Информатика

Растровое изображение – это файл данных или структура, представляющая собой сетку пикселей или точек цветов (на практике прямоугольную) на компьютерном мониторе, бумаге и других отображающих устройствах и материалах. Для того, чтобы понять, каким образом формируется растровое изображение, рассмотрим принцип работы сканера.

В основе принципа работы сканера лежит свет, отражённый от объекта или прошедший через него (в зависимости от модели и предназначения устройства). Поступая от специального источника (обычно просто очень яркой лампы), он искажается сканируемым объектом (отражается от документа или проходит через слайд), предварительно размещённым на стекле изображением вниз. Приёмник света фиксирует яркость и цвет отражения от каждой точки, преобразовывая световые импульсы в электрический сигнал.

При сканировании все изображение разбивается на элементарные участки. Например, необходимо отсканировать изображение чёрного круга. Разобьём это изображение на 25 частей (рис. 6.2, а). Свет направляется на каждый квадрат изображения и отражается от него. В зависимости от цвета объекта, свет будет полностью (белые квадраты) или частично (серые квадраты) отражаться или полностью поглощаться (чёрные квадраты).

Если свет отражается полностью, этот участок изображения кодируется цифрой 1, чёрный объект (свет полностью поглощается) – цифрой 0. Если в квадрат попадает частично белый и чёрный участки изображения, компьютер анализирует степень заполнения квадрата определённым цветами и если площадь участка занята более чем на 50 % чёрным цветом, то этому квадрату присваивается значение 0, в противном случае – 1. В результате формируется так называемая битовая картина (рис. 6.2, б).

Если это изображение вывести на экран, то оно будет выглядеть следующим образом (рис. 6.2, в).

Понятно, что полученная фигура имеет к кругу весьма отдалённое отношение. Для того чтобы всё-таки получить круг, необходимо уменьшать размер элементарного участка.

Количество же этих элементарных участков на единицу длины принято называть разрешающей способностью.

Обычно за единицу длины принимают дюйм, а разрешающую способность оценивают в dpi (например, 300 dpi обозначает, что сканирующее устройство разбивает участок длиной 2,54 см на 300 точек) [12].

Данный способ кодирования графической информации используется при сканировании чёрно-белых изображений (режим Black/White).

Если необходимо получить чёрное-белое изображение с градациями серого цвета (обыкновенную чёрно-белую фотографию), на кодирование одного пикселя (единичного участка изображения) отводится 1 байт (8 бит). С помощью одного байта можно закодировать 256 различных последовательностей. Следовательно, абсолютно белый цвет можно закодировать последовательностью из восьми единиц (11111111), а чёрный – из восьми нулей. Все остальные градации представляются комбинациями ноликов и единичек. Такой режим называется Gray (серый)

При сканировании цветного изображения реализуются различные технические приёмы, но общий смысл заключается в следующем: на изображение направляется три цветовых потока (синий, зелёный и красный). Освещаемый объект, в зависимости от его цвета, одни лучи поглощает, другие – отражает.

Доля отраженного света по каждому цветовому каналу анализируется светоприёмниками и каждый цвет кодируется одним байтом. Следовательно, на каждый квадрат отводится 3 байта (24 бита), в результате чего можно закодировать около 16 млн. цветов (2²⁴). Данный режим носит название True Color. Справедливости ради следует отметить, что человеческий глаз способен различать не более 180 цветовых оттенков.

Зная размер изображения, разрешающую способность сканирующего устройства и глубину цветов, можно определить информационный объём данного изображения.

Например, отсканируем фотографию 10 x 15 см (для простоты расчётов примем размер фотографии равным 4 x 6 дюйма) с разрешением 300 dpi. При сканировании в режиме Black/White на кодирование каждой точки потребуется 1 бит (1 или 0). Умножив длину и ширину фотографии на 300 и перемножив эти два произведения, определяем, что для хранения растровой картинки требуется 2 160 000 бит или 270 000 байт (примерно 264 Кб).

При сканировании в режиме Gray это же изображение займет уже 2 160 000 байт (что равно примерно 2 110 Кб или 2,06 Мб). Сканирование в полноцветном 24-битовом режиме потребует для хранения уже 16,48 Мб свободного места на диске.

Разрешающая способность имеет огромное значение для растровых изображений, поэтому остановимся на этом моменте подробнее. Под разрешением обычно подразумевают:

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 называть пикселом. Размер пиксела 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 x 480, 800 x 600, 1 024 x 768, 1 280 x 1 024, 1 600 x 1 200, 1 600 x 1 280, 1 920 x 1 200, 1 920 x 1 600 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 твёрдая 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 твёрдой копии (бумага, плёнка и т. д.), так и на экране зависит от применённого метода и параметров растрирования оригинала. 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 – lpi) 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 чёрный цвет, размер точки растра совпадёт с размером элемента растра. В этом случае говорят о 100-процентной 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 чёрному цвету.

Иллюзия более тёмного тона создаётся за счёт 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).

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

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 определённое количество точек, то при большем масштабе увеличивается и их размер, становятся заметны элементы растра, что искажает саму иллюстрацию.

Для противодействия пикселизации принято заранее оцифровывать оригинал с разрешением, достаточным для качественной визуализации при масштабировании. Другой приём состоит в применении стохастического растра, позволяющего уменьшить эффект пикселизации в определённых пределах.

Наконец, при масштабировании используют метод интерполяции, когда увеличение размера иллюстрации происходит не за счёт масштабирования точек, а путём добавления необходимого числа промежуточных точек.