En gráficos por computadora y fotografía digital , un gráfico rasterizado representa una imagen bidimensional como una matriz rectangular o cuadrícula de píxeles , visible a través de una pantalla de computadora , papel u otro medio de visualización. Un ráster se caracteriza técnicamente por el ancho y alto de la imagen en píxeles y por el número de bits por píxel . [ cita requerida ] 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 rasterizados como contones (de tonos continuos ). Por el contrario, el arte lineal suele implementarse como gráficos vectoriales en sistemas digitales. [1]
Muchas manipulaciones de trama se asignan directamente a los formalismos matemáticos del álgebra lineal , donde los objetos matemáticos de estructura matricial son de preocupación central.
La palabra "raster" tiene su origen en el latín rastrum (rastrillo), que se deriva de radere (raspar). Tiene su origen en el escaneo rasterizado de monitores de vídeo con tubos de rayos catódicos (CRT) , que pintan la imagen línea por línea dirigiendo magnética o electrostáticamente un haz de electrones enfocado . [2] 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.
La estrategia fundamental que subyace al modelo de datos ráster es la teselación de un plano en una matriz bidimensional de cuadrados, cada uno llamado celda o píxel (de "elemento de imagen"). En fotografía digital , el plano es el campo visual proyectado sobre el sensor de imagen ; en el arte por ordenador , 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. Los datos rasterizados o cuadriculados pueden ser el resultado de un procedimiento de cuadriculado .
Luego se almacena un único valor numérico para cada píxel. Para la mayoría de las imágenes, este valor es un color visible, pero son posibles otras mediciones, incluso códigos numéricos para categorías cualitativas. Cada cuadrícula ráster tiene un formato de píxel específico , el tipo de datos para cada número. Los formatos de píxeles comunes son binario , escala de grises , paletizado y a todo color , donde la profundidad de color [3] 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 visión humana del color ). La mayoría de los formatos ráster de color modernos representan el color utilizando 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 suelen ser capaces de detectar y almacenar longitudes de onda más allá del espectro visible ; El gran sensor CCD de mapa de bits del Observatorio Vera C. Rubin captura 3,2 gigapíxeles en una sola imagen (6,4 GB sin procesar), en seis canales de color que exceden el rango espectral de la visión humana del color.
La mayoría de las imágenes de computadora se almacenan en formatos de gráficos rasterizados o variaciones comprimidas, incluidos GIF , JPEG y PNG , que son populares en la World Wide Web . [3] [4] Una estructura de datos ráster se basa en una teselación (normalmente rectangular, de base cuadrada) del plano 2D en celdas, cada una de las cuales contiene un único valor. Para almacenar los datos en un archivo, la matriz bidimensional debe estar serializada. La forma más común de hacer esto es un formato de fila principal , 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 sucesivamente.
En el ejemplo de la derecha, las celdas del teselado A se superponen en el patrón de puntos B, lo que da como resultado una matriz C de recuentos de cuadrantes que representan el número de puntos en cada celda. Para fines de visualización, se ha utilizado una tabla de búsqueda para colorear cada una de las celdas de una imagen D. Aquí están los números como una matriz de filas principales en serie:
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 de píxeles (especialmente el número de bits o bytes por valor) para que el lector sepa dónde termina cada valor. para empezar 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 .
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 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 de PNG y ZIP ), Lempel–Ziv–Welch (LZW) (la base de 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, no tienen pérdidas , donde los valores de píxeles originales se pueden regenerar perfectamente a partir de los datos comprimidos. Otros algoritmos, como JPEG, tienen pérdida porque los patrones parametrizados son sólo una aproximación de los valores de píxeles originales, por lo que estos últimos sólo pueden estimarse a partir de los datos comprimidos.
Las imágenes vectoriales (trabajo lineal) se pueden rasterizar (convertir en píxeles) y las imágenes rasterizadas se pueden vectorizar (imágenes rasterizadas convertidas en gráficos vectoriales) mediante software. En ambos casos se pierde algo de información, aunque determinadas operaciones de vectorización pueden recrear información destacada, como en el caso del reconocimiento óptico de caracteres .
Los primeros televisores mecánicos desarrollados en la década de 1920 empleaban principios de rasterización. La televisión electrónica basada en pantallas de tubos 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, todavía utilizan un enfoque rasterizado. Cada píxel en pantalla corresponde directamente a una pequeña cantidad de bits en la memoria. [5] La pantalla se actualiza simplemente escaneando los píxeles y coloreándolos según cada conjunto de bits. El procedimiento de actualización, al ser 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 vídeo los recopila desde allí. Los bits de datos almacenados en este bloque de memoria están relacionados con el patrón eventual de píxeles que se utilizará para construir una imagen en la pantalla. [6]
A finales de la década de 1960, A. Michael Noll en Bell Labs inventó una de las primeras pantallas escaneadas con gráficos de computadora rasterizados , [7] pero su solicitud de patente presentada el 5 de febrero de 1970 fue abandonada en la Corte Suprema en 1977 por la cuestión de la patentabilidad. de programas informáticos. [8]
Durante las décadas de 1970 y 1980, los trazadores de lápiz , que utilizaban 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 rasterizada, incluidas las impresoras láser y de inyección de tinta . Cuando la información de origen es vectorial, se utilizan especificaciones de renderizado y software como PostScript para crear la imagen rasterizada.
Los gráficos rasterizados de voxel tridimensionales se emplean en videojuegos y también en imágenes médicas, como escáneres de resonancia magnética . [9]
Los fenómenos geográficos se representan comúnmente en formato rasterizado en SIG . La cuadrícula ráster está georreferenciada , de modo que cada píxel (comúnmente llamado celda en SIG porque la parte "imagen" del "píxel" no es relevante) representa una región cuadrada del espacio geográfico. [10] El valor de cada celda representa entonces alguna propiedad mensurable ( cualitativa o cuantitativa ) de esa región, típicamente conceptualizada como un campo . Ejemplos de campos comúnmente representados en rásteres incluyen: temperatura, densidad de población, humedad del suelo, cobertura del suelo, elevación de la superficie, etc. Se utilizan dos modelos de muestreo para derivar valores de celda del campo: en una red, el valor se mide en el punto central de cada celda; En una cuadrícula , el valor es un resumen (normalmente una media o moda) del valor en toda la celda.
Los gráficos rasterizados dependen de la resolución, lo que significa que no pueden ampliarse a una resolución arbitraria sin perder calidad aparente . Esta propiedad contrasta con las capacidades de los gráficos vectoriales , que se adaptan fácilmente a la calidad del dispositivo que los reproduce . Los gráficos rasterizados se ocupan de fotografías e imágenes fotorrealistas de manera más práctica que los gráficos vectoriales, mientras que los gráficos vectoriales suelen servir mejor para la composición tipográfica o el diseño gráfico . Los monitores de computadora modernos suelen mostrar entre 72 y 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 determinada resolución de impresora puede plantear dificultades, ya que la salida impresa puede tener un mayor nivel de detalle del que un espectador puede discernir en un monitor. Normalmente, una resolución de 150 a 300 PPI funciona bien para la impresión en proceso de 4 colores ( CMYK ).
Sin embargo, para las tecnologías de impresión que realizan la mezcla de colores mediante tramado ( medios tonos ) en lugar de sobreimpresión (prácticamente todas las impresoras láser y de inyección de tinta para el hogar/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 tramado, 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 establecerse mucho más alto que el PPI deseado para garantizar una profundidad de color suficiente sin sacrificar la resolución de la imagen. Así, por ejemplo, imprimir una imagen a 250 ppp puede requerir en realidad una configuración de impresora de 1200 ppp. [11]
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 , Adobe Illustrator o Inkscape. , que giran en torno a la edición de líneas y formas ( vectores ). Cuando una imagen se renderiza en un editor de imágenes basado en tramas, la imagen se compone de millones de píxeles. En esencia, un editor de imágenes rasterizadas funciona manipulando cada píxel individual. [4] La mayoría de [ cita necesaria ] editores de imágenes basados en píxeles funcionan utilizando el modelo de color RGB , pero algunos también permiten el uso de otros modelos de color como el modelo de color CMYK . [12]
La cantidad de bits dedicados a un píxel individual determina la cantidad de colores que se pueden asignar a ese píxel. Por ejemplo, si cada píxel está representado por 4 bits, entonces a un píxel determinado se le puede asignar uno de los 16 colores diferentes (2^4 = 16).
Las imágenes rasterizadas se crean con programas basados en píxeles o se capturan con una cámara o un escáner. Son más comunes en general como jpg, gif, png y son muy utilizados en la web.
Si la gente va a verlo en un monitor de computadora, elija RGB. Si lo va a imprimir, utilice CMYK. (Consejo: en Adobe® Photoshop®, puede elegir entre canales de color RGB y CMYK yendo al menú Imagen y seleccionando Modo).