей 

     Такой метод сжатия лучше всего работает с изображениями, которые содержат большие области однотонной закраски, но намного хуже с его помощью сжимаются фотографии, так как в них почти нет длинных строк из одинаковых пикселей. Сильно насыщенные узорами изображения хорошо сжимаются методом LZ W (назван так по первым буквам фамилий его разработчиков — Lempel , Ziv и Welch ). Объединённая группа экспертов по фотографии ( Joint Photographic Experts Group ) предложила метод JPEG для сжатия изображений фотографического качества.

     2. Растровое изображение после масштабирования или вращения может потерять свою привлекательность. Например, области однотонной закраски могут приобрести странный («муаровый») узор; кривые и прямые линии, которые выглядели гладкими, могут неожиданно стать пилообразными. Если уменьшить, а затем снова увеличить до прежнего размера растровый рисунок, то он станет нечётким и ступенчатым (рис. 4), а закрашенные области могут быть искажены. Причина в том, что изменение размеров растрового изображения производится одним из двух способов: 

* все пиксели рисунка одинаково изменяют свой размер (одновременно становятся больше или меньше);

* пиксели добавляются или удаляются из рисунка (это называется выборкой пикселей в

изображении).

     При первом способе масштабирование  изображения не меняет количество входящих в него пикселей, но изменяется количество элементов ( видеопикселей или точек), необходимых для построения отдельного пикселя (рис. 5), и при увеличении рисунка «ступенчатость» становится всё более заметной — каждая точка превращается в квадратик.

     

Рис. 4. Эффект, появляющийся при уменьшении, а затем увеличении растрового изображения (рисунок получен в графическом редакторе Paint) 
 

            

     Исходное  изображение       Увеличенное изображение 

Рис. 5. При изменении размеров изображения количество входящих в него пикселей не меняется 

     Выборка же растрового изображения может  быть сделана двумя способами. Во-первых, можно просто продублировать или удалить необходимое число пикселей. Во-вторых, с помощью определенных вычислений программа может создать пиксели другого цвета, определяемого первоначальным пикселем и его окружением. При этом возможно исчезновение из рисунка мелких деталей и тонких линий, появление «муарового» узора или уменьшение резкости изображения (размытие).

     Так как графический редактор Paint (стандартная программа WINDOWS ) является растровым, то в нем легко продемонстрировать результаты масштабирования изображений и объяснить причины возникающих искажений.

     Итак, растровые изображения имеют очень ограниченные возможности при

масштабировании, вращении и других преобразованиях.