ラスターグラフィック

コンピュータグラフィックスとデジタル写真において、ラスターグラフィックスは、コンピュータディスプレイ、紙、またはその他の表示媒体を介して表示可能な、ピクセルの長方形マトリックスまたはグリッドとして2次元画像を表します。ラスター画像は、技術的には、ピクセル単位の画像の幅と高さ、および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]ラスター画像は、さまざまな配布、作成、生成、および取得形式で画像ファイルに保存されます。

印刷業界や製版業界では、ラスターグラフィックスはコントーン（連続トーン）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]

多くのラスター操作は、行列構造の数学的オブジェクトが中心的な関心事で ある線形代数の数学的形式に直接マッピングされます。

「ラスター」という言葉は、ラテン語のrastrum（熊手）に由来しており、radere（削る）に由来しています。これは、集束した電子ビームを磁気または静電的に誘導して画像を1行ずつ描画するブラウン管（CRT）ビデオモニターのラスタースキャンに由来しています。^[3]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。rastrumという言葉は現在、五線譜を描く装置を指すために使用されています。

ラスター 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す。各正方形はセルまたはピクセル(「ピクチャ要素」に由来) 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す。コンピュータ アートでは、平面は仮想キャンバスです。地理情報システムでは、平面は地球の表面の投影です。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。ラスター データまたはグリッド データは、グリッド化手順の結果である場合があります。

次に、各ピクセルに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、他の測定値、たとえば質的カテゴリの数値コードも使用できます。各ラスター グリッドには、各数値のデータ タイプであるピクセル形式が指定されています。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]によって表される色の忠実度が決定され、色空間によって色の範囲が決まります (これは多くの場合、人間の色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 万色を超える異なる色) を使用して色を表し、各色チャネル(赤、緑、青) に 8 ビット (値 0～255) が割り当てられています。リモート センシングや天文学に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格納できます。ヴェラ・C・ルビン天文台の大型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 チャネルにわたって、1 つの画像 (6.4 GB の未加工画像) で 3.2 ギガピクセルをキャプチャします。

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人気のあるGIF、JPEG、PNGなどのラスターグラフィック形式または圧縮されたバリエーションで保存されます。^{[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、正方形をベースとした）もので、各セルには1つの値が含まれます。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（通常は一番上の）行の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、以下同様に続きます。

右の例では、テッセレーション A のセルがポイント パターン B に重ね合わされ、各セルのポイント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イメージ D の各セルに色を付けています。次に、シリアル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) を含むヘッダー セクションを含める必要があります。これにより、リーダーは各値の終了位置を認識し、次の値の読み取りを開始できます。ヘッダーには、行数、地理データのジオリファレンスパラメータ、またはExif標準で指定されているものなどのその他のメタデータタグも含まれる場合があります。

高解像度のラスター グリッドには多数のピクセルが含まれるため、大量のメモリを消費します。このため、データ量を小さなファイルに圧縮するためのさまざまな方法が考案されています。最も一般的な戦略は、ピクセル値のパターンまたは傾向を探し、元のデータの代わりにそのパターンのパラメーター化された形式を保存することです。一般的なラスター圧縮アルゴリズムには、ランレングス エンコーディング(RLE)、JPEG、LZ ( PNGおよびZIPの基礎)、Lempel–Ziv–Welch (LZW) ( GIFの基礎) などがあります。

たとえば、ランレングス符号化では、配列内の繰り返し値を探し、その値とその出現回数で置き換えます。したがって、上記のラスターは次のように表されます。

この手法は、線画など、同一の値の領域が広い場合に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 ファイルのサイズは元のファイルの最大 2 倍になります。

RLE や LZW などの一部の圧縮アルゴリズムはロスレスで、圧縮されたデータから元のピクセル値を完全に再生成できます。JPEG などの他のアルゴリズムはロスありで、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過ぎず、元のピクセル値は圧縮データからしか推定できません。

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）でき、ラスター画像はソフトウェアによってベクター化（ラスター画像をベクター グラフィックに変換）できます。どちらの場合も一部の情報は失われますが、光学式文字認識の場合のように、特定のベクター化操作によって重要な情報を再作成できます。

1920 年代に開発された初期の機械式テレビでは、ラスタライズ原理が採用されていました。ブラウン管ディスプレイに基づく電子テレビはラスタスキャン方式で、水平ラスタは左から右に、ラスタ ラインは上から下に描画されます。

LEDモニターなどの現代のフラットパネルディスプレイは、依然としてラスター方式を採用しています。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、各ビットセットに従って色を付けるだけで更新されます。更新手順は速度が重要であるため、多くの場合、専用回路によって実装され、多くの場合、}グラフィックス処理ユニットの一部として実装されます。

このアプローチでは、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含まれています。中央プロセッサはメモリのこの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保存されたデータのビットは、ディスプレイ上の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]

ラスターコンピュータグラフィックスを使用した初期のスキャンディスプレイは、1960年代後半にベル研究所のA.マイケル・ノルによって発明されましたが、^[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ました。^[9]

1970 年代から 1980 年代にかけて、ベクター グラフィックスを使用するペン プロッタは、特に大判の紙に精密な図面を作成するためによく使用されていました。しかし、それ以降、レーザー プリンタとインクジェット プリンタの両方を含むほぼすべてのプリンタは、印刷イメージをラスター グリッドとして作成します。ソース情報がベクターである場合、レンダリング仕様とPostScriptなどのソフトウェアを使用してラスター イメージが作成されます。

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採用されており、 MRIスキャナなどの医療画像診断にも使用されています。^[10]

地理現象は、一般にGISの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 ( GIS では「ピクセル」の「画像」部分は関係ないため、一般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) プロパティを表し、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、気温、人口密度、土壌水分、土地被覆、地表標高などがあります。フィールドからセル値を導出するには、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しているため、任意の解像度に拡大すると見た目の品質が低下します。この特性は、レンダリングするデバイスの品質に簡単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。写真や写実的な画像を扱う場合、ラスター グラフィックスの方がベクター グラフィックスよりも実用的ですが、タイプセッティングやグラフィック デザインにはベクター グラフィックスの方が適していることがよくあります。最新のコンピューター モニターは通常、約 72 ～ 130ピクセル/インチ(PPI) で表示し、最新の消費者向けプリンターの中には 2400ドット/インチ(DPI) 以上を解像度できるものもあります。特定のプリンター解像度に最適な画像解像度を決定することは、印刷出力の詳細レベルがモニターで観察者が識別できるレベルよりも高い場合があるため、困難を伴うことがあります。通常、4 色プロセス ( CMYK ) 印刷では 150 ～ 300 PPI の解像度が適切です。

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）で色の混合を行う印刷技術（ほとんどすべての家庭用/オフィス用インクジェットおよびレーザープリンタ）の場合、プリンタDPIと画像PPIの意味は非常に異なり、誤解を招く可能性があります。ディザリングプロセスを通じて、プリンタは複数のプリンタドットから1つの画像ピクセルを構築して色深度を増やすため、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、プリンタのDPI設定を目的の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で画像を印刷するには、実際にはプリンタの設定を1200 DPIにする必要があります。^[12]

ラスターベースの画像エディタ（PaintShop Pro、Corel Painter、Adobe Photoshop、Paint.NET、Microsoft Paint、Krita、GIMPなど）はピクセルの編集を中心に展開されますが、 Xfig、CorelDRAW、Adobe Illustrator、Inkscapeなど、線や図形（ベクター）の編集を中心に展開されるベクターベースの画像エディタとは異なります。ラスターベースの画像エディタで画像をレンダリングすると、その画像は何百万ものピクセルで構成されます。本質的に、ラスター画像エディタは個々の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機能しますが、 CMYKカラーモデルなどの他のカラーモデルを使用できるものもあります。^[14]

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