Grafica raster: Comprendere i fondamenti della grafica raster nella visione artificiale

Di Fouad Sabry

Che cos'è la grafica raster

Nella computer grafica e nella fotografia digitale, una grafica raster rappresenta un'immagine bidimensionale come una matrice rettangolare o una griglia di pixel, visualizzabile tramite un computer display, carta o altro supporto di visualizzazione. Un raster è tecnicamente caratterizzato dalla larghezza e dall'altezza dell'immagine in pixel e dal numero di bit per pixel. Le immagini raster vengono archiviate in file di immagine con diversi formati di diffusione, produzione, generazione e acquisizione.

Come trarrai vantaggio

(I) Approfondimenti e convalide sui seguenti argomenti:

Capitolo 1: Grafica raster

Capitolo 2: Pixel

Capitolo 3: Modello di colore RGB

Capitolo 4: Grafica vettoriale

Capitolo 5: Matrice di punti

Capitolo 6: Rasterizzazione

Capitolo 7: Framebuffer

Capitolo 8: Truevision TGA

Capitolo 9: Punti per pollice

Capitolo 10: Profondità del colore

(II) Rispondere alle principali domande del pubblico sulla grafica raster.

(III) Esempi reali dell'utilizzo della grafica raster in molti campi.

A chi è rivolto questo libro

Professionisti, studenti universitari e laureati, appassionati, hobbisti e coloro che vogliono andare oltre le conoscenze o le informazioni di base per qualsiasi tipo di grafica raster.

 

• Lingua: Italiano
• Editore: Un Miliardo Di Ben Informato [Italian]
• Data di uscita: 14 mag 2024

Anteprima del libro

Capitolo 1: Grafica raster

Nella computer grafica e nella fotografia digitale, un grafico raster ritrae un'immagine bidimensionale come una matrice rettangolare o una griglia di pixel quadrati che può essere visualizzata sul monitor di un computer, su carta o su un altro supporto di visualizzazione. Tecnicamente, un raster è definito dalla larghezza e dall'altezza dell'immagine in pixel e dal numero di bit per pixel. Le immagini raster vengono memorizzate in file di immagine i cui formati di distribuzione, creazione, generazione e acquisizione variano.

Nei settori della stampa e della prestampa, le immagini raster sono denominate contoni (da toni continui). Nei sistemi digitali, tuttavia, la line art è tipicamente implementata come grafica vettoriale.

Numerose manipolazioni raster si trasferiscono direttamente sui formalismi matematici dell'algebra lineare, dove la struttura delle matrici matematiche è di grande importanza.

Il termine raster deriva dal latino rastrum (rastrello), che deriva dal verbo radere (spazzare) (raschiare). Deriva dalla scansione raster dei monitor televisivi a tubo catodico (CRT), che dipingono l'immagine una riga alla volta guidando magneticamente o elettrostaticamente un fascio di elettroni focalizzato. Può anche essere usato per fare riferimento a una griglia rettangolare di pixel. Attualmente, il termine rastrum si riferisce a uno strumento per creare linee di pentagramma musicale.

La tassellatura di un piano in una matrice bidimensionale di quadrati, ciascuno chiamato cella o pixel, è l'approccio fondamentale alla base del modello di dati raster (da elemento immagine). Nella fotografia digitale, il piano è il campo visivo proiettato sul sensore di immagine; Nella computer art, è una tela virtuale; e nei sistemi informativi geografici, è una proiezione della superficie terrestre. La risoluzione o il supporto, ovvero la dimensione di ogni pixel quadrato, rimane coerente in tutta la griglia. Un metodo di grigliatura può fornire dati raster o basati su griglia.

Per ogni pixel, viene quindi salvato un singolo valore numerico. Questo valore è un colore visibile per la maggior parte delle foto, ma sono possibili misurazioni alternative, inclusi codici numerici per categorie qualitative. Ogni griglia raster ha un formato pixel univoco, che specifica il tipo di dati di ogni numero intero. I formati di pixel più comuni includono binario, scala di grigi, tavolozza e a colori, in cui la profondità del colore controlla la precisione dei colori visualizzati e lo spazio colore determina l'intervallo di copertura del colore (che spesso è inferiore all'intera gamma della visione umana dei colori). La maggior parte dei formati raster a colori contemporanei esprime il colore con 24 bit (quasi 16 milioni di colori diversi) e 8 bit (0-255) per canale di colore (rosso, verde e blu). I sensori digitali utilizzati nel telerilevamento e nell'astronomia sono spesso in grado di rilevare e memorizzare lunghezze d'onda oltre lo spettro visibile; il grande sensore bitmap CCD dell'Osservatorio Vera C. Rubin cattura 3,2 gigapixel in una singola immagine (6,4 GB raw) su sei canali di colore che superano la gamma spettrale della visione umana dei colori.

La maggior parte delle immagini del computer vengono salvate in formati grafici raster o nelle loro varianti compresse, come GIF, JPEG e PNG, ampiamente utilizzate su Internet. Un formato di dati raster è costruito su una tassellatura (spesso rettangolare, a base quadrata) del piano 2D in celle con un singolo valore ciascuna. La matrice bidimensionale deve essere serializzata per archiviare i dati in un file. In un formato di riga principale, le celle lungo la prima riga (in genere la più alta) sono elencate da sinistra a destra, seguite immediatamente da quelle della seconda riga e così via.

Nell'illustrazione a destra, le celle della tassellatura A sono sovrapposte al modello di punti B, producendo una matrice C di conteggi di quadranti che riflette il numero di punti in ogni cella. Ai fini della visualizzazione, è stata utilizzata una tabella di ricerca per colorare ogni cella nell'immagine D. I numeri sono presentati come un array seriale row-major:

1 3 0 0 1 12 8 0 1 4 3 3 0 2 0 2 1 7 4 1 5 4 2 2 0 3 1 2 2 2 2 3 0 5 1 9 3 3 3 4 5 0 8 0 2 4 3 2 8 4 3 2 2 7 2 3 2 10 1 5 2 1 3 7

Per ricostruire la griglia bidimensionale, il file deve includere una sezione di intestazione che specifichi almeno il numero di colonne e il tipo di dati pixel (con il numero di bit o byte per valore) in modo che il lettore sappia dove si ferma ogni valore e da dove iniziare a leggere quello successivo. Nelle intestazioni possono essere inclusi anche il numero di righe, i parametri di georeferenziazione per i dati geografici e altri elementi di metadati, come quelli forniti dallo standard Exif.

Le griglie raster ad alta risoluzione includono un gran numero di pixel e quindi richiedono una grande quantità di memoria. Ciò ha portato a numerose tecniche per comprimere grandi volumi di dati in file più piccoli. L'approccio più diffuso consiste nel cercare modelli o tendenze nei valori dei pixel e quindi salvare una versione con parametri del modello al posto dei dati originali. La codifica run-length (RLE), JPEG, LZ (la base per PNG e ZIP), Lempel-Ziv-Welch (LZW) (la base per GIF) e altri sono algoritmi di compressione raster comuni.

La codifica della lunghezza di esecuzione, ad esempio, cerca nell'array i valori ripetuti e li sostituisce con il valore e il numero di volte in cui viene visualizzato. Pertanto, il raster di cui sopra verrebbe rappresentato come:

Questa tecnica è particolarmente efficace quando ci sono enormi aree di uguali valori, come in un disegno al tratto; tuttavia, in un'immagine, in cui i pixel sono in genere leggermente diversi dai loro vicini, il file RLE potrebbe essere fino al doppio più grande dell'originale.

Alcuni metodi di compressione, tra cui RLE e LZW, sono senza perdita di dati, il che significa che i valori dei pixel originali possono essere completamente riprodotti dai dati compressi. Altre tecniche, come JPEG, sono con perdita di dati poiché i modelli parametrizzati sono semplicemente un'approssimazione dei valori dei pixel originali e questi ultimi possono quindi essere approssimati solo dai dati compressi.

Il software può rasterizzare (convertire in pixel) immagini vettoriali (disegno al tratto) e vettorializzare (convertire immagini raster in grafica vettoriale) immagini raster. In entrambi i casi, alcune informazioni vengono perse, anche se alcune procedure di vettorizzazione, come il riconoscimento ottico dei caratteri, possono ricostruire le informazioni pertinenti.

Negli anni '20, i primi televisori meccanici utilizzavano concetti di rasterizzazione. La televisione elettronica basata su schermi a tubo catodico è scansionata raster con raster orizzontali e linee raster dipinte rispettivamente da sinistra a destra e dall'alto verso il basso.

I moderni display a schermo piatto, come i monitor a LED, continuano a utilizzare una tecnica raster. Ogni pixel sullo schermo è direttamente correlato a un piccolo numero di bit in memoria. È sufficiente scansionare i pixel e colorarli in base a ciascun set di bit per aggiornare il display. L'operazione di aggiornamento, che è sensibile al tempo, viene spesso implementata da circuiti dedicati, che sono spesso un componente di un'unità di elaborazione grafica.

Utilizzando questo metodo, il computer è dotato di una sezione di memoria che memorizza tutti i dati da presentare. Il processore centrale scrive i dati in questa posizione di memoria e il controller