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コンピュータグラフィックスやデジタル写真において、ラスターグラフィック、ラスター画像、または単にラスターとは、小さな色付き（通常は正方形）のピクセルと呼ばれる長方形のグリッドで構成されたデジタル画像のことです。形状や線を記述するために数式を使用するベクターグラフィックスとは異なり、ラスター画像は各ピクセルの正確な色を保存するため、複雑な色やディテールを持つ写真や画像に最適です。ラスター画像は、その寸法（ピクセル単位の幅と高さ）と色深度（ピクセルあたりのビット数）によって特徴付けられます。[ 1 ]コンピュータのディスプレイに表示したり、紙に印刷したり、他のメディアで表示したりすることができ、さまざまな画像ファイル形式で保存されます。
印刷およびプリプレス業界では、ラスターグラフィックスはコントーン（「連続トーン」の略）として知られています。対照的に、線画は通常、デジタルシステムではベクターグラフィックスとして実装されます。[ 2 ]
多くのラスタ操作は、行列構造を持つ数学的対象が中心となる線形代数の数学的形式に直接対応している。
ラスタデータまたはグリッドデータは、グリッド化処理の結果として得られる場合があります。
「raster」という言葉は、ラテン語のrastrum (熊手) に由来し、これはradere (こする) から派生したものです。これは、集束された電子ビームを磁気または静電的に操作して画像を一行ずつ描画する陰極線管(CRT)ビデオモニターのラスタースキャンに由来します。[ 3 ]また、関連して、ピクセルの長方形のグリッドを指すこともあります。現代のrastrumという言葉は、楽譜の五線譜を描く装置を指します。
ラスタデータモデルの基本的な戦略は、平面を2次元の正方形の配列に分割することであり、各正方形はセルまたはピクセル（「画素」の略）と呼ばれます。デジタル写真では、平面はイメージセンサーに投影された視野であり、コンピュータアートでは、平面は仮想キャンバスであり、地理情報システムでは、平面は地球表面の投影です。解像度またはサポートと呼ばれる各正方形ピクセルのサイズは、グリッド全体で一定です。
次に、各ピクセルに対して単一の数値が格納されます。ほとんどの画像では、この値は可視色ですが、定性的なカテゴリの数値コードなど、他の測定も可能です。各ラスターグリッドには、各数値のデータ型である指定されたピクセル形式があります。一般的なピクセル形式は、バイナリ、グレースケール、パレット化、フルカラーで、色深度[ 4 ]は表現される色の忠実度を決定し、色空間は色のカバー範囲を決定します（これは多くの場合、人間の色の視覚の全範囲よりも狭くなります）。最新のカラーラスター形式のほとんどは、24 ビット（1600 万を超える異なる色）を使用して色を表現し、 各色チャネル（赤、緑、青）に8ビット（値0～255）を使用します。リモートセンシングと天文学で使用されるデジタルセンサーは、多くの場合、可視スペクトルを超える波長を検出して保存できます。ベラ・C・ルービン天文台にある大型CCDビットマップセンサーは、人間の色覚のスペクトル範囲を超える6つのカラーチャンネルで、 1枚の画像に3.2ギガピクセル（6.4GBの生データ）を捉えます。
ほとんどのコンピュータ画像は、ワールドワイドウェブでよく使われるGIF、JPEG、PNGなどのラスターグラフィックス形式または圧縮された形式で保存されます。[ 4 ] [ 5 ]ラスターデータ構造は、 2D平面をセルに分割した（通常は長方形または正方形ベースの）テッセレーションに基づいており、各セルには単一の値が含まれています。データをファイルに保存するには、2次元配列をシリアル化する必要があります。これを行う最も一般的な方法は、行優先形式で、最初の（通常は上側の）行に沿ったセルが左から右にリストされ、その直後に2行目のセルが続き、以下同様です。
右の例では、テセレーションAのセルが点パターンBに重ね合わされ、各セル内の点の数を表す象限カウントの配列Cが生成されます。視覚化のために、ルックアップテーブルを使用して画像Dの各セルに色を付けています。以下に、行優先配列として数値を示します。
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
2次元グリッドを再構築するには、ファイルの先頭にヘッダーセクションを含める必要があります。このヘッダーセクションには、少なくとも列数とピクセルデータ型（特に値あたりのビット数またはバイト数）が含まれている必要があり、これにより読み取り側は各値の終了位置を把握し、次の値の読み取りを開始できます。ヘッダーには、行数、地理データのジオレファレンスパラメータ、またはExif規格で指定されているようなその他のメタデータタグを含めることもできます。
高解像度ラスターグリッドは多数のピクセルを含むため、大量のストレージを消費します。そのため、データ量を圧縮してより小さなファイルにするための様々な手法が開発されてきました。最も一般的な方法は、ピクセル値のパターンや傾向を検出し、元のデータの代わりにそのパターンをパラメータ化した形式で保存することです。一般的なラスター圧縮アルゴリズムには、ランレングス符号化（RLE）、JPEG、LZ （ PNGとZIPのベース）、Lempel–Ziv–Welch （LZW）（ GIFのベース）などがあります。
例えば、ランレングス符号化では、配列内の繰り返し出現する値を探し出し、その値を出現回数とともに置き換えます。したがって、上記のラスターは次のように表現されます。
この手法は、線画のように同じ値が広範囲に存在する場合には非常に効率的ですが、ピクセルが隣接するピクセルとわずかに異なることが多い写真の場合、RLEファイルは元のファイルの最大2倍のサイズになる可能性があります。
RLEやLZWなどの一部の圧縮アルゴリズムは可逆圧縮であり、圧縮データから元のピクセル値を完全に復元できます。一方、JPEGなどの他のアルゴリズムは非可逆圧縮であり、パラメータ化されたパターンは元のピクセル値の近似値にすぎないため、圧縮データから元のピクセル値を推定することしかできません。
ベクター画像（線画）はソフトウェアによってラスタライズ（ピクセルに変換）することができ、ラスタ画像はベクター化（ラスタ画像をベクターグラフィックスに変換）することができます。どちらの場合も、一部の情報は失われますが、光学文字認識（OCR）の場合のように、特定のベクター化操作によって重要な情報を再現できる場合もあります。
1920年代に開発された初期の機械式テレビは、ラスタライズ方式を採用していた。陰極線管ディスプレイに基づく電子式テレビは、水平方向のラスタを左から右へ、ラスタ線を上から下へ描画することでラスタスキャン方式を採用している。
LEDモニターなどの最新のフラットパネルディスプレイは、依然としてラスタ方式を使用しています。画面上の各ピクセルは、メモリ内の少数のビットに直接対応しています。[ 6 ]画面は、ピクセルをスキャンして各ビットセットに従って色付けすることで更新されます。更新手順は速度が重要なため、多くの場合、グラフィックス処理ユニットの一部として、専用の回路によって実装されます。
この方式では、コンピュータには表示されるすべてのデータを保持するメモリ領域があります。中央処理装置はこのメモリ領域にデータを書き込み、ビデオコントローラはそこからデータを収集します。このメモリブロックに格納されているデータビットは、ディスプレイ上に画像を構成するために使用される最終的なピクセルパターンに関連しています。[ 7 ]
ラスタコンピュータグラフィックスを用いた初期のスキャン表示は、1960年代後半にベル研究所のA.マイケル・ノールによって発明されたが[ 8 ]、1970年2月5日に提出された特許出願は、コンピュータソフトウェアの特許性の問題により、1977年に最高裁判所で放棄された[ 9 ] 。
1970年代から1980年代にかけては、ベクターグラフィックスを用いたペンプロッターが、特に大判用紙への精密な図面作成に広く用いられていました。しかし、それ以降、レーザープリンターやインクジェットプリンターを含め、ほぼすべてのプリンターが印刷画像をラスターグリッドとして生成するようになりました。ソース情報がベクター形式の場合、レンダリング仕様やPostScriptなどのソフトウェアを用いてラスター画像を作成します。
3次元ボクセルラスターグラフィックスはビデオゲームで使用されており、 MRIスキャナーなどの医療画像処理にも使用されています。[ 10 ]
地理的現象は、 GISでは一般的にラスター形式で表現されます。ラスター グリッドは地理参照されているため、各ピクセル ( 「ピクセル」の「画像」の部分は関係ないため、GIS では一般的にセルと呼ばれます) は、地理空間の正方形の領域を表します。 [ 11 ]各セルの値は、その領域の測定可能な (定性的または定量的) 特性を表し、通常はフィールドとして概念化されます。ラスターで一般的に表現されるフィールドの例には、温度、人口密度、土壌水分、土地被覆、表面標高などがあります。フィールドからセル値を導出するために、2 つのサンプリング モデルが使用されます。ラティスでは、値は各セルの中心点で測定されます。グリッドでは、値はセル全体の値の要約 (通常は平均または最頻値) です。
ラスターグラフィックスは解像度に依存するため、見かけ上の品質を損なうことなく任意の解像度に拡大することはできません。この特性は、レンダリングするデバイスの品質に合わせて容易に拡大できるベクターグラフィックスの機能とは対照的です。ラスターグラフィックスは、ベクターグラフィックスよりも写真や写真のようにリアルな画像を扱うのに適していますが、ベクターグラフィックスは多くの場合、組版やグラフィックデザインに適しています。現代のコンピューターモニターは通常、1インチあたり約72～130ピクセル（PPI）を表示し、一部の最新の家庭用プリンターは1インチあたり2400ドット（DPI）以上を解像できます。印刷された出力は、モニターでビューアが識別できるレベルよりも詳細になる可能性があるため、特定のプリンター解像度に対して最も適切な画像解像度を決定するのは難しい場合があります。通常、150～300 PPIの解像度は、4色プロセス（CMYK）印刷に適しています。
しかし、オーバープリントではなくディザリング（ハーフトーン）によって色混合を行う印刷技術（ほぼすべての家庭用/オフィス用インクジェットプリンターとレーザープリンター）では、プリンターの DPI と画像の PPI は全く異なる意味を持ち、誤解を招く可能性があります。ディザリング処理によって、プリンターは複数のプリンター ドットから単一の画像ピクセルを構築して色深度を高めるため、画像解像度を犠牲にすることなく十分な色深度を確保するには、プリンターの DPI 設定を必要な PPI よりもはるかに高く設定する必要があります。したがって、たとえば 250 PPI で画像を印刷する場合、実際には 1200 DPI のプリンター設定が必要になる場合があります。[ 12 ]
PaintShop Pro、Corel Painter、Adobe Photoshop、Paint.NET、Microsoft Paint、Krita、GIMPなどのラスターベースの画像エディタは、線や図形（ベクター）の編集を中心とするXfig、CorelDRAW、Adobe Illustrator、Inkscapeなどのベクターベースの画像エディタとは異なり、ピクセルの編集を中心にしています。ラスターベースの画像エディタで画像がレンダリングされると、画像は数百万のピクセルで構成されます。ラスター画像エディタは、基本的に各ピクセルを操作することで機能します。[ 5 ]ほとんどの[ 13 ]ピクセルベースの画像エディタはRGBカラーモデルを使用して動作しますが、 CMYKカラーモデルなどの他のカラーモデルの使用も許可しているものもあります。[ 14 ]
個々のピクセルに割り当てられるビット数によって、そのピクセルに割り当て可能な色の数が決まります。たとえば、各ピクセルが 4 ビットで表現される場合、特定のピクセルには 16 種類の異なる色 (2^4 = 16) のいずれかを割り当てることができます。
ラスター画像は、ピクセルベースのプログラムで作成するか、カメラやスキャナでキャプチャします。これらは一般的に jpg、gif、png などであり、Web で広く使用されています。
コンピューターのモニターで見る場合はRGBを選択してください。印刷する場合はCMYKを使用してください。（ヒント：Adobe® Photoshop®では、[画像]メニューから[モード]を選択することで、RGBとCMYKのカラーチャンネルを切り替えることができます。）