Форматы цифровых изображений

Точность преобразования аналогового видео - сигнала в цифровой зависит от разницы между шагом уровней яркости и среднеквадратического шума на выходе камеры. ПЗС камеры со встроенным АЦП производят поток данных, который не требует дискретизации и оцифровки на компьютере. Такие камеры способны производить цифровые данные с разрядностью до 16 бит (65,536 уровней яркости) в продвинутых моделях. Основное преимущество такого большого графического диапазона в передовых камерах состоит в том, что уменьшается соотношение сигнал-шум в отображенном на дисплее 8-битном изображении, а также в более широком динамическом диапазоне, в котором сигналы могут оцифровываться.

5. Форматы файлов цифровых изображений

После получения цифрового  изображения, его необходимо сохранить  в одном из наиболее часто используемых форматов файлов. Давайте, прежде всего, подсчитаем, какое количество памяти нам потребуется хотя бы для запоминания снимка с низким разрешением 640 х 480, содержащим, как нетрудно подсчитать 307 200 пикселей. Если при этом использовалась модель цветопередачи трехбайтового (24 бит) режима true color, то изображению потребуется около 1 Мбайта памяти. Если же увеличить разрешение до величины 1024 х 768, то размер изображения увеличится уже до 2,5 Мбайт. Таким образом, размер файла изображения выступает своеобразным индикатором качества изображения. Для того чтобы уменьшить размеры файлов изображений и, следовательно, сделать более удобным процесс работы с ними широко применяются различные методы сжатия информации, которые не только позволяют сохранять в памяти фотоаппарата большее количество снимков, но значительно ускоряют процесс их загрузки и отображения на LCD- экране фотокамеры. Большинство цифровых камер позволяет регулировать размер файла, выбирая размер (формат) изображения (т.е. фотографий размером 640 х 480 разместится в памяти гораздо больше, чем снимков размером 1024 х 768).

   5.1Краткая характеристика распространенных форматов файлов изображений

• Формат JPG

Самый распространенный файловый формат – JPG (JPEG). Эта аббревиатура расшифровывается как Join Photographic Experts Group (Объединенная группа экспертов-фотографов) – организация, которая создала этот формат.

Файлы, содержащие данные JPEG, обычно имеют расширения .jpeg, .jfif, .jpg, .JPG, или .JPE. Однако из них .jpg самое популярное расширение на всех платформах. MIME - типом является image/jpeg.

Алгоритм JPEG в наибольшей степени пригоден для сжатия фотографий и картин, содержащих реалистичные сцены с плавными переходами яркости и цвета. Наибольшее распространение JPEG получил в цифровой фотографии и для хранения и передачи изображений с использованием сети Интернет. С другой стороны, JPEG малопригоден для сжатия чертежей, текстовой и знаковой графики, где резкий контраст между соседними пикселами приводит к появлению заметных артефактов. Такие изображения целесообразно сохранять в форматах без потерь, таких как TIFF, GIF, PNG или RAW.

JPEG (как и другие методы искажающего сжатия) не подходит для сжатия изображений при многоступенчатой обработке, так как искажения в изображения, будут вноситься каждый раз при сохранении промежуточных результатов обработки. JPEG не должен использоваться и в тех случаях, когда недопустимы даже минимальные потери, например, при сжатии астрономических или медицинских изображений. В таких случаях может быть рекомендован предусмотренный стандартом JPEG режим сжатия Lossless JPEG (который, к сожалению, не поддерживается большинством популярных кодеков) или стандарт сжатия JPEG-LS.

У формата JPG (JPEG) есть неоспоримые достоинства:

• его распространенность. Каждый персональный компьютер, принтер и любое программное обеспечение, которое мы видели (или о котором слышали), может распознавать, читать, редактировать и выводить на печать изображения в формате JPG (JPEG);
• фотографирование и сохранение в формате JPG (JPEG) занимает меньше времени, что сокращает время от кадра до кадра (то есть задержку перед тем, как камера опять готова начать съемку) и увеличивает скорость режима серийной съемки;
• файлы JPG (JPEG) могут быть сжаты, чтобы занимать мало места в фотоаппарате или компьютере, и их размещение и просмотр в Internet или в почте даже в несжатом виде не займет много времени.

Отрицательные стороны сжатия в jpg:

• При сжатии в формате JPG (JPEG) происходит удаление некоторых данных, чтобы уменьшить фото и размер файла. Когда файл открывается, программное обеспечение восстанавливает эти данные согласно, скорее, логике машины, а не человеческой эстетике. JPG (JPEG) способен сжать файл до двух процентов исходного размера, и это может привести к драматическим последствиям. Однако за экономию и эффективность надо всегда платить: чем больше сжатие, тем меньше файл, но чем больше данных удалено, тем хуже качество изображения.
• Одна из проблем сжатия JPG (JPEG) – кумулятивный эффект. В процессе съемки удаляются некоторые данные, когда вы откроете изображение в программе для редактирования и сохраните его заново как JPG (JPEG), то удалятся еще данные. Откройте файл и сохраните снова – и вы потеряете еще немного целостности изображения.
• Изображения, сохраненные в формате JPEG, не могут иметь прозрачных областей.

• Формат GIF

Цвет каждого пикселя  кодируется восьмью битами, поэтому  GIF-файл может содержать до 256 цветов. Цвета, которые используются в GIF-изображении, хранятся внутри самого файла в специальной таблице цветов, называемой индексированной палитрой.

Файлы GIF могут также содержать различные оттенки серого цвета. Существуют две основные версии формата GIF: GIF87 и GIF89a - они названы так по году стандартизации. Обе версии поддерживают способ представления графического файла с чередованием строк. Более поздний вариант GIF89a допускает задание одного цвета в качестве прозрачного.Прозрачность подразумевает, что один цвет изображения (обычно это цвет фона) может быть объявлен прозрачным. Это ведет к тому, что вместо фона изображения виден просвечивающий сквозь него фон самой Web-страницы. Благодаря этому изображение на странице выглядит более естественным. Чередование строк означает, что во время приема изображения из Интернета его детали прорисовываются постепенно. Эффект похож на то, что происходит, когда на нерезкую картинку постепенно наводят фокус. Благодаря чередованию строк пользователи с медленными модемами могут обычно еще в самом начале приема картинки оценить ее содержание и время, необходимое на полную передачу, и тем самым принять решение, стоит ли продолжать прием или можно от него отказаться.

GIF – файлы можно также использовать для создания на экране несложной анимации. Основным ограничением GIF-файлов является их неспособность хранить и демонстрировать неиндексированные изображения, подготовленные в режиме True Color (16,8 миллиона оттенков) или High Color (32-64 тысячи оттенков). Иными словами, GIF-изображения должны состоять из 256 или меньшего числа цветов. Сжатие файлов в формате GIF является сжатием без потерь. Это означает, что упаковка изображения никоим образом не сказывается на его качестве. При этом сжатие оказывается наиболее эффективным в тех случаях, когда в составе изображения имеются большие области однородной окраски с четко очерченными границами. И наоборот, сжатие по алгоритму GIF крайне неэффективно при наличии областей с градиентной окраской или случайным распределением цветовых оттенков, что имеет место при использовании различных методов настройки растра или сглаживания краев области изображения.

• Формат PNG

Формат PNG спроектирован для замены устаревшего и более простого формата GIF, а также, в некоторой степени, для замены значительно более сложного формата TIFF. Формат PNG позиционируется прежде всего для использования в Интернете и редактирования графики.

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 хранит графическую информацию в сжатом виде. Причём это сжатие производится без потерь, в отличие, например, от JPEG с потерями.

Он имеет следующие  основные преимущества перед GIF:

• практически неограниченное количество цветов в изображении (GIF использует в лучшем случае 8-битный цвет);
• опциональная поддержка альфа-канала;
• возможность гамма-коррекции;
• двумерная чересстрочная развёртка;
• возможность расширения формата пользовательскими блоками (на этом основан, в частности, APNG).

Формат GIF был разработан фирмой CompuServe в 1987 году и не доступен изначально для свободного использования. Некоторое время назад, до окончания в 2004 году действия патентов на алгоритм сжатия LZW, принадлежавших Unisys и используемых в GIF, его применение в свободном программном обеспечении было затруднено. На данный момент такие затруднения сняты. PNG же с самого начала использует открытый, не запатентованный алгоритм сжатия Deflate, бесплатные реализации которого доступны в Интернете. Этот же алгоритм используют многие программы компрессии данных, в том числе PKZIP и gzip (GNU zip). Формат PNG обладает более высокой степенью сжатия для файлов с большим количеством цветов, чем GIF, но разница составляет около 5-25 %, что недостаточно для абсолютного преобладания формата, так как небольшие 2-16-цветные файлы формат GIF сжимает с не меньшей эффективностью.

PNG является хорошим форматом для редактирования изображений, даже для хранения промежуточных стадий редактирования, так как восстановление и пересохранения изображения проходят без потерь в качестве. Также, в отличие, например, от TIFF, спецификация PNG не позволяет авторам реализаций выбирать, какие возможности они собираются реализовать. Поэтому любое сохранённое изображение PNG может быть прочитано в любом другом приложении, поддерживающем PNG.

• Формат TIFF

Формат TIFF (Tagged Image File Format — формат файлов изображений, снабженных тегами) является одним из наиболее широко распространенных форматов, используемых при подготовке графики. Этот формат является фактически стандартом для подготовки изображений в полиграфии. Файлы этого формата обычно имеют расширение TIF или TIFF.

TIFF является одним из  наиболее сложных по своей  внутренней структуре форматов. Файлы TIFF начинаются с заголовка  файла изображения (IFH — Image File Header), имеющего длину 8 байтов. Заголовок файла содержит блок, называемый каталогом файла изображения (IFD — Image File, Directory). Этот блок позволяет графическим программам определить внутреннюю структуру файла.

ПРИМЕЧАНИЕ. Файл формата TIFF обычно начинается с символов «II*». Это можно использовать для простого определения формата файла, имеющего нестандартное расширение.

При помощи IFD из файла можно  выделить теги — блоки данных, содержащие информацию о размерах изображения, его цветовой модели, размере палитры (числе используемых цветов), сжатии данных и т. д. Само изображение также  содержится в отдельном теге. Всего  определено несколько десятков таких  блоков. Так как весь TIFF-файл состоит  из тегов, этот формат легко поддается  модернизации и расширению. В самом деле, для введения дополнительных возможностей достаточно определить новый тег. Однако в этом кроется и источник возможных ошибок — если программа не сможет определить значение тега, введенного кем-либо из производителей аналогичного программного обеспечения, файл может быть открыт неправильно или его вовсе не удастся прочитать. В файле формата TIFF изображение может храниться в цветовых моделях CMYK, RGB, Lab в режиме индексированных цветов, а также в виде оттенков серого (grayscale). Это позволяет использовать формат для хранения самых разных изображений, применяемых как для подготовки web-графики, так и в полиграфии. Кроме цветовой модели, сохраняется и разрешение, с которым следует выводить изображение на печать. Задав высокое разрешение, можно получить качественные распечатки, если, конечно, принтер поддерживает печать с заданными параметрами. Максимальное число битов, которыми описывается один пиксел изображения в формате TIFF, составляет 24. Это позволяет закодировать до 16 777 216 цветов.

Кроме изображения, в TIFF-файле  могут сохраняться каналы прозрачности (alpha-каналы), позволяющие сохранять прозрачные области изображения или выделения объектов между сеансами работы. Если вы работаете в PhotoShop, то вы можете сохранить в формате TIFF файл, содержащий слои, но другие программы смогут прочесть такой файл только как единое изображение. Для указания на необходимость сохранения слоев установите флажок Layers (Слои) в диалоге выбора имени сохраняемого файла (этот флажок доступен только при сохранении в расширенном варианте стандарта — Enhanced TIFF (Расширенный TIFF)).Еще одна особенность формата TIFF — возможность сохранения нескольких изображений, имеющих собственные наборы атрибутов и свойств (тегов) в одном файле. Это делает TIFF похожим на формат GIF, но без возможности создания анимированных изображений.

Важное свойство формата TIFF — использование сжатия данных. Такое сжатие не является обязательным и может быть включено или выключено  пользователем. В большинстве случаев  используется алгоритм сжатия LZW (метод  Лемпела-Зива-Уолша, сжатие без потерь информации), но может применяться и сжатие с потерями (например алгоритм JPEG). Сжатие данных позволяет существенно снизить размер файла. Особенно сильно это проявляется на изображениях, содержащих большие однотонные пространства, например, на отсканированных текстах и схемах.

Однако сжатие данных можно  применять далеко не всегда. Дело в  том, что алгоритм LZW защищен патентом, и фирмы-разработчики вынуждены  оплачивать его использование в  своих программах. Поэтому далеко не все программы могут сохранять  файлы со сжатием и правильно  читать их. Если вы отправляете кому-либо файлы в формате TIFF, то лучше воспользуйтесь какой-либо программой-архиватором (например, WinRAR или WinZip). Это уменьшит вероятность того, что ваши файлы не смогут быть открыты получателем.

Формат TIFF широко распространен  не только на платформе IBM PC, но и на Apple Macintosh (собственно, Macintosh — «родина» формата TIFF). Многие графические редакторы (разумеется, и Adobe PhotoShop) поддерживают сохранение и чтение файлов в режимах IBM PC и Apple.

То, что TIFF «прижился» и на IBM PC, и на Apple, позволяет использовать его для передачи изображений с одной аппаратной платформы на другую без потери их свойств, атрибутов и, разумеется, содержания. Также этот формат можно использовать для передачи данных между различными приложениями, «не понимающими» форматы друг друга, но «знающими» TIFF. При такой передаче будут сохранены многие атрибуты изображения, теряющиеся, например, при передаче данных через буфер обмена Windows.

Для сохранения цветов изображения  при передаче с одного компьютера на другой (из-за различий в составе  аппаратного обеспечения и его  настроек цвета могут отображаться иначе) в состав файла может быть включен цветовой профиль ICC.