Графические файловые форматы
Как уже говорилось ранее, при хранении растровых изображений, как правило, приходится иметь дело с файлами большого размера. В этой связи важной задачей является выбор соответствующего формата файла.
Форматов графических файлов существует великое множество и выбор приемлемого отнюдь не является тривиальной задачей. Для облегчения выбора воспользуемся классификациями.
По типу хранимой графической информации:
§ растровые (TIFF, GIF, BMP, JPEG);
§ векторные (AI, CDR, FH7, DXF);
§ смешанные/универсальные (EPS, PDF).
Следует учитывать, что файлы практически любого векторного формата позволяют хранить в себе и растровую графику. Однако часто это приводит к искажениям в цветопередаче, поэтому если изображение не содержит векторных объектов, то предпочтительнее использовать растровые форматы.
Рис. 3.1. Графические файловые форматы
Скажем несколько слов о наиболее популярных графических форматах.
BMP
BMP (от англ. BitMap Picture) — формат хранения растровых изображений. BMP был создан компанией Microsoft и широко используется в операционных системах семейства Windows.
Глубина цвета в данном формате может быть 1, 2, 4, 8, 16, 24, 32, 48 бит на пиксель, максимальные размеры изображения 65535×65535 пикселей. Однако, глубина 2 бит официально не поддерживается.
Формат BMP является примером хранения полноцветных изображений. В этом случае, цвета пикселей можно определять, явно задавая несколько параметров цвета. Например, в RGB-модели конечный цвет каждого пикселя определяется тремя слагаемыми для трех основных цветов.
В формате BMP есть поддержка сжатия по алгоритму RLE. Алгоритм RLE или алгоритм кодирования повторов оперирует сериями данных, то есть последовательностями, в которых один и тот же символ встречается несколько раз подряд. При кодировании строка одинаковых символов, составляющих серию, заменяется строкой, которая содержит сам повторяющийся символ и количество его повторов.
Рассмотрим изображение, состоящее из строки белых и черных пикселей. Опишем эту строку как:
WWWWBWWWWBBBWWWWBWWWW
Здесь B представляет чёрный пиксель, а W обозначает белый. Если мы применим RLE кодирование к этой строке, то получим следующее:
4W1B4W3B4W1B4W
Файлы формата BMP могут иметь расширения .bmp, .dib и .rle. DIB означает аппаратно-независимый растр (Device Independent Bitmap). При использовании этого формата программист может получить доступ ко всем элементам структур, описывающих изображение, при помощи обычного указателя. Но эти данные не используются для непосредственного управления экраном, так как они всегда хранятся в системной памяти, а не в специализированной видеопамяти. Формат пикселя в оперативной памяти может отличаться от того формата, который должен заноситься в видеопамять для индикации точки такого же цвета. Например, в DIB-формате может использоваться 24 бита для задания пикселя, а графический адаптер в этот момент может работать в режиме HighColor с цветовой глубиной 16 бит. При этом ярко-красная точка в аппаратно-независимом формате будет задаваться тремя байтами 0x0000ff, а в видеопамяти — словом 0xF800.
DDB означает аппаратно-зависимый растр (Device Dependent Bitmap, DDB). Этот формат всегда содержит цветовые коды, совпадающие с кодами видеобуфера, но храниться он может как в системной, так и в видеопамяти. В обоих случаях он содержит только коды цвета в том формате, который обеспечит пересылку изображения из ОЗУ в видеопамять при помощи простого копирования.
Таким образом, достоинством формата BMP является простота обращения к отдельным пикселям на изображении, что может быть использовано при написании демонстрационных программ по компьютерной графике. К недостатком нужно отнести сравнительно большие размеры файлов, хранящих изображения в формате BMP, вследствие не совершенства алгоритма RLE.
Кроме поддержки полноцветных изображений формат BMP может обеспечивать хранения изображений с использованием индексированной палитры. Второй подход заключается в том, что в первой части файла, хранящего изображение, хранится «палитра»,в которой с помощью одной из цветовых моделей кодируются цвета, присутствующие на изображении. А вторая часть, которая непосредственно описывает пиксели изображения, фактически состоит из индексов в палитре.
Формат BMP может использовать режим индексирования цветов при следующих значениях глубины цвета: 1 бит (2 цвета), 2 бита (4 цвета), 4 бита (16 цветов), 8 бит (256 цветов).
Благодаря использованию палитры имеется возможность адаптировать изображение к цветам, присутствующим на изображении. В таком случае изображение ограниченно не заданными цветами, а максимальным количеством одновременно используемых цветов.
Достоинством палитры является возможность существенно сократить размер файла с изображением. Недостатком является возможность потери цветов при ограниченном размере палитры.
TIFF
TIFF (англ. Tagged Image File Format) — формат хранения растровых графических изображений. Изначально был разработан компанией Aldus в сотрудничестве с Microsoft. TIFF был выбран в качестве основного графического формата операционной системы Mac OS X. В настоящее время авторские права на спецификации формата принадлежат компании Adobe.
Принцип хранения данных в TIFF основан на использовании специальных маркеров (тэгов) в сочетании с битовыми последовательностями кусков растра.
Формат TIFF поддерживает большую глубину цвета: 8, 16, 32 и 64 бит на канал при целочисленном кодировании, а также 32 и 64 бит на канал при представлении значения пикселя числами с плавающей запятой.
Структура формата гибкая и позволяет сохранять изображения в режиме цветов с палитрой, а также в различных цветовых пространствах: бинарном (двуцветном), полутоновом, с индексированной палитрой, RGB, CMYK, YCbCr, CIE Lab. Помимо традиционных цветов CMY формат поддерживает цветоделение с большим числом красок, в частности систему Hexachrome компании Pantone. В систему Hexachrome, известную как CMYKOG, добавлены оранжевые и зеленые краски для лучшего представления цветов при печати.
Помимо прочих достоинств формат TIFF позволяет сохранять растровые изображения с компрессией без потери качества. Этот формат поддерживает сжатие без потери качества по алгоритму LZW-компрессии.
Алгоритм Лемпеля — Зива — Велча (Lempel-Ziv-Welch, LZW) — это универсальный алгоритм сжатия данных без потерь данных. Алгоритм на удивление прост. Если в двух словах, то LZW-сжатие заменяет строки символов некоторыми кодами. Это делается без какого-либо анализа входного текста. Вместо этого при добавлении каждой новой строки символов просматривается уже существующая таблица строк. Сжатие происходит, когда код заменяет строку символов. Коды, генерируемые LZW-алгоритмом, могут быть любой длины, но они должны содержать больше бит, чем единичный символ. Первые 256 кодов (когда используются 8-битные символы) по умолчанию соответствуют стандартному набору символов. Остальные коды соответствуют обрабатываемым алгоритмом строкам. Простой метод может работать с 12-битными кодами. Значения кодов 0 - 255 соответствуют отдельным байтам, а коды 256 - 4095 соответствуют подстрокам.
Приведем пример LZW кодирования применительно к изображению. Так, если в изображении имеются наборы из розового, оранжевого и зелёного пикселей, повторяющиеся 50 раз, LZW выявляет это, присваивает данному набору отдельное число (например, 7) и затем сохраняет эти данные 50 раз в виде числа 7. Метод LZW, так же, как и RLE, лучше действует на участках однородных, свободных от шума цветов, он действует гораздо лучше, чем RLE, при сжатии произвольных графических данных, но процесс кодирования и распаковки происходит медленнее.
Кроме LZW-компрессии формат TIFF поддерживает следующие алгоритмы сжатия:
§ RLE;
§ LZ77;
§ ZIP;
§ JBIG;
§ JPEG;
§ CCITT Group 3, CCITT Group 4.
При этом JPEG является просто инкапсуляцией формата JPEG в формат TIFF. Формат TIFF позволяет хранить изображения, сжатые по стандарту JPEG, без потерь данных (JPEG-LS).
GIF
Первая версия формата GIF (Graphics Interchange Format, «Формат для обмена графической информацией») была разработана в 1987 г. специалистами компьютерной сети CompuServe. Этот формат сочетает в себе редкий набор достоинств, неоценимых при той роли, которую он играет в WWW. Сам по себе формат содержит уже достаточно хорошо упакованные графические данные.
Формат GIF использует для хранения изображений индексированную палитру, ограничивающую количество цветов 256 значениями. Размер палитры может быть и меньше. Если в изображении используется, скажем, 64 цвета (26), то для хранения каждого пикселя будет использовано ровно шесть бит и ни битом больше.
Поскольку GIF использует для сжатия LZW алгоритм, то степень сжатия графической информации сильно зависит от уровня ее повторяемости и предсказуемости, а иногда еще и от ориентации картинки. Так как LZW метод сканирует изображение по строкам, то, к примеру, плавный переход цветов (градиент), направленный сверху вниз, сожмется куда лучше, чем тех же размеров градиент, ориентированный слева направо, а последний – лучше, чем градиент по диагонали.
Изменив порядок следования данных в файле, создатели GIFa заставили картинку рисоваться не только сверху вниз, но и, если можно так выразиться, «с глубины к поверхности», – то есть становиться все четче и детальнее по мере подхода из сети новых данных.
Для этого файл с изображением тасуется при записи так, чтобы сначала шли все строки пикселей с номерами, кратными восьми (первый проход), затем четырем (второй проход), потом двум и, наконец, последний проход – все оставшиеся строки с нечетными номерами. Во время приема и декодирования такого файла каждый следующий проход заполняет «дыры» в предыдущих, постепенно приближая изображение к исходному состоянию. Поэтому такие изображения были названы чересстрочными (interlaced).
Другой полезной возможностью формата является использование прозрачности и поддержка анимационных изображений. Для создания анимации используется нескольких статичных кадров, а также информация о том, сколько времени каждый кадр должен быть показан на экране.
PNG
PNG (portable network graphics) - растровый формат хранения графической информации, использующий сжатие без потерь по алгоритму Deflate.
PNG поддерживает три основных типа растровых изображений:
§ Полутоновое изображение (с глубиной цвета 16 бит);
§ Цветное индексированное изображение (палитра 8 бит для цвета глубиной 24 бит);
§ Полноцветное изображение (с глубиной цвета 48 бит).
Формат PNG спроектирован для замены устаревшего и более простого формата GIF, а также, в некоторой степени, для замены значительно более сложного формата TIFF. Алгоритм сжатия Deflate является свободным в отличие от защищенного патентами и соответственно платного LZW, используемого в GIF. В отличии от LZW кодирования, которое позволяет эффективно сжимать горизонтальные одноцветные области, с Deflate сжатием можно забыть про эти ограничения.
В формате GIF один из цветов в палитре может быть объявлен «прозрачным». В этом случае в программах, которые поддерживают прозрачность GIF (например, большинство современных браузеров) сквозь пиксели, окрашенные «прозрачным» цветом будет виден фон. Однако создатели PNG пошли еще дальше, разработав технологию альфа-канала. Альфа-каналпозволяет добиться эффекта частичной прозрачности пикселей. Также, в PNG поддерживается гамма-коррекция. Гамма-коррекция - коррекция функции яркости в зависимости от характеристик устройства вывода. Повышение показателя гамма-коррекции позволяет повысить контрастность, разборчивость тёмных участков изображения, не делая при этом чрезмерно контрастными или яркими светлые детали снимка.
Кроме этого PNG формат имеет следующие преимущества перед GIF:
§ практически неограниченное количество цветов в изображении (GIF использует в лучшем случае 8-битный цвет);
§ двумерная чересстрочная развёртка;
§ возможность расширения формата пользовательскими блоками.
К недостатком формата, можно отнести, что PNG изначально был предназначен лишь для хранения одного изображения в одном файле. Поэтому данный формат не поддерживает анимацию. Для решения этой проблемы создана модификация формата APNG.
JPEG
JPEG (Joint Photographic Experts Group, по названию организации-разработчика) - один из популярных графических форматов, основанный на алгоритме сжатия JPEG и применяемый для хранения фотоизображений и подобных им изображений.
Алгоритм JPEG разработан группой экспертов из Международной организации по стандартизации (ISO) специально для сжатия полноцветных 24-битовых изображений.
Процесс сжатия по схеме JPEG состоит из нескольких шагов. На первом шаге производится преобразование изображения из цветовой модели RGB в модель YUV, основанной на характеристиках яркости и цветности.
В модели YUV, Y-компонента – светлота (яркость). Компоненты U и V содержат информацию о цвете.
На следующем после преобразования шаге изображение разделяется на квадратные участки размером 8х8 пикселей. После этого над каждым участком производится дискретное косинус-преобразование (ДКП). При этом выполняется анализ каждого блока, разложение его на составляющие цвета и подсчет частоты появления каждого цвета.
Если говорить научным языком, то JPG использует для сохранения ряды Фурье и при больших степенях сжатия просто отбрасывает члены ряда высшего порядка.
Можно сказать, что JPEG хранит скорость изменения цвета от пикселя к пикселю. Лишнюю с его точки зрения цветовую информацию он отбрасывает, усредняя некоторые значения. Чем выше уровень компрессии, тем больше данных отбрасывается и тем ниже качество
На следующем этапе изображение представляется строками чисел, которые можно сжимать дальше. Поскольку в результате предыдущей обработки строки содержат много нулей, последняя стадия кодирования выполняется по алгоритму Хаффмана, что дает хорошие результаты и позволяет получить файл в 10–500 раз меньше, чем ВМР.
В дополнении к стандарту JPEG, ориентированным прежде всего на сжатие с потерями, был разработан стандарт на сжатие без потерь — JPEG-LS (в котором, однако, предусмотрен также режим сжатия с ограниченными потерями).
Алгоритм сжатия, лежащий в основе JPEG-LS, использует адаптивное предсказание значения текущего пикселя по окружению, включающему уже закодированные пиксели.
К недостаткам сжатия по стандарту JPEG следует отнести появление на восстановленных изображениях при высоких степенях сжатия характерных артефактов (заметных искажений изображения).
Формат PDF (Portable Document Format) предложен фирмой Adobe как независимый от платформы формат, в котором могут быть сохранены и иллюстрации (векторные и растровые), и текст, причем со множеством шрифтов и гипертекстовых ссылок. Для достижения продекларированной в названии переносимости размер PDF-файла должен быть малым. Для этого используется компрессия (для каждого вида объектов применяется свой способ). Например, растровые изображения записываются в формате JPEG.
Для работы с этим форматом компания Adobe выпустила пакет Acrobat. Бесплатная утилита Acrobat Reader позволяет читать документы и распечатывать их на принтере, но не дает возможности создавать или изменять их. Acrobat Distiller переводит в этот формат PostScript-файлы. Многие программы (Adobe PageMaker, CorelDraw, FreeHand) позволяют экспортировать свои документы в PDF, а некоторые – еще и редактировать графику, записанную в этом формате. Обычно в этом формате хранят документы, предназначенные только для чтения, но не для редактирования. Файл в формате PDF содержит все необходимые шрифты. Это удобно и позволяет не передавать шрифты для вывода (передача шрифтов не вполне законна с точки зрения авторского права).
PostScript
Это язык описания страниц, предназначеный для формирования изображений произвольной сложности и вывода их на печать. Для этого в языке имеется широкий набор графических операторов, используемых в произвольной комбинации. Все графические операторы языка, формирующие изображение, можно разделить на три группы. Это:
· векторная графика, позволяющая рисовать прямые линии, дуги, кривые произвольного размера, ориентации, ширины, закрашивать площади любого размера, формы, цвета; цвет для линий или заливок может задаваться в любом из цветовых пространств языка; любой описанный на языке контур может быть границей клипирования изображения; контур клипирования задаёт границы рисуемого изображения;
· работа с текстом – для вывода текста произвольного размера в различных гарнитурах, размещая его с произвольной ориентацией в произвольном месте страницы; текст полностью интегрирован с графикой – все текстовые символы трактуются как графические фигуры и могут обрабатываться любым из графических операторов;
· растровые изображенияпозволяют выводить на листе сканированные рисунки или фотографии с масштабированием и ориентацией, источником растра может быть как текущий файл, содержащий программу на PostScriptе, так и внешний; считывание цветовых слоев может вестись как из одного файла, так и из нескольких сепарированных. Изображение, описываемое на языке PostScript, никак не зависит от разрешающей способности выходного устройства и его цветовой глубины (числа цветов). Приближение к конкретным разрешающим возможностям выходного устройства – это процесс, не связанный с описанием изображения на языке PostScript, и выполняется для каждого выходного устройства по-своему. В этом и заключается устройство-независимость языка PostScript. Качество изображения определяется конкретным выходным устройством, его физическими ограничениями.
Формирование изображения на выходном устройстве является двухступенчатым процессом:
1. Приложение генерирует устройство независимое изображение на языке PostScript.
2. Система обработки изображения (интерпретатор) интерпретирует изображение (программу) и приближает его к характеристикам конкретного выходного устройства.
Растровые алгоритмы
Большинство графических устройств являются растровыми, представляя изображение в виде прямоугольной матрицы (сетки, целочисленной решетки) пикселей (растра), и большинство графических библиотек содержат внутри себя достаточное количество простейших растровых алгоритмов. На рис. 4.1 приведена система растровых алгоритмов.
| Растровые алгоритмы |
| Алгоритмы обработки растровых изображений |
| Алгоритмы перевода графических примитивов в растровую форму |
| Алгоритмы заполнения областей и многоугольников |
| Регулировка яркости и контрастности |
| Масштабирование изображений |
| Геометрические преобразования |
| Алгоритмы фильтрации |
| Алгоритмы растеризации |
Рис. 4.1. Классификация растровых алгоритмов