Rastrová grafika

Bitmapová grafika (rastrová grafika) je jeden ze dvou základních způsobů, jakým počítače ukládají a zpracovávají obrazové informace. Spolu s vektorovou grafikou představují dva základní způsoby ukládání obrázků.

V bitmapové grafice je celý obrázek popsán pomocí jednotlivých barevných bodů (pixelů). Body jsou uspořádány do mřížky. Každý bod má určen svou přesnou polohu a barvu (např. RGB). Tento způsob popisu obrázků používá např. televize nebo digitální fotoaparát. Kvalitu obrázku ovlivňuje především rozlišení a barevná hloubka.

Rozmístění a počet barevných bodů obvykle odpovídají zařízení, na kterém se obrázek zobrazuje (monitor, papír). Pokud se obrázek zobrazuje na monitoru, stačí rozlišení 72 DPI, pro tisk na tiskárně 300 DPI.
Pro převod obrazových předloh (klasické fotografie, kreseb a dalších) do bitmapové grafiky slouží zařízení nazývané skener nebo digitální fotoaparát.
Další možností pro ukládání a zpracování obrazů je vektorová grafika, kde se obrázek popisuje pomocí geometrických objektů - křivek a mnohoúhelníků.

Nevýhody bitmapové grafiky:

* velké nároky na zdroje (při velkém rozlišení a barevné hloubce může velikost obrázku dosáhnout několika megabytů, to neplatí při užití komprimovaných formátů) * změna velikosti (zvětšování nebo zmenšování) vede ke zhoršení obrazové kvality obrázku * zvětšování obrázku je možné jen v omezené míře, neboť při větším zvětšení je na výsledném obrázku patrný rastr

Výhody bitmapové grafiky:

* pořízení obrázku je velmi snadné například pomocí fotografie nebo pomocí skeneru. Formáty

Používané formáty souborů rozlišujeme jako nekomprimované a komprimované, komprimované pak na formáty s bezeztrátovou či ztrátovou kompresí:

APNG • BMP • GIF • HDP • JPEG • JPEG 2000 • MNG • PCX • PNG • TIFF • WBMP • XPM

BMP
.BMP nebo také .DIB (device-independent bitmap) je počítačový formát pro ukládaní rastrové grafiky.Formát BMP byl poprvé představen v roce 1988 jako součást nového systému OS/2 verze 1.10 SE. O něco později firma Microsoft trochu rozšířila jeho definici a zahrnula ho do svého tehdy nejprodávanějšího 16bitového grafického operačního prostředí – Microsoft Windows 3.0. Na počátku roku 1992 firma IBM uvedla na trhu první 32bitový systém OS/2 verze 2.0, který obsahoval vylepšenou variantu BMP s novou strukturou pro uskladnění vícenásobných bitových map v jednom souboru. Tento typ souboru se často obecně označuje jako bitmapové pole.

Výhodou tohoto formátu je jeho extrémní jednoduchost a dobrá dokumentovanost a že jeho volné použití není znemožněno patentovou ochranou. Díky tomu jej dokáže snadno číst i zapisovat drtivá většina grafických editorů v mnoha různých operačních systémech. X Window System používá podobný formát XBM pro jednobitové černobílé obrázky a XPM pro barevné obrázky.

Obrázky BMP jsou ukládány po jednotlivých pixelech, podle toho, kolik bitů je použito pro reprezentaci každého pixelu je možno rozlišit různé množství barev (tzv. barevná hloubka): 2 barvy (1 bit na pixel), 16 (4 bity), 256 (8 bitů), 65 536 (16 bitů), nebo 16,7 miliónů barev (24 bitů). Osmibitové obrázky mohou místo barev používat šedou škálu (256 odstínů šedi).

Soubory ve formátu BMP většinou nepoužívají žádnou kompresi (přestože existují i varianty používající kompresi RLE). Z tohoto důvodu jsou obvykle BMP soubory mnohem větší než obrázky stejného rozměru uložené ve formátech, které kompresi používají. V praxi se pro ukládání obrázků vyžadujících zachování všech informací používají spíše novější formáty PNG, GIF nebo také TIFF.

Velikost nekomprimovaného obrázku v bajtech lze přibližně vypočítat podle vzorce:

(šířka v pixelech) * (výška v pixelech) * (bitů na pixel / 8)

K velikosti obrázku je třeba ještě připočítat velikost hlavičky souboru, která se liší dle jeho verze i dle použité barevné hloubky.

Obrázek o rozměrech 800×600 pixelů a s 16,7 miliony barev (3 bajty na pixel) potřebuje téměř 1,4 megabajtu. Formát BMP je proto zcela nevhodný pro použití na Internetu.


GIF
GIF (Graphics Interchange Format) je grafický formát určený pro rastrovou grafiku. GIF používá bezeztrátovou kompresi LZW84 , na rozdíl například od formátu JPEG, který používá ztrátovou kompresi. GIF je tedy vhodný pro uložení tzv. perokresby (nápisy, plánky, loga). GIF umožňuje také jednoduché animace.

GIF má jedno velké omezení — maximální počet současně použitých barev barevné palety je 256 (8 bitů) v jednom rámci (rámců ale může být v jednom obrázku neomezeně mnoho, takže není pravda, že obrázek ve formátu GIF může mít maximálně 256 barev). Toto omezení nemá formát PNG, který se hodí ke stejným účelům jako GIF a nabízí pro většinu obrazů výrazně lepší kompresi. Formát PNG však neumožňuje animace (ty umožňuje až APNG a MNG).

Formát GIF se stejně jako formáty PNG a JPEG používá pro WWW grafiku na Internetu.

JPEG
JPEG je standardní metoda ztrátové komprese používané pro ukládání počítačových obrázku ve fotorealistické kvalitě . Formát souboru, který tuto kompresi používá, se také běžně nazývá JPEG. Nejrozšířenější připonou tohoto formátu je .jpg, .jpeg, .jfif, .jpe, nebo tato jména psána velkými písmeny.

Skutečným názvem typu souboru je JFIF, což znamená JPEG File Interchange Format. Zkratka JPEG znamená Joint Photographic Experts Group , což je vlastně konosorcium, které tuto kompresi navrhlo.

Když se běžně hovoří o souboru JPEG, míní se tím většinou soubor JFIF, nebo soubor Exif JPEG. Existuje však více formátů soborů založených na kompresi JPEG, například JNG.

JPEG/JFIF je nejčastější formát používaný pro přenášení a ukládání fotografií na World Wide Webu. Není však vhodný pro perokresbu, zobrazení textu nebo ikonky, protože kompresní metoda JPEG vytváří v takovém obrazu viditelné a rušivé artefakty. Pro takové účely se většinou používájí soubory PNG a GIF. Protože má GIF pouze 8 bitů na pixel, není vhodný pro barevné fotografie, PNG je možné použít pro ukládání fotografií, ale výsledná velikost souboru je nevhodná pro publikování na webu.

Fotografie květiny komprimovaná se vzrůstajícím komprimačním poměrem zleva doprava

Kódování
Většina ze široké škály voleb komprese JPEG standardu se téměř nepoužívá. Následuje krátký popis běžnějších metod kódování, při 24 bitové barevné hloubce.

Animace
Animace je způsob vytváření zdánlivě se pohybujících věcí. Slovo pochází z cizího slova znamenajícího oživení.
Princip animace je zaznamenání sekvence snímků, které jsou každý o sobě statický, ale liší se od sebe jen drobně. Po rychlém zobrazení těchto snímků vzniká dojem pohybu. Snímky se však musí přehrávat takovou rychlostí, kterou už oko nepostřehne.


Vektorová grafika
Vektorová grafika označuje způsob ukládání obrazových informací v počítači. Spolu s bitmapovou grafikou představují dva základní způsoby ukládání obrázků. V případě vektorové grafiky je obraz reprezentován pomocí geometrických objektů (body, přímky, křivky, polygony).

Zatímco vektorový obrázek je složen z jednoduchých geometrických objektů jako jsou body, přímky, křivky a mnohoúhelníky, lidské oko pracuje na principu bitmapové grafiky, neboť sítnice představuje bitmapový rastr. Mozek ale zpracovává obraz jako vektorovou grafiku.


Vektorová grafika má proti rastrové grafice některé výhody:

* je možné libovolné zmenšování nebo zvětšování obrázku bez ztráty kvality (viz ukázka v úvodu článku)
* je možné pracovat s každým objektem v obrázku odděleně
* výsledná velikost obrázku je obvykle mnohem menší než u rastrové grafiky

Nevýhody

* oproti rastrové grafice zpravidla složitější pořízení obrázku. V rastrové grafice lze obrázek snadno pořídit pomocí fotografie.

Použití
Vektorová grafika se používá zejména pro počítačovu sazbu, tvorbu ilustrací, diagramů a počítačových animací. Pro práci s vektorovu grafikou se používají zvláštní vektorové editory (např. Adobe Illustrator, Corel Draw, Inkscape, Sodipodi, Zoner Callisto).


Bézierova křivka
Základem vektorové grafiky je matematika. Obrázek není složen z jednotlivých bodů, ale z křivek - vektorů. Křivky spojují jednotlivé kotevní body a mohou mít definovanou výplň (barevná plocha nebo barevný přechod). Tyto čáry se nazývají Bézierovy křivky.

Francouzský matematik Pierre Bézier vyvinul metodu, díky které je schopen popsat pomocí čtyř bodů libovolný úsek křivky. Křivka je popsána pomocí dvou krajních bodů (tzv. kotevní body) a dvou bodů, které určují tvar křivky (tzv. kontrolní body). Spojnice mezi kontrolním bodem a kotevním bodem je tečnou k výsledné křivce.



Snímání obrazu:

CCD
CCD je elektronická součástka používaná pro snímání obrazové informace. Uplatnění má například ve videokamerách, digitálních fotoaparátech, faxech, scannerech, čtečkách čárových kódů, ale i řadě vědeckých přístrojů, jakými jsou například astronomické dalekohledy (včetně například Hubbleova teleskopu).

Zkratka CCD pochází z anglického Charge-Coupled Device, což v překladu znamená zařízení s vázanými náboji.

Princip činnosti
CCD využívá podobně jako všechny ostatní světlocitlivé součástky fyzikálního jevu známého jako fotoefekt. Tento jev spočívá v tom, že částice světla foton při nárazu do atomu dokáže přemístit některý z jeho elektronů ze základního do tzv. excitovaného stavu.

Odevzdá mu přitom energii E=?.h

V polovodiči se takto uvolněný elektron může podílet na elektrické vodivosti respektive je možno ho z polovodiče odvést pomocí přiložených elektrod, tak, jak se to děje například u běžné fotodiody. Ta proto po dopadu světla vyrábí elektrický proud. Stejně fungují i fotočlánky, které se používají jako zdroj elektrické energie. U CCD je ovšem elektroda od polovodiče izolována tenoučkou vrstvičkou kysličníku křemičitého SiO2, který se chová jako dokonalý izolant, takže fotoefektem uvolněné elektrony nemohou být odvedeny pryč. Činnost CCD se skládá ze tří fází:

Příprava CCD
Během této fáze jsou z CCD bez přístupu světla odebrány všechny volné elektrony, čímž je z něj smazán jakýkoliv zbytek předchozího nasnímaného obrazu.

Expozice obrazu

Na elektrody označené na obrázku číslem 1 se přivede kladné napětí a na CCD se nechá působit světlo (například v digitálním fotoaparátu se otevře závěrka). Dopadající fotony excitují v polovodiči elektrony, které jsou pak přitahovány ke kladně nabitým elektrodám. Po elektronech zbydou v polovodiči tzv. díry, které vůči svému okolí vykazují kladný náboj a ty jsou naopak přitahovány elektrodou na spodku CCD. Hranice pixelů jsou na obrázku znázorněny svislými tečkovanými čarami. Protože na pixel vlevo dopadlo více fotonů, je u jeho elektrody shromážděno více elektronů než u pixelu vpravo.

Expozice CCD světlem
Snímání obrazu
Po uzavření závěrky se začne na množiny elektrod 1, 2 a 3 přivádět trojfázový hodinový signál (existují i CCD se čtyřfázovým nebo naopak dvoufázovým čtením). To v praxi znamená, že na elektrodách 2 se začne pozvolna zvyšovat napětí, zatímco na elektrodách 1 se souběžně snižuje. Díky tomu jsou shluky elektronů přitahovány pod elektrody 2. Následně se celý děj opakuje mezi elektrodami 2 a 3, dále mezi 3 a 1 a tak stále dokola. Shluky elektronů z jednotlivých pixelů se tak posouvají přes sousední pixely směrem k výstupnímu zesilovači (na obrázcích vpravo). Tento zesilovač pak zesílí malý proud odpovídající počtu nachytaných elektronů v jednotlivých pixelech na napěťové úrovně vhodné pro další zpracování obrazu.


CMOS
CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) se vyrábějí prakticky stejnými postupy, jako běžné procesory. Tím pádem je už dnes jejich cena třetinová o proti CCD. Navíc, díky své vnitřní konstrukci, mají podstatně menší spotřebu elektrického proudu. To jsou hlavní důvody, proč se jim předpovídá velká budoucnost. Současné CMOS navazují na obdobná zařízení známá už třicet let.

Ty nejjednodušší jsou pasivní (PPS - Passive-pixel sensors), která prostě generují elektrický náboj úměrně energii dopadajících paprsků, náboj jde přes zesilovač do analog-digitálního konvertoru jako u běžného CCD. V praxi však dávají tyto pasivní CMOS špatný obraz. Pozornost je proto upřena na aktivní CMOS (APS, Active-pixel.sensors) . Každá světlocitlivá buňka je doplněna analytickým obvodem, který vyhodnocuje t.zv. šum a aktivně ho eliminuje. Moderní CMOS už generují obrázky srovnatelné s levnějšími CCD a lze čekat další vývoj. CCD prvky jsou doprovázeny dalšími čipy - každý aparát má minimálně tři další, ale taky sedm. CMOS umožňují integraci specializovaných čipů, například ke stabilizaci nebo kompresi obrazu.

Nevýhodou dosavadních CMOS je jejich malá citlivost na světlo. Je to dáno tím, že obvody omezující šum jsou uvnitř buněk. Nedostatek se řeší přidáním miniaturních čoček ke každé buňce a další miiaturizací kompenzačních obvodů.
Exif
Exif (zkratka z anglického Exchangeable image file format) je specifikace pro formát metadat, vkládaných do souborů digitálními fotoaparáty. Informace se vkládají do existujících souborových formátů, jako je JPEG, TIFF revize 6.0 a RIFF WAVE. Není ale podporován ve formátech JPEG 2000 a PNG.

Metadata v Exifu mohou mimo jiné obsahovat:

* Značku a model fotoaparátu.
* Datum a čas pořízení snímku.
* Nastavení fotoaparátu. To zahrnuje nastavenou citlivost, clonu, expoziční čas, ohniskovou vzdálenost, informace o použití blesku a někdy i další údaje, jako je vzdálenost zaostření nebo orientace fotoaparátu (která umožňuje automaticky otáčet snímky pořízené na výšku).
* Náhled snímku. Moderní digitální fotoaparáty pořizují snímky velikosti jednotek megabajtů, a tak se do Exif hlavičky přidává malý asi desetikilobajtový náhled, který umožňuje při prohlížení náhledů rychle zjistit, co na snímku je, aniž by se musel zpracovávat celý.
* Informace o místu pořízení, která může být získána z GPS přijímače připojeného k fotoaparátu.
* Komentáře a informace o autorovi (fotografovi). Ty se většinou přidávají až při dodatečném zpracování, ale některé fotoaparáty vyšších tříd umožňují jejich přímé vkládání.
OCR
OCR OCR neboli optické rozpoznávání znaků (z anglického Optical Character Recognition) je metoda, která pomocí scanneru umožňuje digitalizaci tištěných textů, s nimiž pak lze pracovat jako s normálním počítačovým textem.
Počítačový program převádí obraz buď automaticky nebo se musí naučit rozpoznávat znaky. Převedný text je téměř vždy v závislosti na kvalitě předlohy třeba podrobit důkladné korektuře, protože OCR program nerozezná všechna písmena správně. OCR - zpracování textu z tištěné do elektronické podoby je použitelné pro všechny tištěné výstupy z laserových, inkoustových, termosublimačních a jehličkových tiskáren a samozřejmě pro předlohy vytištěné knihtiskem.