Rastergrafiken: Die Grundlagen der Rastergrafik in der Computer Vision verstehen

Von Fouad Sabry

Was ist Rastergrafik?

In der Computergrafik und der digitalen Fotografie stellt eine Rastergrafik ein zweidimensionales Bild als rechteckige Matrix oder ein Raster aus Pixeln dar, das auf einem Computer angezeigt werden kann Display, Papier oder ein anderes Anzeigemedium. Ein Raster wird technisch durch die Breite und Höhe des Bildes in Pixel sowie durch die Anzahl der Bits pro Pixel charakterisiert. Rasterbilder werden in Bilddateien mit unterschiedlichen Verbreitungs-, Produktions-, Generierungs- und Erfassungsformaten gespeichert.

Wie Sie profitieren

(I) Einblicke und Validierungen zu den folgenden Themen:

Kapitel 1: Rastergrafiken

Kapitel 2: Pixel

Kapitel 3: RGB-Farbmodell

Kapitel 4: Vektorgrafiken

Kapitel 5: Punktmatrix

Kapitel 6: Rasterisierung

Kapitel 7: Framebuffer

Kapitel 8: Truevision TGA

Kapitel 9: Punkte pro Zoll

Kapitel 10: Farbtiefe

(II) Beantwortung der häufigsten öffentlichen Fragen zu Rastergrafiken.

(III) Beispiele aus der Praxis für die Verwendung von Rastergrafiken in vielen Bereichen.

Für wen dieses Buch gedacht ist

Profis, Studenten und Doktoranden, Enthusiasten, Hobbyisten und diejenigen, die über das Grundwissen oder die Informationen für jede Art von Rastergrafik hinausgehen möchten.

 

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Eine Milliarde Sachkundig [German]
• Erscheinungsdatum: 14. Mai 2024

Buchvorschau

Kapitel 1: Rastergrafiken

In der Computergrafik und Digitalfotografie stellt eine Rastergrafik ein zweidimensionales Bild als rechteckige Matrix oder Gitter aus quadratischen Pixeln dar, das auf einem Computermonitor, Papier oder einem anderen Anzeigemedium angezeigt werden kann. Technisch gesehen wird ein Raster durch die Breite und Höhe des Bildes in Pixeln und die Anzahl der Bits pro Pixel definiert. Rasterbilder werden in Bilddateien gespeichert, deren Verteilungs-, Erstellungs-, Generierungs- und Erfassungsformate variieren.

In der Druck- und Druckvorstufe werden Rasterbilder als Contones (aus Endlostönen) bezeichnet. In digitalen Systemen werden Strichzeichnungen jedoch typischerweise als Vektorgrafiken implementiert.

Zahlreiche Rastermanipulationen lassen sich direkt auf die mathematischen Formalismen der linearen Algebra übertragen, wo die Struktur mathematischer Matrizen von großer Bedeutung ist.

Der Begriff Raster stammt vom lateinischen rastrum (ein Rechen), das sich vom Verb radere (fegen) (kratzen) ableitet. Es stammt aus dem Rasterscan von Kathodenstrahlröhren-Fernsehmonitoren (CRT), die das Bild Zeile für Zeile malen, indem sie einen fokussierten Elektronenstrahl magnetisch oder elektrostatisch führen. Es kann auch verwendet werden, um sich auf ein rechteckiges Pixelraster zu beziehen. Derzeit bezieht sich der Begriff Rastram auf ein Werkzeug zur Herstellung von musikalischen Notenlinien.

Die Tessellation einer Ebene in ein zweidimensionales Array von Quadraten, die jeweils als Zelle oder Pixel bezeichnet werden, ist der grundlegende Ansatz, der dem Raster-Datenmodell zugrunde liegt (von Bildelement). In der Digitalfotografie ist die Ebene das auf den Bildsensor projizierte Gesichtsfeld; in der Computerkunst ist es eine virtuelle Leinwand; und in geografischen Informationssystemen ist es eine Projektion der Erdoberfläche. Die Auflösung oder Unterstützung, die Größe jedes quadratischen Pixels, bleibt über das Raster hinweg konsistent. Eine Rastermethode kann Raster- oder Gitterdaten bereitstellen.

Für jedes Pixel wird dann ein einzelner numerischer Wert gespeichert. Dieser Wert ist für die meisten Fotos eine sichtbare Farbe, aber alternative Messungen sind möglich, einschließlich numerischer Codes für qualitative Kategorien. Jedes Raster-Gitter verfügt über ein eindeutiges Pixelformat, das den Datentyp jeder Ganzzahl angibt. Gängige Pixelformate sind Binär-, Graustufen-, Paletten- und Vollfarbformate, wobei die Farbtiefe die Genauigkeit der angezeigten Farben steuert und der Farbraum den Bereich der Farbabdeckung bestimmt (der oft kleiner ist als der gesamte Bereich des menschlichen Farbsehens). Die meisten modernen Farbrasterformate drücken Farbe mit 24 Bit (fast 16 Millionen verschiedene Farben) und 8 Bit (0-255) pro Farbkanal (Rot, Grün und Blau) aus. Digitale Sensoren, die in der Fernerkundung und Astronomie verwendet werden, sind häufig in der Lage, Wellenlängen jenseits des sichtbaren Spektrums zu erkennen und zu speichern. Der große CCD-Bitmap-Sensor am Vera C. Rubin Observatorium erfasst 3,2 Gigapixel in einem einzigen Bild (6,4 GB RAW) über sechs Farbkanäle, die den Spektralbereich des menschlichen Farbsehens überschreiten.

Die meisten Computerbilder werden in Rastergrafikformaten oder deren komprimierten Varianten wie GIF, JPEG und PNG gespeichert, die im Internet weit verbreitet sind. Ein Raster-Datenformat basiert auf einer (oft rechteckigen, quadratischen) Tessellation der 2D-Ebene in Zellen mit jeweils einem Wert. Das zweidimensionale Array muss serialisiert werden, um die Daten in einer Datei zu speichern. In einem Zeilen-Dur-Format werden die Zellen entlang der ersten (in der Regel oberen) Zeile von links nach rechts aufgelistet, unmittelbar gefolgt von denen der zweiten Zeile usw.

In der Abbildung rechts überlagern sich die Zellen der Tessellation A mit dem Punktmuster B, was ein Array C von Quadrantenzahlen ergibt, das die Anzahl der Punkte in jeder Zelle widerspiegelt. Zu Visualisierungszwecken wurde eine Nachschlagetabelle verwendet, um jede Zelle in Bild D einzufärben. Die Zahlen werden als serielles Zeilen-Major-Array dargestellt:

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

Um das zweidimensionale Raster zu rekonstruieren, muss die Datei einen Header-Abschnitt enthalten, der mindestens die Anzahl der Spalten und den Pixel-Datentyp (mit der Anzahl der Bits oder Bytes pro Wert) angibt, damit der Leser weiß, wo jeder Wert aufhört und wo er mit dem Lesen des nächsten Werts beginnen muss. Die Anzahl der Zeilen, Georeferenzierungsparameter für geografische Daten und andere Metadatenelemente, wie sie vom Exif-Standard bereitgestellt werden, können ebenfalls in Kopfzeilen enthalten sein.

Rastergitter mit hoher Auflösung enthalten eine große Anzahl von Pixeln und benötigen daher viel Speicherplatz. Dies hat zu zahlreichen Techniken geführt, um große Datenmengen in kleinere Dateien zu komprimieren. Der am weitesten verbreitete Ansatz besteht darin, nach Mustern oder Trends in den Pixelwerten zu suchen und dann eine parametrisierte Version des Musters anstelle der Originaldaten zu speichern. Lauflängencodierung (RLE), JPEG, LZ (die Grundlage für PNG und ZIP), Lempel-Ziv-Welch (LZW) (die Grundlage für GIF) und andere sind gängige Rasterkomprimierungsalgorithmen.

Die Lauflängencodierung durchsucht beispielsweise das Array nach wiederholten Werten und ersetzt sie durch den Wert und die Häufigkeit, mit der er angezeigt wird. Daher würde das obige Raster wie folgt dargestellt:

Diese Technik ist besonders effektiv, wenn es große Bereiche mit gleichen Werten gibt, z. B. in einer Strichzeichnung. In einem Bild, in dem sich die Pixel in der Regel geringfügig von ihren Nachbarn unterscheiden, kann die RLE-Datei jedoch bis zu doppelt so groß sein wie das Original.

Einige Komprimierungsmethoden, einschließlich RLE und LZW, sind verlustfrei, was bedeutet, dass die ursprünglichen Pixelwerte vollständig aus den komprimierten Daten reproduziert werden können. Andere Techniken, wie z. B. JPEG, sind verlustbehaftet, da die parametrisierten Muster lediglich eine Annäherung an die ursprünglichen Pixelwerte darstellen und diese daher nur aus den komprimierten Daten angenähert werden können.

Software kann Rasterbilder rastern (in Pixel konvertieren) und Rasterbilder vektorisieren (Rasterbilder in Vektorgrafiken konvertieren). In beiden Fällen gehen einige Informationen verloren, obwohl bestimmte Vektorisierungsverfahren, wie z. B. die optische Zeichenerkennung, relevante Informationen rekonstruieren können.

In den 1920er Jahren verwendeten die ersten mechanischen Fernseher Rasterungskonzepte. Elektronisches Fernsehen, das auf Kathodenstrahlröhrenbildschirmen basiert, wird mit horizontalen Rastern und Rasterlinien, die von links nach rechts bzw. von oben nach unten gemalt werden, gerastert.

Moderne Flachbildschirme, wie z. B. LED-Monitore, verwenden weiterhin eine Rastertechnik. Jedes Pixel auf dem Bildschirm korreliert direkt mit einer winzigen Anzahl von Bits im Speicher. Durch einfaches Scannen von Pixeln und Einfärben entsprechend jedem Bitsatz wird das Display aktualisiert. Der Aktualisierungsvorgang, der zeitkritisch ist, wird häufig durch dedizierte Schaltkreise implementiert, die häufig eine Komponente einer Grafikverarbeitungseinheit sind.

Bei dieser Methode ist der Computer mit einem Speicherabschnitt ausgestattet, in dem alle zu präsentierenden Daten gespeichert