Форматы цифрового изображения

     Цифровое  изображение должно иметь разрядность  как минимум от 8-10 бит, что бы переходы между уровнями не были заметны при  добавлении контрастности во время  обработки. На рисунке 6 показан эффект изменения количества уровней яркости  на черно-белом изображении блохи, снятой при помощи оптического микроскопа. Образец изображен в различных  уровнях разрядности, от 6 бит (рисунок 3(а)), до 1 бита (рисунок 3(f)) с несколькими промежуточными значениями. С уменьшением разрядности (ниже 5 бит), изображение теряет значительное количество деталей, и многие участки образца подвергаются  явлению, которое называется оконтуривание или огрубление. Огрубление становится видным сначала на фоновых участках (см. рисунок 3(с)), где уровни яркости меняются незначительно. Это говорит о недостаточной битовой разрядности. При наименьших уровнях разрядности (1 бит и 2 бит, рисунок 3(е) и 3(f)) теряется значительная часть деталей изображения. Для абсолютного большинства типичных приложений, таких как отображение изображений на экране компьютера или через веб-браузер, 6 или 7 бит достаточно для удобного просмотра.

     В  конечном счете, количество пикселей и уровней яркости, необходимых для адекватного отображения картинки, зависит от физических свойств исходной сцены (или образца под микроскопом). Многие изображения с малой контрастностью и высоким разрешением требуют достаточно большого количества пикселей и уровней яркости, тогда как другие высококонтрастные с низким разрешением (линейная графика) изображения могут быть адекватно отображены с меньшим количеством пикселей и диапазоном уровней яркости.

     В компьютерной графике существует компромисс между контрастностью, разрешением, битовой разрядностью и скоростью  обработки изображений. Для обработки  «тяжелого» изображения необходима высокая мощность компьютера. Однако, сегодня любой современный компьютер  может быстро обрабатывать цифровые изображения наиболее распространенных размеров (от 640 x 480 до 1280 x 1024). Изображения  больших размеров, а также содержащие несколько слоев (такие как Photoshop Document - PSD), могут уменьшать производительность, но все же обрабатываются с приемлемой скоростью на большинстве персональных компьютеров. На рисунке 3 изображен внешний вид изображения в зависимости от битовой разрядности.

     Рис.3 Внешний вид изображения в  зависимости от битовой разрядности

     Усовершенствованные цифровые камеры с ПЗС и КМОП датчиками  изображений поддерживают 10-бит (или  даже 12-бит в самых продвинутых  моделях) разрядность, что позволяет  отображать картинку с более широким  графическим диапазоном, чем возможно в 8-битных изображениях. Это происходит из-за того, что соответствующее  программное обеспечение может  воспроизвести необходимые оттенки  серого из более широкой палитры (1,024 или 4,096 оттенков) для отображения  на мониторе компьютера, который обычно отображает только 256 оттенков серого. Для сравнения, 8-битное цифровое изображение, снятое обычной цифровой камерой, ограничено 256 уровнями яркости. При увеличении во время обработки изображения, программное обеспечение может  выбирать наиболее точные уровни, что  бы передать увеличенное изображение  без различий от оригинала. Это особенно важно при рассмотрении затемненных  участков в 10-битном разрешении, когда программа сможет отобразить едва заметные детали, которые не будут видны в 8-битном изображении.

     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 (на рисунке 4 изображены наглядные примеры). 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).

1. Краткая 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 пересохранение 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.