Gráficos rasterizados: Comprender los fundamentos de los gráficos rasterizados en visión por computadora

Por Fouad Sabry

Qué son los gráficos rasterizados

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 computadora. pantalla, 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. Las imágenes rasterizadas se almacenan en archivos de imagen con distintos formatos de difusión, producción, generación y adquisición.

Cómo se beneficiará

(I) Insights y validaciones sobre los siguientes temas:

Capítulo 1: Gráficos rasterizados

Capítulo 2: Píxel

Capítulo 3: Modelo de color RGB

Capítulo 4: Gráficos vectoriales

Capítulo 5: Matriz de puntos

Capítulo 6: Rasterización

Capítulo 7: Framebuffer

Capítulo 8: Truevision TGA

Capítulo 9: Puntos por pulgada

Capítulo 10: Profundidad de color

(II) Respondiendo a las principales preguntas del público sobre gráficos rasterizados.

(III) Ejemplos del mundo real para el uso de gráficos rasterizados en muchos campos.

Para quién es este libro

Profesionales, estudiantes de pregrado y posgrado. entusiastas, aficionados y aquellos que quieran ir más allá del conocimiento o la información básica para cualquier tipo de gráficos rasterizados.

 

• Idioma: Español
• Editorial: Mil Millones De Conocimientos [Spanish]
• Fecha de lanzamiento: 14 may 2024

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Capítulo 1: Gráficos rasterizados

En gráficos por computadora y fotografía digital, un gráfico rasterizado representa una imagen bidimensional como una matriz rectangular o cuadrícula de píxeles cuadrados que se puede ver en un monitor de computadora, papel u otro medio de visualización. Técnicamente, un ráster se define por la anchura y la altura de la imagen en píxeles y el número de bits por píxel. Las imágenes rasterizadas se almacenan en archivos de imagen cuyos formatos de distribución, creación, generación y adquisición varían.

En las industrias de impresión y preimpresión, las imágenes rasterizadas se denominan contones (de tonos continuos). Sin embargo, en los sistemas digitales, el arte lineal se implementa típicamente como gráficos vectoriales.

Numerosas manipulaciones de trama se transfieren directamente a los formalismos matemáticos del álgebra lineal, donde la estructura de las matrices matemáticas es de gran importancia.

El término raster proviene del latín rastrum (rastrillo), que se deriva del verbo radere (barrer) (raspar). Se deriva del escaneo de trama de los monitores de televisión de tubo de rayos catódicos (CRT), que pintan la imagen una línea a la vez guiando magnética o electrostáticamente un haz de electrones enfocado. También se puede utilizar para referirse a una cuadrícula rectangular de píxeles. Actualmente, el término rastrum se refiere a una herramienta para hacer líneas de pentagrama musical.

La teselación de un plano en una matriz bidimensional de cuadrados, cada uno llamado celda o píxel, es el enfoque fundamental que sustenta el modelo de datos ráster (de elemento de imagen). En fotografía digital, el plano es el campo visual proyectado sobre el sensor de imagen; En el arte por computadora, es un lienzo virtual; y en los sistemas de información geográfica, es una proyección de la superficie de la Tierra. La resolución o el soporte, el tamaño de cada píxel cuadrado, permanece constante en toda la cuadrícula. Un método de cuadrícula podría proporcionar datos ráster o basados en cuadrículas.

Para cada píxel, se guarda un único valor numérico. Este valor es un color visible para la mayoría de las fotos, pero son posibles mediciones alternativas, incluidos códigos numéricos para categorías cualitativas. Cada cuadrícula ráster tiene un formato de píxel único, que especifica el tipo de datos de cada entero. Los formatos de píxeles comunes incluyen binario, escala de grises, paleta y a todo color, donde la profundidad de color controla la precisión de los colores mostrados 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 rasterizados de color contemporáneos expresan el color con 24 bits (casi 16 millones de colores diferentes) y 8 bits (0-255) por canal de color (rojo, verde y azul). Los sensores digitales utilizados en la teledetección y la astronomía suelen ser capaces de 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.

La mayoría de las imágenes de computadora se guardan en formatos de gráficos rasterizados o sus variantes comprimidas, como GIF, JPEG y PNG, que se usan ampliamente en Internet. Un formato de datos ráster se basa en una teselación (a menudo rectangular y cuadrada) del plano 2D en celdas con un solo valor cada una. La matriz bidimensional debe serializarse para almacenar los datos en un archivo. En un formato de fila principal, las celdas a lo largo de la primera fila (normalmente superior) se enumeran de izquierda a derecha, seguidas inmediatamente por las de la segunda fila, y así sucesivamente.

En la ilustración de la derecha, las celdas de la teselación A se superponen al patrón de puntos B, lo que produce una matriz C de recuentos de cuadrantes que refleja el número de puntos en cada celda. Para fines de visualización, se utilizó una tabla de búsqueda para colorear cada celda de la imagen D. Los números se presentan como una matriz principal de fila 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 que especifique al menos el número de columnas y el tipo de datos de píxel (con el número de bits o bytes por valor) para que el lector sepa dónde se detiene cada valor y dónde comenzar a leer el siguiente. El número de filas, los parámetros de georreferenciación de los datos geográficos y otros elementos de metadatos, como los proporcionados por el estándar Exif, también pueden incluirse en los encabezados.

Las cuadrículas ráster con alta resolución incluyen un gran número de píxeles y, por lo tanto, requieren una gran cantidad de memoria. Esto ha dado lugar a numerosas técnicas para comprimir grandes volúmenes de datos en archivos más pequeños. El enfoque más frecuente es buscar patrones o tendencias en los valores de píxel y, a continuación, guardar una versión parametrizada del patrón en lugar de los datos originales. 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 son algoritmos comunes de compresión de trama.

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

Esta técnica es particularmente efectiva cuando hay grandes áreas de valores iguales, como en un dibujo lineal; sin embargo, en una imagen, donde los píxeles suelen ser ligeramente diferentes de sus vecinos, el archivo RLE podría ser hasta dos veces más grande que el original.

Algunos métodos de compresión, incluidos RLE y LZW, no tienen pérdidas, lo que significa que los valores de píxel originales se pueden reproducir completamente a partir de los datos comprimidos. Otras técnicas, como JPEG, tienen pérdidas, ya que los patrones parametrizados son simplemente una aproximación de los valores de píxel originales y, por lo tanto, estos últimos solo se pueden aproximar a partir de los datos comprimidos.

El software puede rasterizar (convertir en píxeles) imágenes vectoriales (trabajo de líneas) y vectorizar (convertir imágenes rasterizadas en gráficos vectoriales) imágenes rasterizadas. En ambos casos, se pierde parte de la información, aunque ciertos procedimientos de vectorización, como el reconocimiento óptico de caracteres, pueden reconstruir la información pertinente.

En la década de 1920, los primeros televisores mecánicos utilizaron conceptos de rasterización. La televisión electrónica basada en pantallas de tubo de rayos catódicos se escanea con tramas horizontales y líneas de trama pintadas de izquierda a derecha y de arriba a abajo, respectivamente.

Las pantallas planas modernas, como los monitores LED, siguen empleando una técnica de trama. Cada píxel de la pantalla se correlaciona directamente con un pequeño número de bits en la memoria. Simplemente escaneando a través de píxeles y coloreándolos de acuerdo con cada conjunto de bits se actualiza la pantalla. La operación de actualización, que es sensible al tiempo, se implementa con frecuencia mediante circuitos dedicados, que con frecuencia son un componente de una unidad de procesamiento de gráficos.

Con este método, la computadora está equipada con una sección de memoria que almacena todos los datos a presentar. El procesador central escribe los datos en esta ubicación de memoria y el controlador de vídeo los recupera desde allí. Los bits de