Gráficos de trama

La cara sonriente en la esquina superior izquierda es una imagen de mapa. Cuando se agranda, los píxeles individuales aparecen como cuadrados. Agrandando aún más, cada pixel se puede analizar, con sus colores construidos a través de la combinación de los valores para rojo, verde y azul.

En gráficos por computadora y fotografía digital, un gráfico de trama representa una imagen bidimensional como una matriz rectangular o cuadrícula de píxeles cuadrados, que se puede ver a través de una pantalla de computadora, papel u otro medio de visualización. Un raster se caracteriza técnicamente por el ancho y el alto de la imagen en píxeles y por el número de bits por píxel. Las imágenes rasterizadas se almacenan en archivos de imágenes con distintos formatos de difusión, producción, generación y adquisición.

Las industrias de impresión y preimpresión conocen los gráficos de trama como contones (de tonos continuos). Por el contrario, el arte lineal generalmente se implementa como gráficos vectoriales en sistemas digitales.

Transponer una imagen a una organización de raster encubierto (una operación relativamente costosa para formatos empaquetados con menos de un byte por pixel); componer una reflexión adicional de línea de raster (casi libre), ya sea antes o después, equivale a una rotación de imagen de 90° en una dirección o en la otra.

Muchas manipulaciones de ráster se asignan directamente a los formalismos matemáticos del álgebra lineal, donde los objetos matemáticos de estructura matricial son de interés central.

Etimología

La palabra "ráster" tiene su origen en el latín rastrum (un rastrillo), que se deriva de radere (raspar). Se origina a partir de la exploración de trama de los monitores de video de tubo de rayos catódicos (CRT), que pintan la imagen línea por línea dirigiendo magnética o electrostáticamente un haz de electrones enfocado. Por asociación, también puede referirse a una cuadrícula rectangular de píxeles. La palabra rastrum ahora se usa para referirse a un dispositivo para dibujar líneas de pentagrama musical.

Modelo de datos

Un gráfico sencillo

La estrategia fundamental que subyace al modelo ráster es la teselación de un plano, en una matriz bidimensional de cuadrados, cada uno denominado celda o píxel (de &# 34;elemento de imagen"). En fotografía digital, el plano es el campo visual proyectado sobre el sensor de imagen; en el arte por computadora, el avión es un lienzo virtual; en los sistemas de información geográfica, el plano es una proyección de la superficie terrestre. El tamaño de cada píxel cuadrado, conocido como resolución o soporte, es constante en toda la cuadrícula.

Luego se almacena un solo valor numérico para cada píxel. Para la mayoría de las imágenes, este valor es un color visible, pero son posibles otras medidas, incluso códigos numéricos para categorías cualitativas. Cada cuadrícula de trama tiene un formato de píxel específico, el tipo de datos para cada número. Los formatos de píxel comunes son binario, en escala de grises, paletizado y a todo color, donde la profundidad de color determina la fidelidad de los colores representados y el espacio de color determina el rango de cobertura de color (que a menudo es menor que el rango completo de la visión humana del color).). La mayoría de los formatos de trama de color modernos representan el color mediante 24 bits (más de 16 millones de colores distintos), con 8 bits (valores de 0 a 255) para cada canal de color (rojo, verde y azul). Los sensores digitales utilizados para la teledetección y la astronomía a menudo pueden detectar y almacenar longitudes de onda más allá del espectro visible; el gran sensor de mapa de bits CCD del Observatorio Vera C. Rubin captura 3,2 gigapíxeles en una sola imagen (6,4 GB sin procesar), en seis canales de color que superan el rango espectral de la visión humana del color.

Aplicaciones

Almacenamiento de imágenes

Usando un mapa para resumir un patrón de punto.

La mayoría de las imágenes de computadora se almacenan en formatos de gráficos de trama o variaciones comprimidas, incluidos GIF, JPEG y PNG, que son populares en la World Wide Web. Una estructura de datos ráster se basa en una teselación (generalmente rectangular, de base cuadrada) del plano 2D en celdas, cada una de las cuales contiene un solo valor. Para almacenar los datos en un archivo, la matriz bidimensional debe serializarse. La forma más común de hacer esto es un formato row-major, en el que las celdas a lo largo de la primera fila (generalmente la superior) se enumeran de izquierda a derecha, seguidas inmediatamente por las de la segunda fila, y así en.

En el ejemplo de la derecha, las celdas de la teselación A se superponen al patrón de puntos B, lo que da como resultado una matriz C de recuentos de cuadrantes que representan la cantidad de puntos en cada celda. Para fines de visualización, se ha utilizado una tabla de búsqueda para colorear cada una de las celdas en una imagen D. Aquí están los números como una serie de filas principales:

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

Para reconstruir la cuadrícula bidimensional, el archivo debe incluir una sección de encabezado al principio que contenga al menos el número de columnas y el tipo de datos del píxel (especialmente el número de bits o bytes por valor) para que el lector sepa dónde termina cada valor para comenzar a leer el siguiente. Los encabezados también pueden incluir el número de filas, parámetros de georreferenciación para datos geográficos u otras etiquetas de metadatos, como las especificadas en el estándar Exif.

Compresión

Las cuadrículas ráster de alta resolución contienen una gran cantidad de píxeles y, por lo tanto, consumen una gran cantidad de memoria. Esto ha llevado a múltiples enfoques para comprimir el volumen de datos en archivos más pequeños. La estrategia más común es buscar patrones o tendencias en los valores de los píxeles y luego almacenar una forma parametrizada del patrón en lugar de los datos originales. Los algoritmos de compresión de trama comunes incluyen codificación de longitud de ejecución (RLE), JPEG, LZ (la base para PNG y ZIP), LZW (la base para GIF) y otros.

Por ejemplo, la codificación de longitud de ejecución busca valores repetidos en la matriz y los reemplaza con el valor y la cantidad de veces que aparece. Por lo tanto, el ráster anterior se representaría como:

Esta técnica es muy eficaz cuando hay grandes áreas de valores idénticos, como un dibujo lineal, pero en una fotografía donde los píxeles suelen ser ligeramente diferentes de sus vecinos, el archivo RLE tendría hasta el doble del tamaño del original..

Algunos algoritmos de compresión, como RLE y LZW, son lossless, donde los valores de píxel originales se pueden regenerar perfectamente a partir de los datos comprimidos. Otros algoritmos, como JPEG, tienen pérdidas, porque los patrones parametrizados son solo una aproximación de los valores de píxel originales, por lo que estos últimos solo pueden estimarse a partir de los datos comprimidos.

Conversión ráster-vector

Las imágenes vectoriales (trabajo de línea) se pueden rasterizar (convertir en píxeles) y las imágenes rasterizar vectorizar (imágenes rasterizadas convertidas en gráficos vectoriales) mediante software. En ambos casos se pierde algo de información, aunque ciertas operaciones de vectorización pueden recrear información destacada, como en el caso del reconocimiento óptico de caracteres.

Pantallas

Los primeros televisores mecánicos desarrollados en la década de 1920 empleaban principios de rasterización. La televisión electrónica basada en pantallas de tubo de rayos catódicos se escanea en trama con tramas horizontales pintadas de izquierda a derecha y las líneas de trama pintadas de arriba a abajo.

Las pantallas planas modernas, como los monitores LED, aún utilizan un enfoque de trama. Cada píxel en pantalla corresponde directamente a una pequeña cantidad de bits en la memoria. La pantalla se actualiza simplemente escaneando píxeles y coloreándolos de acuerdo con cada conjunto de bits. El procedimiento de actualización, que es crítico para la velocidad, a menudo se implementa mediante circuitos dedicados, a menudo como parte de una unidad de procesamiento de gráficos.

Con este enfoque, la computadora contiene un área de memoria que contiene todos los datos que se van a mostrar. El procesador central escribe datos en esta región de la memoria y el controlador de video los recopila desde allí. Los bits de datos almacenados en este bloque de memoria están relacionados con el patrón eventual de píxeles que se usará para construir una imagen en la pantalla.

A finales de la década de 1960, A. Michael Noll en Bell Labs inventó una de las primeras pantallas escaneadas con gráficos de computadora de trama, pero su solicitud de patente presentada el 5 de febrero de 1970 fue abandonada en la Corte Suprema en 1977 debido a la cuestión de la patentabilidad de software de ordenador.

Impresión

Durante las décadas de 1970 y 1980, los trazadores de pluma, que usaban gráficos vectoriales, eran comunes para crear dibujos precisos, especialmente en papel de gran formato. Sin embargo, desde entonces, casi todas las impresoras crean la imagen impresa como una cuadrícula de trama, incluidas las impresoras láser y de inyección de tinta. Cuando la información de origen es un vector, se utilizan especificaciones de representación y software como PostScript para crear la imagen de trama.

Rásteres tridimensionales

Los gráficos de trama de vóxeles tridimensionales se emplean en videojuegos y también en imágenes médicas, como escáneres de resonancia magnética.

Sistemas de información geográfica

Los fenómenos geográficos se representan comúnmente en un formato raster en GIS. La cuadrícula ráster está georreferenciada, de modo que cada píxel (comúnmente llamado celda en GIS porque la "imagen" parte del "píxel" no es relevante) representa una región cuadrada del espacio geográfico. El valor de cada celda representa entonces alguna propiedad medible (cualitativa o cuantitativa) de esa región, típicamente conceptualizada como un campo. Los ejemplos de campos comúnmente representados en rásteres incluyen: temperatura, densidad de población, humedad del suelo, cobertura terrestre, elevación de la superficie, etc. Se utilizan dos modelos de muestreo para derivar valores de celda del campo: en una red, el el valor se mide en el punto central de cada celda; en una cuadrícula, el valor es un resumen (generalmente una media o moda) del valor en toda la celda.

Resolución

Los gráficos de trama dependen de la resolución, lo que significa que no pueden escalarse a una resolución arbitraria sin pérdida de calidad aparente. Esta propiedad contrasta con las capacidades de los gráficos vectoriales, que se adaptan fácilmente a la calidad del dispositivo que los representa. Los gráficos de trama son más prácticos que los gráficos vectoriales con fotografías e imágenes fotorrealistas, mientras que los gráficos vectoriales a menudo sirven mejor para la composición tipográfica o el diseño gráfico. Los monitores de computadora modernos generalmente muestran alrededor de 72 a 130 píxeles por pulgada (PPI), y algunas impresoras de consumo modernas pueden resolver 2400 puntos por pulgada (DPI) o más; determinar la resolución de imagen más apropiada para una resolución de impresora determinada puede plantear dificultades, ya que la salida impresa puede tener un mayor nivel de detalle que el que un espectador puede percibir en un monitor. Por lo general, una resolución de 150 a 300 PPI funciona bien para la impresión de cuatricromía (CMYK).

Sin embargo, para las tecnologías de impresión que realizan la mezcla de colores a través de difuminado (medio tono) en lugar de sobreimpresión (prácticamente todas las impresoras láser y de inyección de tinta para el hogar y la oficina), el DPI de la impresora y el PPI de la imagen tienen un significado muy diferente, y esto puede ser engañoso. Debido a que, a través del proceso de interpolación, la impresora crea un solo píxel de imagen a partir de varios puntos de la impresora para aumentar la profundidad del color, la configuración de DPI de la impresora debe configurarse mucho más alta que el PPI deseado para garantizar una profundidad de color suficiente sin sacrificar la resolución de la imagen.. Por lo tanto, por ejemplo, imprimir una imagen a 250 PPI puede requerir una configuración de impresora de 1200 DPI.

Editores de imágenes basados en ráster

Los editores de imágenes basados en tramas, como PaintShop Pro, Corel Painter, Adobe Photoshop, Paint.NET, Microsoft Paint y GIMP, giran en torno a la edición de píxeles, a diferencia de los editores de imágenes basados en vectores, como Xfig, CorelDRAW y Adobe Illustrator. o Inkscape, que giran en torno a la edición de líneas y formas (vectores). Cuando una imagen se representa en un editor de imágenes basado en ráster, la imagen se compone de millones de píxeles. En esencia, un editor de imágenes raster funciona manipulando cada píxel individual. La mayoría de los editores de imágenes basados en píxeles funcionan con el modelo de color RGB, pero algunos también permiten el uso de otros modelos de color, como el modelo de color CMYK.