Кіріспе
Матрицалық дерек құрылымы
Компьютерлік графикада және цифрлық фотосуретте растрлық графика екі өлшемді суретті тіктөртбұрышты матрица немесе пиксельдер желісі ретінде көрсетеді, оны компьютерлік дисплей, қағаз немесе басқа дисплей құрылғысы арқылы қарауға болады. Растр техникалық тұрғыдан кескіннің пиксельдермен өлшенген ені мен биіктігі және пиксельге арналған биттер санымен сипатталады. Растрлық суреттер әртүрлі тарату, өндіру, жасау және алу форматтарында сурет файлдарында сақталады. Баспа және дайындық өндірісі салалары растрлық графиканы контон (үздісіз тон) ретінде таниды. Керісінше, сызықтық суреттер цифрлық жүйелерде көбінесе векторлық графика түрінде іске асырылады. Көптеген растрлық өңдеулер тікелей сызықтық алгебраның математикалық формализмімен байланысты, онда матрицалық құрылымның математикалық объектілері маңызды рөл атқарады.
Этимология
"Растр" сөзі латын тіліндегі *rastrum* (айқауыл) сөзінен шыққан, ол *radere* (сызып алу, қағып алу) сөзінен туындаған. Ол катодтық сәулелі түтік (CRT) бейнемониторларының растрлық сканерлеуінен пайда болды, мұнда сурет магниттік немесе электростатикалық түрде бағытталған электронды сәуленің көмегімен сызық бойынша салынады. Сонымен қатар, бұл термин пикселдердің тікбұрышты торына да қатысты қолданылуы мүмкін. Қазіргі кезде *rastrum* сөзі музыкалық таяқша сызықтарын салуға арналған құрылғыны білдіреді.
Деректер моделі
Растрлық деректер моделінің негізгі стратегиясы – жазықтықты екі өлшемді шаршы массивке бөлу, әрқайсысы ұяшық немесе пиксель ("сурет элементі") деп аталады. Цифрлық фотографияда жазықтық – бейне сенсорына проекцияланған көру өрісі; компьютерлік өнерде жазықтық – виртуалды кенеп; географиялық ақпараттық жүйелерде жазықтық – Жер бетінің проекциясы. Әрбір шаршы пикселдің мөлшері, ажыратымдылық немесе қолдау деп аталады, және ол тордың бойымен тұрақты болады. Растрлық немесе торлы деректер торлау процедурасының нәтижесі болуы мүмкін. Әрбір пиксел үшін бір сандық мән сақталады. Көптеген суреттер үшін бұл мән көрінетін түс болып табылады, бірақ басқа өлшемдер де мүмкін, тіпті сапалық санаттар үшін сандық кодтар да. Әрбір растрлық тор белгілі бір пиксель форматына ие, ол әр санның дерек типін анықтайды. Көп қолданылатын пиксель форматтары – бинарлық, сұр шкала, палитраланған және толық түсті, онда түс тереңдігі бейнеленген түстердің дәлдігін анықтайды, ал түс кеңістігі түстердің қамту аумағын анықтайды (бұл көбінесе адамның түс көру қабілетінің толық диапазонынан кем). Көптеген қазіргі заманғы түсті растрлық форматтар түстерді 24 бит (16 миллионнан астам түрлі түс) көмегімен көрсетеді, әр түс арнасы үшін (қызыл, жасыл және көк) 8 бит (0–255 мәндері) бөлінеді. Қашықтан зондтау және астрономияда қолданылатын цифрлық сенсорлар көрінетін спектрден тыс толқын ұзындықтарын да анықтап, сақтай алады; Вера С. Рубин обсерваториясындағы үлкен CCD бит карталы сенсоры бір суретте 3,2 гигапикселді (6,4 ГБ шикі дерек) түсіреді, ол алты түсті арнаны қамтиды және адамның түс көру спектрін асып түседі.
Сығу
Жоғары ажыратылатын растрлық торлар көптеген пикселдерді қамтиды, демек, көп жадты пайдаланады. Бұл дерек көлемін кішірек файлдарға сығудың әртүрлі тәсілдеріне әкелді. Ең көп қолданылатын стратегия – пикселдік мәндердегі үлгілерді немесе тенденцияларды іздеу, содан кейін бастапқы деректердің орнына осы үлгілердің параметрленген түрін сақтау. Көне растрлық сығылу алгоритмдеріне реттілік ұзындығын кодтау (RLE), JPEG, LZ (PNG және ZIP негізі), Lempel–Ziv–Welch (LZW) (GIF негізі) және тағы да басқалары жатады. Мысалы, реттілік ұзындығын кодтау массивідегі қайталанатын мәндерді іздеп, оларды мәнімен және оның қайталану санымен алмастырады. Осылайша, жоғарыдағы растр былай бейнеленеді:
Бұл әдіс бірдей мәндері бар үлкен аймақтар болғанда, мысалы, сызықтар суретінде, өте тиімді, бірақ пикселдердің көршілерінен сәл өзгеше болатын фотосуретте RLE файлы бастапқыдан екі есе үлкен болуы мүмкін. Кейбір сығылу алгоритмдері, мысалы RLE және LZW, жоғалтусыз болып табылады, яғни бастапқы пикселдік мәндер сығылған деректерден толыққанды қалпына келтіріледі. Ал JPEG сияқты басқа алгоритмдер жоғалтушылықты, себебі параметрленген үлгілер бастапқы пикселдік мәндердің жуықтамасы ғана, сондықтан соңғыларын сығылған деректерден бағалауға болады.
Растрлық-векторлық түрлендіру
Векторлық суреттер (сызықтық жұмыс) бағдарламалық қамтамасыз ету арқылы растрлендіріледі (пиксельдерге түрлендіріледі), ал растрлық суреттер векторландырылады (растрлық суреттер векторлық графикаға түрлендіріледі). Екі жағдайда да бірқатар ақпарат жоғалады, бірақ кейбір векторландыру операциялары, мысалы, оптикалық таңбаларды тану сияқты, маңызды ақпаратты қайта жасай алады.
Дисплейлер
1920 жылдары жасалған алғашқы механикалық теледидарлар растерлеу принциптерін қолданды. Катодты сәулелі түтік дисплейлеріндегі электрондық теледидарлар көлденең растрлармен солдан оңға қарай сканерленеді, ал растрлық сызықтар жоғарыдан төменге қарай салынады. Қазіргі заманғы LED мониторлары сияқты жалпақ панельді дисплейлер де растрлық тәсілді қолданады. Экрандағы әрбір пиксель жадыдағы шағын біттер санымен тікелей сәйкес келеді. Экран пиксельдерді сканерлеу және әрбір біт жиынтығына сәйкес түс беру арқылы жаңартылады. Жылдамдық маңызды болғандықтан, жаңарту процедурасы көбінесе арнайы схемалармен, әдетте графикалық процессордың бөлігі ретінде жүзеге асырылады. Осы тәсілді пайдаланғанда, компьютерде көрсетілуге тиіс барлық деректерді сақтайтын жад аймағы болады. Орталық процессор осы жад аймағына деректерді жазады, ал бейне контроллері оларды одан жинап алады. Бұл жад блогында сақталған деректер биттері дисплейдегі кескінді құру үшін қолданылатын пикселдердің түріне байланысты. Растрлық компьютерлік графикасы бар алғашқы сканерленген дисплейді 1960 жылдардың соңында А. Майкл Нолл Bell Labs-те ойлап тапты, бірақ оның 1970 жылдың 5 ақпанында берілген патенттік өтініші компьютерлік бағдарламалық қамтамастың патентке жарамдылығы мәселесі бойынша 1977 жылы Жоғарғы Сотта қарастырылмай қалды.
Баспа
1970 және 1980 жылдары векторлық графиканы қолданатын қалам сызғыштар, әсіресе үлкен форматтағы қағаздарда нақты суреттер жасау үшін жиі қолданылды. Бірақ содан бері дерлік барлық принтерлер, лазерлік және сиялы принтерлерді қоса алғанда, басылған кескінді растрлық тор түрінде жасайды. Егер бастапқы мәлімет векторлық болса, растрлық кескінді жасау үшін рендерлеу талаптары және PostScript сияқты бағдарламалық құралдар пайдаланылады.
Үш өлшемді растрлар
Үш өлшемді воксельдік растрлық графика бейне ойындарда қолданылады, сондай-ақ МРТ сканерлері сияқты медициналық бейнелеуде де пайдаланылады.
Географиялық ақпараттық жүйелер
Географиялық құбылыстар ГИС-те көбінесе растрлық форматта бейнеленеді. Растрлық тор географиялық жағдайға сәйкестендірілген, сондықтан әрбір пиксель (ГИС-те көбінесе ұяшық деп аталады, себебі "пиксельдің" "сурет" бөлігі маңызды емес) – географиялық кеңістіктің шаршы аймағын көрсетеді. Әрбір ұяшықтың мәні сол аймақтың өлшенетін (сапалық немесе сандық) қасиетін білдіреді, әдетте бұл өріс ретінде қарастырылады. Растрларда жиі бейнеленетін өрістердің мысалдары: температура, халық тығыздығы, топырақ ылғалдылығы, жер жамылғысы, жер бетінің биіктігі және т.б. Ұяшықтардың мәнін өрістен алу үшін екі үлгілеу моделі қолданылады: торда мән әрбір ұяшықтың орталық нүктесінде өлшенсе, торда мән – бүкіл ұяшықтағы мәннің қорытындысы (көбінесе орташа немесе ең көп кездесетін мән).
Қаулы
Растрлық графикалар ажыратымдылыққа тәуелді, яғни олар көрінетін сапаны жоғалтпай кез келген ажыратымдылыққа дейін ұлғайтылмайды. Бұл қасиет векторлық графиканың мүмкіндіктеріне қайшы келеді, олар көрсетілетін құрылғының ажыратымдылығына оңай ұлғайтылады. Растрлық графикалар фотосуреттермен және фотореалистік кескіндермен векторлық графикаға қарағанда тиімдірек жұмыс істейді, ал векторлық графика көбінесе типографиялық жинақ немесе графикалық дизайн үшін жақсырақ қолданылады. Қазіргі заманғы компьютер мониторлары әдетте 72-ден 130 пикселге дейін (PPI) ажыратымдылықты көрсетеді, ал кейбір заманауи тұтыну принтерлері 2400 нүктеге дейін (DPI) немесе одан да жоғары ажыратымдылыққа ие; берілген принтер ажыратымдылығы үшін ең қолайлы кескін ажыратымдылығын анықтау қиындық тудыруы мүмкін, себебі басылып шығарылған нәтиже мониторда көрінетіннен гөрі жоғары деңгейде бөлшектеуге ие болуы мүмкін. Әдетте, 150-300 PPI ажыратымдылығы 4 түсті басып шығару (CMYK) үшін жақсы нәтиже береді. Дегенмен, бояуды үстіне басып шығарудың орнына, дитерлеу (жарты тон) арқылы араластыратын басып шығару технологиялары үшін (көптеген үй және кеңсе сиялы және лазерлік принтерлер), принтердің DPI және кескін PPI көрсеткіштерінің мағынасы мүлдем өзгеше, және бұл шатастыруға әкелуі мүмкін. Себебі дитерлеу процесі арқылы принтер түс тереңдігін арттыру үшін бірнеше принтер нүктесінен бір кескін пикселін жасайды, сондықтан принтердің DPI параметрін қажетті PPI көрсеткішінен әлдеқайда жоғары орнату қажет, бұл кескін ажыратымдылығын төмендетпей, жеткілікті түс тереңдігін қамтамасыз етеді. Мысалы, 250 PPI ажыратымдылығында кескін басып шығару үшін принтердің 1200 DPI-ге орнатылуы қажет болуы мүмкін.
Растрлық сурет редакторлары
Растрлық кескін редакторлары, мысалы PaintShop Pro, Corel Painter, Adobe Photoshop, Paint. NET, Microsoft Paint және GIMP, векторлық кескін редакторларынан, мысалы Xfig, CorelDRAW, Adobe Illustrator немесе Inkscape-тан өзгеше, пиксельдерді өңдеуге негізделген, ал векторлық редакторлар сызықтар мен пішіндерді (векторларды) өңдейді. Растрлық кескін редакторында кескін көрсетілгенде, ол миллиондаған пиксельдерден құралады. Растрлық кескін редакторының өзегі – әрбір жеке пикселді манипуляциялау болып табылады.