Растровое изображение

Растровое изображение — это цифровое изображение, представляющее собой прямоугольную сетку (матрицу) пикселей — минимальных неделимых элементов, каждый из которых имеет определённый цвет и координаты. В отличие от векторной графики, где изображение описывается математическими формулами, растровое изображение хранит информацию о каждом пикселе, что позволяет передавать сложные цветовые переходы, тени и текстуры, но приводит к зависимости качества от разрешения (количества пикселей на единицу площади).

История

Первые растровые изображения появились в середине XX века с развитием компьютерной техники. В 1950-х годах в Массачусетском технологическом институте (MIT) на компьютере Whirlwind I были созданы первые растровые дисплеи, способные отображать точечные изображения. Однако широкое распространение растровая графика получила в 1970-х годах с появлением персональных компьютеров и графических интерфейсов. В 1982 году компания Adobe Systems (США) разработала формат PostScript, а позже — формат TIFF, ставший стандартом для хранения растровых изображений. В 1987 году появился формат GIF (Graphics Interchange Format), а в 1992 году — JPEG (Joint Photographic Experts Group), который до сих пор остаётся одним из самых популярных для фотографий. В 1996 году был создан формат PNG (Portable Network Graphics), поддерживающий прозрачность.

Характеристики растрового изображения

Разрешение

Разрешение определяет количество пикселей по ширине и высоте изображения, например, 1920×1080 пикселей. Чем выше разрешение, тем больше деталей может быть передано, но тем больше объём файла. Разрешение также может измеряться в DPI (dots per inch — точек на дюйм) или PPI (pixels per inch — пикселей на дюйм), что важно для печати: для качественной печати обычно требуется 300 DPI.

Глубина цвета

Глубина цвета (битовая глубина) определяет количество бит, отводимых на кодирование цвета одного пикселя. Чем больше бит, тем больше возможных оттенков:

• 1 бит — 2 цвета (чёрно-белое изображение);
• 8 бит — 256 цветов (часто используется для GIF);
• 24 бита — 16,7 миллиона цветов (True Color, стандарт для JPEG и PNG);
• 48 бит — 281 триллион цветов (используется в профессиональной фотографии).

Цветовые модели

Растровые изображения могут использовать различные цветовые модели:

• RGB (Red, Green, Blue) — аддитивная модель, основанная на смешении красного, зелёного и синего цветов. Используется для экранов мониторов, телевизоров, цифровых камер.
• CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, Key/Black) — субтрактивная модель, применяемая в полиграфии для печати на бумаге.
• Lab — модель, описывающая цвет независимо от устройства, часто используется в профессиональной цветокоррекции.
• Оттенки серого (Grayscale) — 256 оттенков серого, от чёрного до белого.

Сжатие

Для уменьшения объёма файлов применяются алгоритмы сжатия:

• Сжатие без потерь (lossless) — позволяет восстановить исходное изображение без изменений. Примеры: PNG, BMP (сжатие RLE), TIFF (с опцией сжатия). Подходит для графики с чёткими границами, текста, схем.
• Сжатие с потерями (lossy) — удаляет часть информации, не заметную для человеческого глаза, что приводит к снижению качества. Примеры: JPEG, JPEG 2000. Используется для фотографий и изображений, где допустима некоторая потеря деталей.

Форматы растровых изображений

Существует множество форматов, каждый из которых имеет свои особенности:

Применение

Растровые изображения используются повсеместно:

• Фотография — цифровые камеры и смартфоны создают растровые снимки в формате JPEG, RAW или HEIC.
• Веб-дизайн — изображения для сайтов, баннеры, иконки (PNG, JPEG, WebP).
• Полиграфия — печать книг, журналов, плакатов (TIFF, CMYK-версии JPEG).
• Медицина — рентгеновские снимки, КТ, МРТ (DICOM — специализированный формат).
• Геоинформационные системы — спутниковые снимки, карты (GeoTIFF).
• Компьютерные игры — текстуры, спрайты, фоны (PNG, DDS).
• Научная визуализация — изображения с микроскопов, телескопов.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокая реалистичность: возможность передавать плавные цветовые переходы, градиенты, тени.
• Широкая совместимость: практически все устройства и программы поддерживают растровые форматы.
• Простота создания: цифровые камеры, сканеры, программы для рисования сразу генерируют растровые данные.

Недостатки

• Зависимость от разрешения: при увеличении (масштабировании) изображения появляется пикселизация — отдельные пиксели становятся заметными, качество падает.
• Большой объём файлов: особенно при высоком разрешении и глубине цвета, что требует больше места для хранения и пропускной способности для передачи.
• Сложность редактирования: изменение формы, поворот или деформация могут привести к артефактам (размытие, потеря чёткости), если не использовать специализированные алгоритмы интерполяции.

Редактирование растровых изображений

Для работы с растровыми изображениями используются графические редакторы. Наиболее известные:

• Adobe Photoshop — профессиональный редактор, поддерживает слои, маски, фильтры, коррекцию цвета.
• GIMP — свободно распространяемый редактор, функционально близкий к Photoshop.
• Paint.NET — бесплатный редактор для Windows, ориентированный на простоту.
• Krita — редактор для цифрового рисования и иллюстраций.
• Microsoft Paint — простейший редактор, встроенный в Windows.

Основные операции редактирования включают изменение размера (интерполяция), кадрирование, коррекцию цвета и тона, ретушь, удаление дефектов, наложение эффектов.

Интересные факты

• Первое цифровое растровое изображение было создано в 1957 году Расселом Киршем (США) с помощью сканера, который считывал фотографию его сына. Размер изображения составлял 176×176 пикселей.
• Формат JPEG был разработан для сжатия фотографий и до сих пор является самым распространённым форматом в интернете, несмотря на появление более современных альтернатив.
• В 2020 году компания Google (организация, зарегистрированная в США) выпустила формат WebP, который обеспечивает на 25–34% меньший размер файла по сравнению с JPEG при том же качестве.
• Максимальное разрешение растровых изображений, используемых в научных целях, может достигать нескольких гигапикселей (например, панорамные снимки Марса с марсоходов).

Источники

• Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. — М.: Техносфера, 2012.
• Adobe Systems. Спецификация формата TIFF. — 1992.
• ISO/IEC 10918-1:1994. Информационные технологии — Сжатие цифровых изображений с непрерывным тоном: JPEG.
• W3C. Portable Network Graphics (PNG) Specification. — 1996.
• Google. WebP Image Format Specification. — 2010.