Obraz zapisany w postaci rastrowej stanowi układ barwnych (lub czarnych i białych)
punktów — pikseli (ang. pixel = picture element = element obrazu),
wypełniających obszar, zwykle o kształcie prostokąta.
Niżej przedstawiamy kilka próbek tego samego obrazu:
pierwsza wyraża go za pomocą matrycy znakowej,
druga korzysta z profesjonalnego formatu gif,
trzecia zaś przedstawia w postaci poglądowej jego matrycę pikseli.
Niezależnie od przyjętych w poszczególnych przypadkach szczegółów technicznych,
zapis obrazu zawiera jedynie informacje o poszczególnych pikselach.
Powyższy opis wskazuje, że niezależnie od szczegółów realizacji konkretnych
rozwiązań, obraz rastrowy przechowuje mniej więcej taką samą informację,
jak obraz fotograficzny o regularnym układzie jednorodnych ziaren.
Jeżeli nawet punkty obrazu układają się w linie, napisy, barwne obszary
o regularnym kształcie i inne „rozpoznawalne” obiekty,
jest to tylko złudzenie powstające przy oglądaniu. Dokumentacja
fotograficzna tekstów pozwala na przedstawienie np. strony wydawnictwa
w postaci obrazka rastrowego.
Rastrowy (fotograficzny) zapis strony wydruku
Ponieważ obraz taki zawiera tylko piksele, nie da się na nim
prowadzić operacji edycyjnych typowych dla tekstu.
Typowymi źródłami obrazów rastrowych są:
skanowanie optyczne obrazów analogowych i fotografia cyfrowa.
Atrybut przypisany pojedynczemu pikselowi w zapisie cyfrowym jest oczywiście liczbą,
zaś podczas prezentacji zwykle wyraża się go za pomocą odpowiedniego koloru.
Liczba bitów przeznaczonych do zakodowania pojedynczego piksela
nosi nazwę głębi (depth) obrazu.
Głębia n-bitowa daje możliwość reprezentowania 2n różnych barw.
W modelu RGB o 8-bitowej reprezentacji barw czystych
mamy zatem do czynienia z głębią 24-bitową. W obrazie z 256-barwną paletą
głębia wynosi 8 bez względu na to, jakie barwy zawiera paleta.
Dla porządku trzeba wspomnieć, że „kolor” pikseli
może wyrażać nie tylko „barwę” przedmiotu (czyli
cechy światła odbitego). Za pomocą barw można przedstawiać informacje
dotyczące dowolnej mierzalnej wielkości (np. temperatury, prędkości, wieku,
nachylenia, elastyczności, naprężeń, koncentracji zanieczyszczeń itp.).
Szczególnie sensowne jest wykorzystanie do tego celu obrazów cyfrowych
generowanych komputerowo na podstawie danych pomiarowych lub wyników obliczeń.
Należy jednak pamiętać, że powstały tym sposobem obraz rastrowy nie zawiera
w ogóle danych, na podstawie których został utworzony.
Zależnie od użytej w danym obrazie liczby kolorów (związanej m.in.
z głębią obrazu) obraz może lepiej lub gorzej oddawać rzeczywistość.
Przy jednakowej siatce rastra, obrazy o mniejszej głębi zawierają
mniej informacji i ogląda się je z pewnym dyskomfortem.
Mimo to trzeba przyznać, że nawet obrazy czarno-białe dostarczają
sporo istotnej informacji. W końcu nie tak dawno druk, fotografia,
kino i telewizja oferowały wyłącznie obrazy czarno-białe lub
z odcieniami szarości, zaś mechanizmy rozpoznawania obrazu w mózgu
doskonalą się od milionów lat.
Zestawy kolorów
głębia 8-bitowa (256 kolorów)
głębia 8-bitowa (256 kolorów, negatyw)
głębia 8-bitowa (256 odcieni szarości)
głębia 4-bitowa (16 kolorów)
głębia 1-bitowa (2 kolory)
głębia 1-bitowa (czarno-biały)
Kompresja
Zadaniem kompresji danych jest umożliwienie zapisania stosunkowo
dużej ilości danych w stosunkowo małej przestrzeni (czyli za pomocą małej
liczby znaków).
Przy zapisie obrazu bez kompresji informacje o barwie poszczególnych
punktów następują jedna po drugiej w ustalonej kolejności,
podobnie jak zapis znaków w tekście:
Zapis taki obowiązuje np. w plikach formatów
xpm,
ppm
i bmp.
Istnieje wiele sposobów kompresowania danych.
Jeden z nich polega na zastąpieniu powtarzającego się znaku
(ciągu znaków) jego jednym egzemplarzem i adnotacją o liczbie powtórzeń.
Oto przykład prymitywnej kompresji tego typu:
Jest ona realizowana np. w plikach formatu pcx.
Zdarza się, że zapis skompresowany jest dłuższy od zapisu tych samych danych
bez kompresji. Jednak w „typowych” sytuacjach występowania
rozległych obszarów jednobarwnych udaje się zaoszczędzić sporo miejsca.
W bardziej zaawansowanych technikach kompresji prowadzone jest analiza częstości
występowania ciągów znaków (najczęściej dotyczy to ciągów bitów, czyli cyfr dwójkowych).
Ciągi często występujące są zastępowane krótszymi zamiennikami.
Metoda ta znajduje zastosowanie nie tylko w zapisie obrazu,
ale także przy archiwizowaniu danych dowolnego typu;
jej pierwowzoru można doszukać się w kodach komunikacyjnych
od początku ich istnienia.
Z metody tej korzysta się np. w formatach plików gif i png.
Formaty zapisu grafiki rastrowej z kompresją bez straty informacji
niech S znaczy ************
niech $ znaczy ******
niech + znaczy ----***
niech q znaczy ***----
niech # znaczy ***
niech O znaczy *@*
niech p znaczy **
niech ^ znaczy --------------------------------
niech ~ znaczy --------
niech % znaczy -----
niech = znaczy ----
niech _ znaczy ---
niech i znaczy --
^
~=$*~%
~-S*~i
~S#~-
=i$=_$=_
%#*~%#*=i
+*~=_#*%
++_#+%
_q-O_O%q
i#*%#_q-#*_
i#~~%#_
i#~~%#_
-#*~~%#*i
-q*~=p+i
-#_p~+_#i
-#i#~%#i#i
-#i*-p~_p-*i#i
-qp~_p+i
-#*=p~-p+*i
i#+=_#+_
iq-q-q-#_
i#*%$q-#*_
_qi$*=iq
+=_q_q-
+*~=_#*%
%#*~%#*=i
=i$=_$=_
~S#~-
~-S*~i
~=$*~%
^
^
W technikach zapisu obrazu można również wykorzystywać fakt, że dane są
przeznaczone do oglądania. Wprowadzenie pewnych zmian w układzie
punktów barwnych na fotografii może być niezauważalne dla odbiorcy,
lecz istotne dla zmniejszenia rozmiaru pliku.
Tego typu kompresja obrazu nosi nazwę kompresji nieodwracalnej
lub stratnej. Z zapisu stratnego nie można wiernie odtworzyć
pierwowzoru informacji. Format jpeg zapisu obrazów korzysta
z kompresji nieodwracalnej. Jest to format świetny do fotografii,
lecz zupełnie nie nadaje się do rysunków technicznych ani do wykresów.
Utrata informacji przy zapisie w formacie stratnym
--------->
Rozdzielczość i skalowanie obrazu rastrowego
Mówiąc o nadaniu obrazowi rastrowemu określonego rozmiaru w jednostkach metrycznych,
posługujemy się pojęciem rozdzielczości. Wyraża się ją w liczbie pikseli obrazu
przypadających na jednostkę długości (liczba pikseli na cal — ppi, liczba pikseli na centymetr — ppcm,
liczba pikseli na szerokość obrazu — tożsama z rozmiarem matrycy rastrowej).
Przez skalowanie obrazu rozumiemy naniesienie jego rysunku na matrycę (siatkę)
o innej liczbie pikseli w pionie i/lub w poziomie, niż siatka oryginału.
Dlaczego obrazów rastrowych nie da się skalować
Obrazy rastrowe z trudem znoszą operację skalowania, przy czym jakość ich na ogół się pogarsza,
a nigdy nie polepsza.
Rozpatrzmy następujący obrazek testowy, rozpięty na siatce 32×32 pikseli.
Wygenerujmy na jego podstawie obraz dwukrotnie mniejszy, tzn. na siatce 16×16 pikseli.
Nie powinno dziwić, że nowy obraz zawiera znacznie mniej informacji — jest przecież
na nią znacznie mniej miejsca: każdy piksel nowego obrazu odpowiada blokowi czterech pikseli
oryginału.
Ponowne powiększenie małego obrazka do poprzednich rozmiarów nie zwiększy ilości szczegółów.
W końcu jedyna informacja, jaką dysponujemy podczas powiększania, zawiera się w tablicy
pikseli powiększanego obrazu (tym razem jest to siatka 16×16 pikseli).
Jakość efektu końcowego 32×32 jest zatem znacznie niższa, niż oryginału 32×32,
choć do pewnego stopnia można nią sterować określając zasady przydzielania kolorów pikselom
nowego obrazu, jak to jest widoczne w poniższych przykładach.
Wykonano je za pomocą programu GNU GIMP
z wyłączoną opcją stosowania barw pośrednich (z lewej)
oraz z liniową (pośrodku) i sześcienną (z prawej) interpolacją barwy pikseli.
Otrzymane w wyniku powiększenia obrazy różnią się stopniem „wygładzenia”
(co bywa pożyteczne np. przy powiększaniu skanu z rysunkiem) lub
„zmiękczenia” (co bywa interesującym zabiegiem artystycznym,
lecz nie wnosi żadnej nowej treści).
Skalowanie z interpolacją barw stosuje się rutynowo w urządzeniach
fotografii cyfrowej, gdzie nosi handlową nazwę „zoomu cyfrowego”.
Przypadek utraty informacji, jaki towarzyszy skalowaniu obrazu zawierającego
powtarzalne wzorce (paski, desenie), nosi nazwę efektu moiré.
Po zmianie rozmiaru matrycy często okazuje się, że regularny wzór został zaburzony,
lub że pojawił się inny, niepożądany wzorzec. Zniekształcenie takie może
towarzyszyć nawet niewielkiej zmianie rozmiarów matrycy, a jego bezpośrednią
przyczyną jest nakładanie się wzorców obrazu i rastra, mające charakter
interferencyjny. Zjawisko to występuje także podczas druku bądź skanowania
obrazów. Moiré, czyli mora, to rodzaj
półprzezroczystej tkaniny, na której obserwuje się podobne efekty po nałożeniu
na siebie dwóch lub więcej warstw.
W przykładzie posłużymy się obrazem testowym składającym się
z poziomych pasków o szerokości 2 pikseli:
Obraz o matrycy 64×64 poddany testom
Po przeskalowaniu do matrycy 61×61 i z powrotem bez interpolacji barw pośrednich
Po przeskalowaniu do matrycy 61×61 i z powrotem z interpolacją barw pośrednich
Podobny efekt związany z obrotem obrazu i z ponownym obrotem o ten sam kąt w przeciwnym kierunku, mającym „naprawić” szkody
Przeskalowanie programowe do rozmiarów 122×122 i 134×134 dokonane w momencie prezentacji obrazu (w tym przypadku przez przeglądarkę Czytelnika)
Z każdą operacją przekształcającą dany obraz rastrowy (nie licząc interaktywnego
wzbogacania go o nowe elementy) wiąże się strata informacji: niekiedy tak drastyczna
jak w przedstawionych przykładach, częściej jednak znacznie mniej widoczna.
Strata ta jest konsekwencją szeroko pojętej drugiej zasady termodynamiki
(procesy zachodzące w układzie zamkniętym nieodwracalnie zwiększają stopień wymieszania
ośrodka, będący miarą chaosu).
Od skalowania obrazów nie da się uciec; jest niezbędne choćby przy
przygotowywaniu dokumentów i podczas druku (matryca drukarki też jest rastrem).
Pozostaje tylko starać się, by nie tracić informacji przez nieprzemyślane
skalowanie.
„Powiększanie” widoku obrazu
Mówiliśmy o skalowaniu jako o operacji edycyjnej, która zmienia rozmiar matrycy obrazu.
Można również rozpatrywać „powiększanie” i „pomniejszanie”
obrazu związane z chwilowym wyborem sposobu prezentacji (np. w środowiskach
interaktywnych lub podczas przygotowywania dokumentów sformatowanych).
Taka operacja nie zawsze prowadzi do utrwalenia zapisu nowego obrazu,
lecz mimo to możemy mówić o rozmiarze matrycy służącej do prezentacji —
będzie nią np. zbiór pikseli ekranowych.
Zatem mamy do czynienia ze skalowaniem odwracalnym w tym sensie, że w każdej chwili
można wrócić do obrazu oryginalnego (a więc bogatszego pod względem informacyjnym),
lecz w ostatecznym efekcie — a jest nim odbiór wzrokowy —
skutek będzie podobny, jak użycie obrazu przeskalowanego.
Powiększanie obrazka rastrowego nie jest w stanie zwiększyć ilości dostrzegalnych szczegółów.
Pojedyncze piksele będą reprezentowane przez jednobarwne kwadraty lub prostokąty.
Każdy z występujących niżej obrazków został przedstawiony dwukrotnie:
raz w naturalnej skali wynikającej z wielkości matrycy (tablicy pikseli) pliku graficznego,
a drugi raz po powiększeniu do rozmiaru wspólnego dla wszystkich próbek.
Skalowanie obrazu rastrowego
Obrazy w skali naturalnej (matryca zapisu jest identyczna z matrycą prezentacji)
szerokość 330 pikseli
szerokość 110 pikseli
szerokość 55 pikseli
szerokość 27 pikseli
Obrazy o różnych matrycach sprowadzone do tego samego rozmiaru prezentacyjnego przez powiększenie
szerokość 330 pikseli, powiększenie 1×
szerokość 110 pikseli, powiększenie 3×
szerokość 55 pikseli, powiększenie 6×
szerokość 27 pikseli, powiększenie 12×
Obrazy o różnych matrycach sprowadzone do tego samego rozmiaru prezentacyjnego przez pomniejszenie
szerokość 330 pikseli, pomniejszenie 12×
szerokość 110 pikseli, pomniejszenie 4×
szerokość 55 pikseli, pomniejszenie 2×
szerokość 27 pikseli, pomniejszenie 1×
Wielkość matrycy obrazu a rozmiar pliku
Liczba pikseli znajdujących się w obrazie jest równa iloczynowi liczby kolumn przez liczbę wierszy
matrycy. Zatem k-krotne powiększenie obrazu sprawi, że liczba jego pikseli wzrośnie
k2 razy. Podobnie powinien wzrosnąć rozmiar pliku graficznego,
w którym nie stosuje się kompresji. Przy kompresji zapisu zależność między rozmiarem pliku
a rozmiarami obrazu nie jest już tak oczywista. Należy się spodziewać, że im mniej zróżnicowany
obraz, tym bardziej efektywna będzie jego kompresja.
Rozmiar matrycy obrazu rastrowego a rozmiar pliku
format BMP (bez kompresji)
szerokość bazowa (496054 B)
2/3 szerokości bazowej (218514 B)
1/2 szerokości bazowej (124054 B)
1/3 szerokości bazowej (54502 B)
1/6 szerokości bazowej (13338 B)
1/12 szerokości bazowej (3174 B)
format JPEG (silna kompresja)
szerokość bazowa (33401 B)
2/3 szerokości bazowej (7506 B)
1/2 szerokości bazowej (4975 B)
1/3 szerokości bazowej (2892 B)
1/6 szerokości bazowej (1295 B)
1/12 szerokości bazowej (709 B)
Paleta barw
Jak już wcześniej stwierdzono, przypisanie barw obiektom może odbywać się
bezpośrednio lub pośrednio — z wykorzystaniem przygotowanej wcześniej
palety barw.
Ponieważ w obrazach rastrowych jedynymi obiektami graficznymi są piksele,
w kontekście tego rodzaju grafiki będzie mowa jedynie o kolorach przypisanych
poszczególnym pikselom.
Na przykład każdy 256-kolorowy obraz formatu gif ma paletę 256 barw,
wybranych spośród większej liczby barw możliwych do określenia.
Obraz rastrowy zapisany znakowo w formacie xpm ma sekcję opisu palety barw,
po której następuje tablica pikseli. Można to łatwo sprawdzić,
oglądając przykładowy plik źródłowy tego formatu.
Pliki formatu png mogą mieć paletę, ale nie muszą.
Zmiana definicji jednego koloru palety spowoduje zmianę barwy
wszystkich elementów obrazu, którym kolor ten był przypisany.
Sprawdź w swoim edytorze grafiki rastrowej, jak dokonać zmiany koloru w palecie.
Wcześniej może być niezbędna transformacja obrazu z trybu bezpośredniego opisu
barw pikseli (np. RGB) do trybu z paletą (indeksowanego).
Zamieszczony niżej obrazek przedstawia okno narzędziowe programu GNU GIMP
udostępniające paletę barw pliku graficznego (oczywiście z fotografią Księżyca).
No cóż: nie korzysta on wcale z 256 kolorów — widać, że jest ich tylko 128.
Niektóre formaty zapisu obrazów umożliwiają wykorzystanie specjalnego koloru
przezroczystego, którego opis nie jest możliwy w klasycznych
systemach RGB ani HSB.
Do formatów tych należą m.in. gif, png i xpm.
Obrazy zawierające piksele barwy przezroczystej mogą służyć do prezentacji
elementów graficznych o obrysie innym, niż prostokątny.
Są one również użyteczne w dokumentach i grafikach o strukturze warstwowej,
gdy warstwy nimi nakryte mają pozostać całkowicie lub częściowo widoczne.
Wykorzystanie przezroczystości w obrazach rastrowych
Uśmiech kota z Cheshire (format gif)
Księżyc w przestworzach (format png z kolorem przezroczystym)
Chmury zakrywające niebo (format png z kanałem alfa)
Format png pozwala ponadto obsłużyć znany z systemu barw
ERGB liczbowy „współczynnik przezroczystości”
zwany współczynnikiem alfa, analogiczny do współczynników dla kolorów czystych.
Pozwala on na „prześwitywanie” warstw dokumentu umieszczonych pod obrazem.
Formaty zapisu grafiki rastrowej
ppm
Portable PixMap, zapis bez kompresji.
xpm
X-Window PixMap, zapis znakowy bez kompresji, z paletą barw dowolnego rozmiaru.
Grafikę w formacie xpm można tworzyć nawet zwykłym edytorem znakowym.
bmp
Bitmap, zapis bez kompresji lub z prymitywną kompresją.
pcx
Paintbrush, zapis z prymitywną kompresją.
gif
Graphics Interchange Format, zapis z kompresją, z paletą do 256 barw.
jpeg
Joint Photo Expert Group, zapis z kompresją stratną, z bezpośrednim kodowaniem barw pikseli (bez palety).
j2
Joint Photo Expert Group 2000, zapis z kompresją stratną albo bezstratną, z bezpośrednim kodowaniem barw pikseli.
png
Portable Network Graphics, zapis z kompresją.
tif
Tag Image File Format, otwarty format roboczy grafiki rastrowej dla urządzeń (np. skanerów) i edytorów graficznych.
djvu
Deja Vu, format zaawansowanej kompresji stratnej do przechowywania zeskanowanych wydawnictw, opracowany przez AT&T.
Format grafiki a rozmiar pliku danych
Poniższy wyciąg ze spisu zawartości kartoteki
zawiera rozmiary niektórych plików graficznych prezentowanych w tym dokumencie.
Są to same „księżyce” różnych formatów, rozmiarów i głębi.
