Gráficos rasterizados

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En gráficos de 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. Una imagen rasterizada se caracteriza técnicamente por el ancho y la altura de la imagen en píxeles y por el número de bits por píxel . ^[1] Las imágenes rasterizadas se almacenan en archivos de imagen con diversos formatos de difusión , producción , generación y adquisición .

Las industrias de impresión y preimpresión conocen los gráficos rasterizados como contones (de continuous tones ). Por el contrario, el arte lineal suele implementarse como gráficos vectoriales en los sistemas digitales. ^[2]

Muchas manipulaciones raster 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 (un rastrillo), que se deriva de radere (raspar). Tiene su origen en el escaneo de trama de los monitores de video de tubo de rayos catódicos (CRT) , que dibujan la imagen línea por línea al dirigir magnéticamente o electrostáticamente un haz de electrones enfocado . ^[3] 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 raster 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 tal como se proyecta sobre el sensor de imagen ; en arte informático , el plano es un lienzo virtual; en sistemas de información geográfica , el plano es una proyección de la superficie de la Tierra. El tamaño de cada píxel cuadrado, conocido como resolución o soporte , es constante a lo largo de la cuadrícula. Los datos raster o cuadriculados pueden ser el resultado de un procedimiento de cuadriculado .

Un único valor numérico se almacena entonces para cada píxel. Para la mayoría de las imágenes, este valor es un color visible, pero otras mediciones son posibles, incluso códigos numéricos para categorías cualitativas. Cada cuadrícula ráster tiene un formato de píxel especificado , el tipo de datos para cada número. Los formatos de píxel comunes son binario , escala de grises , paletizado y a todo color , donde la profundidad de color ^[4] 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 del color humano ). 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 0-255) 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 en bruto), en seis canales de color que superan el rango espectral de la visión del color humana.

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 . ^{[4] [5]} Una estructura de datos rasterizados se basa en una teselación (generalmente rectangular, de base cuadrada) del plano 2D en celdas, cada una con un solo valor. Para almacenar los datos en un archivo, la matriz bidimensional debe serializarse. La forma más común de hacerlo 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 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 se muestran los números como una matriz serializada por 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 de píxeles (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 .

Las cuadrículas ráster de alta resolución contienen una gran cantidad de píxeles y, por lo tanto, consumen una gran cantidad de memoria. Esto ha dado lugar 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 ráster comunes incluyen la 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 eficiente cuando hay grandes áreas de valores idénticos, como en un dibujo lineal, pero en una fotografía donde los píxeles suelen ser ligeramente diferentes de sus vecinos, el archivo RLE sería hasta el doble del tamaño del original.

Algunos algoritmos de compresión, como RLE y LZW, son sin pérdida , por lo que los valores de los píxeles originales se pueden regenerar perfectamente a partir de los datos comprimidos. Otros algoritmos, como JPEG, son con pérdida , porque los patrones parametrizados son solo una aproximación de los valores de los píxeles originales, por lo que estos últimos solo se pueden estimar a partir de los datos comprimidos.

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

Los primeros televisores mecánicos desarrollados en la década de 1920 empleaban principios de rasterización. Los televisores electrónicos basados ​​en pantallas de tubos de rayos catódicos se escanean 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, siguen utilizando un método de trama. Cada píxel de la pantalla corresponde directamente a una pequeña cantidad de bits en la memoria. ^[6] La pantalla se actualiza simplemente escaneando los píxeles y coloreándolos según 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 método, el ordenador contiene una zona de memoria que contiene todos los datos que se van a mostrar. El procesador central escribe los datos en esta región de memoria y el controlador de vídeo los recoge desde allí. Los bits de datos almacenados en este bloque de memoria están relacionados con el patrón final de píxeles que se utilizará para construir una imagen en la pantalla. ^[7]

A fines de los años 1960, A. Michael Noll inventó una de las primeras pantallas escaneadas con gráficos de computadora rasterizados en Bell Labs , ^[8] 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 del software de computadora. ^[9]

Durante las décadas de 1970 y 1980, los plotters de pluma , 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 vóxeles tridimensionales se emplean en videojuegos y también se utilizan en imágenes médicas como los escáneres de resonancia magnética . ^[10]

Los fenómenos geográficos se representan comúnmente en formato ráster en SIG . La cuadrícula ráster está georreferenciada , de modo que cada píxel (comúnmente llamado celda en SIG porque la parte de "imagen" de "píxel" no es relevante) representa una región cuadrada del espacio geográfico. ^[11] 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 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.

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Los gráficos rasterizados dependen de la resolución, lo que significa que no pueden escalarse hasta una resolución arbitraria sin pérdida de calidad aparente . Esta propiedad contrasta con las capacidades de los gráficos vectoriales , que se escalan fácilmente hasta la calidad del dispositivo que los reproduce . Los gráficos rasterizados tratan de manera más práctica que los gráficos vectoriales con fotografías e imágenes fotorrealistas, mientras que los gráficos vectoriales suelen ser más útiles para la composición tipográfica o el diseño gráfico . Los monitores de computadora modernos suelen mostrar alrededor de 72 a 130 píxeles por pulgada (PPP), 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 del que un espectador puede discernir en un monitor. Por lo general, una resolución de 150 a 300 PPP funciona bien para la impresión de proceso de 4 colores ( CMYK ).

Sin embargo, para las tecnologías de impresión que realizan la mezcla de colores a través del tramado ( medio tono ) en lugar de a través de la sobreimpresión (prácticamente todas las impresoras de inyección de tinta y láser para el hogar/oficina), los DPI de la impresora y los 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 impresora para aumentar la profundidad del color , la configuración de DPI de la impresora debe establecerse mucho más alta 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. ^[12]

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Los editores de imágenes basados ​​en ráster, como PaintShop Pro , Corel Painter , Adobe Photoshop , Paint.NET , Microsoft Paint , Krita 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 se renderiza una imagen en un editor de imágenes basado en ráster, la imagen se compone de millones de píxeles. En esencia, un editor de imágenes rasterizadas funciona manipulando cada píxel individual. ^[5] La mayoría ^[13] de los 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 . ^[14]

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