Citra Digital dan Grafik Raster

G. Prasetyadi
46 views

academics

(Tulisan ini dibuat sebagai pengantar materi pekan ke-9 mata kuliah Grafik Komputer)

Gambar Digital

Gambar digital adalah gambar yang terdiri dari elemen gambar (picture element alias piksel). Setiap piksel merupakan nilai representasi numerik yang terbatas dan diskrit untuk intensitas atau tingkat keabuan. Nilai itu merupakan output dari fungsi dua dimensi yang digunakan sebagai input koordinat spasial sebagai titik pada sumbu x dan y. Secara sederhana, gambar digital (terutama raster) hanyalah semacam tabel atau matriks dua dimensi yang dicetak, entah di layar atau secara harfiah di atas kertas atau media fisik lainnya.

Tergantung pada apakah resolusi sebuah gambar tetap (fixed) atau tidak, gambar digital terbagi menjadi dua jenis: vektor dan raster.

Sejarah Singkat

Mesin faks digital awal yang menerapkan sistem transmisi gambar kabel Bartlane mendahului kamera digital dan komputer selama beberapa dekade. Gambar pertama yang dipindai, disimpan, dan dibuat ulang dalam piksel digital ditampilkan di Standards Eastern Automatic Computer (SEAC) di NIST. Kemajuan citra digital berlanjut pada awal 1960-an, berkaitan dengan pengembangan program luar angkasa dan penelitian medis. Proyek di Jet Propulsion Laboratory, MIT, Bell Labs dan University of Maryland turut mengembangkan gambar digital demi citra satelit yang lebih baik, deteksi huruf dan tulisan, dan peningkatan kualitas foto pada saat dan setelah pengambilan.

Kemajuan pesat dalam pencitraan digital dimulai dengan pengenalan sirkuit terpadu MOS (Metal Oxide Semiconductor) pada 1960-an dan mikroprosesor pada awal 1970-an, bersamaan dengan kemajuan dan terobosan dalam memori komputer, teknologi tampilan, dan algoritma kompresi data.

Penemuan tomografi aksial terkomputerisasi (pemindaian CAT atau hanya CT), menggunakan sinar X untuk menghasilkan gambar digital yang "mengiris" obyek tiga dimensi, sangat penting untuk diagnostik medis.

Selain pembuatan gambar digital, digitalisasi gambar analog (dari fisik ke digital) memungkinkan pemulihan dan pengawetan artefak arkeologi dan digunakan juga bidang lain.

Kemajuan dalam teknologi mikroprosesor dan diciptakannya perangkat charge-coupled (CCD) untuk digunakan dalam berbagai perangkat pengambil gambar secara bertahap menggantikan penggunaan film dan pita analog menjelang akhir abad ke-20. Meningkatnya kekuatan komputasi yang dapat digunakan untuk memproses gambar, memungkinkan terciptanya gambar digital yang sangat akurat dan mendetail.

Sensor Gambar Digital

Basis untuk sensor gambar digital adalah teknologi metal-oxide-semiconductor (MOS) yang ditemukan oleh Mohamed M. Atalla dan Dawon Kahng di Bell Labs pada tahun 1959. MOS ini kemudian berkembang menjadi charge-coupled device (CCD) dan kemudian sensor CMOS (Complementary MOS / active pixel sensor).

CCD dikembangkan oleh Willard S. Boyle dan George E. Smith di Bell Labs pada tahun 1969. CCD ini merupakan serangkaian kapasitor MOS yang berjejeran, tegangannya dapat diatur sehingga muatan listrik dapat dipindahkan dari satu kapasitor ke yang berikutnya. CCD ini digunakan dalam kamera video digital pertama, yang saat itu dibuat untuk penyiaran televisi.

Sensor CCD awal mengalami kelambatan rana. Penemuan fotodioda tersemat atau pinned photodiode (PPD) oleh Nobukazu Teranishi, Hiromitsu Shiraki dan Yasuo Ishihara di NEC pada tahun 1980 mengatasi ini.

Sensor piksel aktif / active pixel sensor (APS) bernama NMOS ditemukan oleh perusahaan Olympus di Jepang pada pertengahan 1980-an. Inti dari terobosan ini adalah semakin berkurangnya ukuran perangkat sensor. Terakhir ada Complementary MOS / active pixel sensor yang dikembangkan oleh tim Eric Fossum di Laboratorium Propulsi Jet NASA pada tahun 1993.

Pada tahun 2007, penjualan sensor CMOS ini telah melampaui sensor CCD, dan tahun-tahun berikutnya, teknologi pengambilan gambar digital sudah menyebar ke berbagai kalangan dan lapisan masyarakat.

Perangkat Kamera pada Smartphone

Untuk kamera smartphone, seperti hampir semua kamera yang tersedia di pasaran, ada dua komponen utama yang membentuk modul kamera: sensor dan lensa. Dua komponen ini dikemas bersama menjadi satu unit yang ditambahkan ke papan utama smartphone melalui kabel pita.

modul kamera

Sensor adalah komponen kamera 'menangkap' gambar, yang merupakan sirkuit terintegrasi kompleks yang biasanya menyertakan fotodetektor (komponen utama yang menangkap cahaya) serta amplifier dan transistor. Saat perangkat lunak kamera smartphone meminta gambar, sensor menyediakan semua data yang diperlukan.

Sensor kamera smartphone hampir semuanya menggunakan teknologi CMOS. Teknologi sensor lainnya seperti CCD terlalu memakan daya dan mahal untuk digunakan di smartphone.

cmos

Secara sederhana, fotodetektor dalam CMOS yang sesuai dengan setiap piksel dalam gambar menangkap informasi analog tentang foton yang mengenainya. Informasi ini akan diperkuat dan diubah menjadi sinyal digital yang berkaitan dengan kecerahan foton. Untuk mendapatkan data warna, filter RGBG Bayer ditempatkan di atas deretan fotodetektor, dan algoritma pada perangkat lunak menghasilkan gambar akhir, yang bisa kita lihat di layar smartphone.

Jumlah piksel yang dimiliki kamera mengacu langsung ke jumlah fotodetektor dalam sensor. Sensor 8 megapiksel, misalnya, berarti ada delapan juta fotodetektor di dalamnya.

Lensa memfokuskan cahaya ke sensor sehingga gambar terlihat tajam dan jernih. Meskipun bisa saja menggunakan kamera tanpa lensa, gambar yang dihasilkan hanya akan menjadi warna buram karena foton dari semua sudut mengenai sensor.

kamera Nokia

Detail komponen kamera PureView pada ponsel Nokia

Penyajian Gambar Digital

Perangkat lunak yang khusus diciptakan untuk menampilkan gambar adalah penampil gambar (image viewer). Mencari app penampil gambar bukanlah hal yang sulit; OS pasti sudah menyediakannya, namun banyak juga app pihak ketiga semacam IrfanView.

Browser web dapat menampilkan format gambar yang umum di internet termasuk JPEG, GIF, dan PNG. Beberapa dapat menampilkan format SVG yang merupakan format standar W3C. Dahulu, ketika Internet masih lambat, situs web yang memiliki konten gambar biasanya menampilkan gambar "pratinjau" atau thumbnail yang akan dimuat lebih dulu dan muncul sebelum gambar aslinya. Sekarang teknik ini tidak lagi wajib digunakan, atau digantikan dengan teknik lazy loading.

Beberapa gambar bisa sangat besar, misalnya gambar Bima Sakti berukuran 46 gigapiksel (sekitar 194 Gb).

Kompresi Gambar Digital

Perkembangan penting dalam teknologi kompresi citra digital adalah transformasi kosinus diskrit (DCT), teknik kompresi lossy (menghilangkan detail) yang pertama kali diusulkan oleh Nasir Ahmed pada tahun 1972. Kompresi DCT ini menjadi dasar untuk JPEG, yang diperkenalkan oleh Joint Photographic Experts Group pada tahun 1992. JPEG dapat mengompresi gambar sehingga ukurannya (dalam byte) menjadi jauh lebih kecil dari bentuk mentahnya. JPEG (atau JPG) dan telah menjadi format file gambar yang paling banyak digunakan di Internet, bersama BMP dan PNG. Miliaran gambar JPEG diproduksi setiap hari pada tahun 2015.

Gambar Vektor

Gambar vektor dihasilkan dari geometri matematika (vektor). Vektor terdiri dari panjang atau magnitudo, dan arah. Contoh tipe file vektor adalah EPS, PDF, dan AI.

Gambar Raster

Grafik raster menggunakan mekanisme yang mewakili gambar dua dimensi sebagai matriks persegi panjang, yang dicetak pada layar komputer, kertas, atau media lainnya. Sebuah raster secara teknis dicirikan oleh lebar dan tinggi gambar dalam piksel dan dengan jumlah bit tertentu per piksel. Gambar raster disimpan dalam file gambar dengan berbagai format penyebaran, generasi (generation), dan akuisisi.

piksel dalam raster

Ilustrasi detail piksel-piksel dalam gambar raster dengan sistem warna RGB

Industri percetakan mengenal grafik raster sebagai contones (continuous tones).

Manipulasi raster merupakan penerapan ilmu matematika, tepatnya di bidang aljabar linier, dimana struktur matriks menjadi kajian utama.

Gambar raster dapat diubah menjadi vektor (dan sebaliknya) menggunakan perangkat lunak khusus.

Representasi Gambar Raster sebagai Data Digital

Gambar digital yang kita simpan di komputer kita, pada dasarnya adalah data digital juga. Struktur data raster didasarkan pada tessellation bidang 2 dimensi ke dalam sel, masing-masing sel berisi suatu nilai. Untuk menyimpan data dalam file, array dua dimensi harus diserialisasi. Cara paling umum untuk melakukannya adalah format row-major, di mana sel-sel di sepanjang baris pertama (biasanya atas) ditulis dari kiri ke kanan, lalu sel-sel dari baris kedua, dan seterusnya.

simple raster

Grafik raster sederhana (tiap kotak adalah sel alias piksel)

Untuk merekonstruksi matriks dua dimensi ini, file harus menyertakan bagian header di awal yang berisi setidaknya jumlah kolom dan jumlah bit (atau byte) per sel sehingga image viewer (via decoder) tahu di mana setiap nilai terakhir sebuah sel dan row dan berpindah ke row berikutnya. Header juga dapat menyertakan jumlah baris, data geografis, atau tag metadata lainnya (misalnya seperti yang ditentukan dalam standar Exif).

Matriks raster dengan resolusi tinggi berisi banyak sekali piksel dan membutuhkan banyak memori. Berbagai algoritma telah dikembangkan untuk mengompresi volume data menjadi file yang lebih kecil. Strategi yang paling umum adalah mencari pola atau tren dalam nilai piksel, kemudian menyimpan bentuk pola yang telah diparameterisasi alih-alih data asli. Algoritma kompresi raster yang umum termasuk run-length encoding (RLE), JPEG, LZ (basis untuk PNG dan ZIP), LZW (basis untuk GIF), dan lainnya.

Beberapa algoritma kompresi, seperti RLE dan LZW, bersifat lossless, di mana nilai piksel asli dapat dibuat ulang dengan sempurna dari data terkompresi. Algoritma lain, seperti JPEG, bersifat lossy, karena pola yang diparameterisasi dan disimpan dalam file hanya merupakan perkiraan dari nilai piksel asli, sehingga piksel-piksel yang ditampilkan juga hanyalah perkiraan yang dibaca dari data terkompresi, dengan kata lain, ada data terbuang dan detail berkurang.

Ada berbagai macam format file raster. Pada dasarnya, mereka hanyalah variasi matriks dan header yang menentukan detail, akurasi, dan efisiensi. Untuk membuka sebuah file gambar tertentu, image viewer harus dapat menemukan decoder yang sesuai. Pada Photoshop CS6, misalnya, hanya dapat membaca dan memanipulasi format WEBP setelah decoder-nya diinstal dalam bentuk extension alias modul yang bisa diunduh di internet.

Referensi