Graphiques raster

Le smiley en haut à gauche est une image matricielle. Agrandie, chaque pixel apparaît sous forme de carré. En agrandissant davantage, on peut analyser chaque pixel et déterminer sa couleur par la combinaison des valeurs de rouge, de vert et de bleu.

En infographie et en photographie numérique , une image matricielle ( ou raster) est une image numérique composée d'une grille rectangulaire de minuscules pixels colorés (généralement carrés) . Contrairement aux images vectorielles qui utilisent des formules mathématiques pour décrire les formes et les lignes, les images matricielles stockent la couleur exacte de chaque pixel, ce qui les rend idéales pour les photographies et les images aux couleurs et aux détails complexes. Les images matricielles sont caractérisées par leurs dimensions (largeur et hauteur en pixels) et leur profondeur de couleur (nombre de bits par pixel ). Elles peuvent être affichées sur des écrans d'ordinateur , imprimées sur papier ou visualisées sur d'autres supports, et sont enregistrées dans différents formats de fichiers image .

Les industries de l'impression et du prépresse connaissent les graphiques raster sous le nom de contones (de « tons continus »). En revanche, les illustrations au trait sont généralement implémentées sous forme de graphiques vectoriels dans les systèmes numériques.

Transposer une image pour convertir une organisation raster (une opération relativement coûteuse pour les formats compacts avec moins d'un octet par pixel) ; composer une réflexion de ligne raster supplémentaire (presque gratuite), avant ou après, équivaut à une rotation d'image de 90° dans une direction ou l'autre.

De nombreuses manipulations raster correspondent directement aux formalismes mathématiques de l'algèbre linéaire , où les objets mathématiques de structure matricielle sont d'une importance capitale.

Les données raster ou maillées peuvent être le résultat d'une procédure de maillage .

râteau », dérivé de « radere » (gratter). Il provient du balayage raster des moniteurs vidéo à tube cathodique (CRT) , qui dessinent l'image ligne par ligne en orientant magnétiquement ou électrostatiquement un faisceau d'électrons focalisé . Par extension, il peut également désigner une grille rectangulaire de pixels. Le mot moderne « râteau » désigne un appareil servant à tracer les lignes d'une portée musicale.

Modèle de données

La stratégie fondamentale du modèle de données raster repose sur la tessellation d'un plan en une matrice bidimensionnelle de carrés, appelés cellules ou pixels (de l'abréviation de « picture element »). En photographie numérique , le plan correspond au champ visuel projeté sur le capteur d'image ; en art numérique , il s'agit d'une toile virtuelle ; dans les systèmes d'information géographique , il représente la projection de la surface terrestre. La taille de chaque pixel carré, appelée résolution ou support , est constante sur l'ensemble de la grille.

Une seule valeur numérique est ensuite stockée pour chaque pixel. Pour la plupart des images, cette valeur correspond à une couleur visible, mais d'autres mesures sont possibles, y compris des codes numériques pour des catégories qualitatives. Chaque grille raster possède un format de pixel spécifique , c'est-à-dire le type de données associé à chaque nombre. Les formats de pixel courants sont le binaire , les niveaux de gris , la palette et la couleur . La profondeur de couleur détermine la fidélité des couleurs représentées, et l'espace colorimétrique détermine la gamme de couleurs couvertes (souvent inférieure à la gamme complète de la vision humaine ). La plupart des formats raster couleur modernes représentent la couleur sur 24 bits (plus de 16 millions de couleurs distinctes), avec 8 bits (valeurs de 0 à 255) pour chaque canal de couleur (rouge, vert et bleu). Les capteurs numériques utilisés en télédétection et en astronomie sont souvent capables de détecter et de stocker des longueurs d'onde situées au-delà du spectre visible . Le grand capteur bitmap CCD de l' observatoire Vera C. Rubin capture 3,2 gigapixels dans une seule image (6,4 Go brut ), sur six canaux de couleur qui dépassent la gamme spectrale de la vision humaine des couleurs.

Utilisations

stockage d'images

Utilisation d'un raster pour résumer un motif de points

La plupart des images informatiques sont stockées dans des formats d'images matricielles ou des variantes compressées, comme GIF , JPEG et PNG , très répandus sur le Web . Une structure de données matricielles repose sur une tessellation (généralement rectangulaire, à base carrée) du plan 2D en cellules, chacune contenant une seule valeur. Pour stocker les données dans un fichier, le tableau bidimensionnel doit être sérialisé. La méthode la plus courante consiste à utiliser un format « ligne-major » , où les cellules de la première ligne (généralement la plus haute) sont listées de gauche à droite, suivies immédiatement de celles de la deuxième ligne, et ainsi de suite.

Dans l'exemple de droite, les cellules de la tessellation A sont superposées au motif de points B, ce qui donne un tableau C de comptages de quadrants représentant le nombre de points dans chaque cellule. À des fins de visualisation, une table de correspondance a été utilisée pour colorer chaque cellule d'une image D. Voici les nombres sous forme de tableau séquentiel ligne par ligne :

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

Pour reconstituer la grille bidimensionnelle, le fichier doit comporter un en-tête initial indiquant au minimum le nombre de colonnes et le type de données des pixels (en particulier le nombre de bits ou d'octets par valeur), afin que le lecteur sache où se termine chaque valeur pour lire la suivante. L'en-tête peut également inclure le nombre de lignes, les paramètres de géoréférencement pour les données géographiques, ou d'autres métadonnées , telles que celles spécifiées dans la norme Exif .

Compression

le codage par plage (RLE), le JPEG , le LZ (à la base du PNG et du ZIP ), le Lempel-Ziv-Welch (LZW) (à la base du GIF ), et d'autres encore.

Par exemple, le codage par plage recherche les valeurs répétées dans le tableau et les remplace par la valeur et le nombre de fois où elle apparaît. Ainsi, le raster ci-dessus serait représenté comme suit :

pixellisées (converties en pixels) et les images raster vectorisées (images raster converties en graphiques vectoriels) par logiciel. Dans les deux cas, certaines informations sont perdues, bien que certaines opérations de vectorisation permettent de recréer des informations essentielles, comme dans le cas de la reconnaissance optique de caractères .

Écrans

téléviseurs mécaniques, développés dans les années 1920, utilisaient le principe de la rastérisation. Les téléviseurs électroniques à tube cathodique fonctionnent par balayage raster : les trames horizontales sont peintes de gauche à droite, et les lignes de la trame de haut en bas.

Les écrans plats modernes, tels que les moniteurs LED, utilisent toujours une approche raster. Chaque pixel à l'écran correspond directement à un petit nombre de bits en mémoire. L'écran est rafraîchi par un simple balayage des pixels et leur coloration en fonction de chaque ensemble de bits. Cette procédure de rafraîchissement, critique en termes de vitesse, est souvent implémentée par des circuits dédiés, généralement intégrés à un processeur graphique .

Dans cette approche, l'ordinateur dispose d'une zone de mémoire contenant toutes les données à afficher. Le processeur central écrit les données dans cette zone, et le contrôleur vidéo les récupère. Les bits de données stockés dans ce bloc de mémoire correspondent à la séquence de pixels qui servira à construire l'image affichée.

Un des premiers écrans à balayage avec graphismes informatiques raster a été inventé à la fin des années 1960 par A. Michael Noll aux Bell Labs , mais sa demande de brevet déposée le 5 février 1970 a été abandonnée par la Cour suprême en 1977 sur la question de la brevetabilité des logiciels informatiques.

Impression

les traceurs à plume , utilisant des graphiques vectoriels , étaient courants pour réaliser des dessins précis, notamment sur papier grand format. Cependant, depuis, la quasi-totalité des imprimantes, laser et jet d'encre compris , produisent l'image imprimée sous forme de grille raster. Lorsque les données sources sont vectorielles, des spécifications de rendu et des logiciels tels que PostScript sont utilisés pour créer l'image raster.

Images raster tridimensionnelles

Les graphismes raster voxels tridimensionnels sont utilisés dans les jeux vidéo et sont également utilisés dans l'imagerie médicale comme les scanners IRM .

Systèmes d'information géographique

Dans les SIG , les phénomènes géographiques sont généralement représentés sous forme raster . La grille raster est géoréférencée , de sorte que chaque pixel (appelé cellule en SIG, car la dimension visuelle du terme « pixel » n'est pas pertinente) représente une région carrée de l'espace géographique . La valeur de chaque cellule représente alors une propriété mesurable ( qualitative ou quantitative ) de cette région, généralement conceptualisée comme un champ . Parmi les champs couramment représentés dans les rasters, on peut citer : la température, la densité de population, l'humidité du sol, l'occupation du sol, l'altitude, etc. Deux modèles d'échantillonnage sont utilisés pour calculer les valeurs des cellules à partir du champ : dans un réseau , la valeur est mesurée au centre de chaque cellule ; dans une grille , la valeur est une moyenne (ou un mode) des valeurs de l'ensemble de la cellule.

Résolution

perte de qualité apparente . Cette propriété contraste avec les capacités des images vectorielles, qui s'adaptent facilement à la qualité de l'écran . Les images matricielles sont plus adaptées que les images vectorielles aux photographies et aux images photoréalistes, tandis que les images vectorielles conviennent mieux à la composition typographique ou à la conception graphique . Les écrans d'ordinateur modernes affichent généralement entre 72 et 130 pixels par pouce (ppp), et certaines imprimantes grand public modernes peuvent atteindre une résolution de 2 400 points par pouce (ppp) ou plus. Déterminer la résolution d'image la plus appropriée pour une imprimante donnée peut s'avérer complexe, car le rendu imprimé peut présenter un niveau de détail supérieur à celui perceptible à l'écran. En général, une résolution de 150 à 300 ppp convient parfaitement à l'impression quadrichromique ( CMJN ).

Cependant, pour les technologies d'impression qui effectuent le mélange des couleurs par tramage ( demi-teintes ) plutôt que par surimpression (pratiquement toutes les imprimantes jet d'encre et laser domestiques/de bureau), la résolution DPI de l'imprimante et la résolution PPI de l'image ont une signification très différente, ce qui peut induire en erreur. En effet, lors du tramage, l'imprimante construit un pixel à partir de plusieurs points pour augmenter la profondeur des couleurs ; par conséquent, la résolution DPI de l'imprimante doit être bien supérieure à la résolution PPI souhaitée afin de garantir une profondeur de couleur suffisante sans sacrifier la résolution de l'image. Ainsi, par exemple, l'impression d'une image à 250 PPI peut en réalité nécessiter une résolution d'imprimante de 1 200 DPI.

Éditeurs d'images raster

PaintShop Pro , Corel Painter , Adobe Photoshop , Paint.NET , Microsoft Paint , Krita et GIMP , permettent de modifier les pixels , contrairement aux logiciels de retouche d'images vectorielles, tels que Xfig , CorelDRAW , Adobe Illustrator ou Inkscape , qui permettent de modifier les lignes et les formes (vecteurs). Lorsqu'une image est rendue dans un logiciel de retouche d'images matricielles, elle est composée de millions de pixels. Fondamentalement, un logiciel de retouche d'images matricielles fonctionne en manipulant chaque pixel individuellement. La plupart des logiciels de retouche d'images matricielles utilisent le modèle de couleurs RVB , mais certains permettent également l'utilisation d'autres modèles de couleurs, tels que le modèle CMJN .