Цифровые форматы изображений

Известно, что экран компьютера состоит из точек, поэтому любое изображение, которое появляется на экране компьютера, состоит из точек. Независимо от того, в каком формате хранится файл изображения, на экране компьютера он всегда представляется в виде матрицы точек разного цвета. То есть изображение на экране компьютера всегда имеет растровый характер. Деление изображений на векторные и растровые определяется форматом хранения изображения и алгоритмом его ото­бражения на экране.

Векторные форматы

В векторном формате файл хранит не само изображение, а его описание, то есть этот файл не содержит массива точек.

Пример. Если мы нарисуем в векторном графическом редакторе эллипс и сохра­ним данный рисунок в файле, то в файл запишутся данные о том, какая фигура нарисована (эллипс), где находится ее центр, каковы ее размеры, толщина и цвет линии, толщина и цвет заливки и другая информация, позволяющая однозначно воспроизвести эту картинку в любое время.

Хранить рисунки в векторных форматах очень удобно: векторные форматы очень экономны с точки зрения сохранения в файле и передачи через сетевые со-

Глава 18. Средства мультимедиа

единения сравнительно простых рисунков и чертежей (векторных примитивов). В случае, когда в векторный формат переводится сложный рисунок (например, фотография пейзажа с максимальным приближением изображения к реалистично­му), то размер векторного файла может быть даже больше, чем размер растрового. У векторной графики есть одно серьезное преимущество, которое делает этот формат идеальным для хранения чертежей и схем: на качество отображения ни­как не влияет масштаб отображения рисунка. Если вы увеличите или уменьшите векторный рисунок в 10 раз и затем сохраните в файле, то после открытия файла вы получите изображение того же качества, что и исходное. Это выгодно отличает векторную графику от растровой, для которой аналогичная последовательность операций (уменьшение в 10 раз, сохранение, открытие, увеличение в 10 раз) при­ведет к необратимой потере качества изображения.

Растровые форматы

Растровая графика используется во многих областях повседневной деятель­ности при переводе сложных массивов данных в графическое представление. Растровые форматы изображений хранят в себе каждую точку изображения в том масштабе, в котором изображение было зафиксировано (сфотографировано, отска­нировано, создано в растровом графическом редакторе). Хранение каждой точки изображения имеет определенные плюсы: если снимать фотографию при очень больших разрешении и размере изображения, то можно получить высокое качество и широкие возможности в отношении правки такого изображения.

Растровые изображения крайне важны, но они требуют много места. Поскольку современные дисплеи передают множество цветовых оттенков, каждый пиксел при­нято интерпретировать в виде 24-битного числа, в котором компоненты красного, зеленого и голубого цветов занимают по 8 бит каждый. Такой 24-битный пиксел может отображать 224, или примерно 16,78 миллиона цветов. Так, изображение с разрешением 512 х 512 пикселов будет занимать 786 432 байт, а изображению размером 1024 х Ю24 пикселов потребуется 3 145 728 байт.

Преимуществом же растровых файлов является точность отображения и воз­можность попиксельного манипулирования для создания различных визуальных эффектов, от простейших (повышение резкости или нанесение дымки) до весьма замысловатых, например, создание псевдообъемного изображения из плоской фотографии.

Сжатие изображений

О сжатии векторных форматов мы уже говорили: практически все файлы векторных программ представляют собой набор текстовых примитивов, сжатый архиватором zip. Даже если применить к этим файлам самые современные и эф­фективные способы сжатия, можно добиться выигрыша процентов 10, но при этом значительно (особенно для больших файлов) увеличить время открытия и сохранения.

Текст можно сжимать за счет того, что способ кодирования текста изначально избыточен. Устраняя эту избыточность, можно закодировать ту же самую инфор-

Изображения 537

мацию в меньшем количестве данных. Изображение для компьютера не обладает избыточностью: каждый пиксел находится на своем месте и имеет свой код.

Хотя компьютер не может распознать в изображении избыточность, зато можно создать алгоритмы, позволяющие распознавать и выделять в изображении инфор­мацию менее важную и плохо воспринимаемую при его рассмотрении человеком.

При сжатии с потерями происходит сжатие путем удаления несущественной информации. Изображение можно сжать с потерями, удалив несущественную информацию, даже если в нем нет избыточности.

Не все изображения сжимаются одинаково хорошо любыми методами. Рассмо­трим несколько типов изображений.

□ Двухуровневое, или монохроматическое, изображение. В этом случае все пикселы
могут иметь только два значения, которые обычно называют черным (двоичная
единица, или основной цвет) и белым (двоичный нуль, или цвет фона).

□ Полутоновое изображение. Каждый пиксел такого изображения может иметь 2п
значений от 0 до 2п - 1, обозначающих одну из 2п градаций серого (или иного)
цвета.

□ Цветное изображение. Существует несколько методов задания цвета, но в каж­
дом из них участвуют три параметра. Следовательно, цветной пиксел состоит
из трех частей (обычно из трех байтов). Типичными цветовыми моделями яв­
ляются RGB, HLS и CMYK.

□ Изображение с непрерывным тоном. Этот тип изображений может иметь много
схожих цветов (или полутонов). Когда соседние пикселы отличаются всего
на единицу, глазу практически невозможно различить их цвета. Обычно они
получаются при съемке на цифровую фотокамеру или при сканировании фото­
графий или рисунков.

□ Дискретно-тоновое, или синтетическое, изображение. Обычно это изображение
получают искусственным путем. В нем может быть всего несколько или много
цветов, но как правило, в нем нет шумов и пятен, характерных для естествен­
ного изображения. Примерами таких изображений могут служить фотографии
искусственных объектов, машин, механизмов, страницы текста, карты, рисунки
или изображения на дисплее компьютера.

□ Изображения, подобные моментальным снимкам мультфильма. Это цветные
изображения, в которых присутствуют большие области одного цвета. При этом
соприкасающиеся области могут весьма различаться по своему цвету. Данное
свойство можно использовать для лучшего сжатия.

Каждому типу изображений присуща определенная избыточность, но все они избыточны по-разному. Поэтому трудно создать метод, позволяющий одинаково хорошо сжимать любые типы изображений. Существуют разные методы для сжа­тия двухуровневых, непрерывно-тоновых и дискретно-тоновых изображений.

Изображения, сжатые различными способами, затем сохраняют в файлах раз­личных форматов (отличающихся, как правило, расширениями).

538 Глава 18. Средства мультимедиа

Поскольку способ организации мультимедийной информации непосредственно связан со способом ее сжатия с целью хранения или передачи, методы сжатия также часто называют форматами.

Формат JPEG

Формат сжатия изображений JPEG (Joint Photographic Experts Group) является сегодня наиболее распространенным, причем его популярность настолько высо­ка, что его часто применяют для сжатия изображений, совершенно для этого не предназначенных (например, изображений, где большие площади занимает один цвет); результат обычно бывает неудовлетворительным. Изображения, сжатые таким методом, обычно хранятся в файлах с расширением.jpg. Свойства формата JPEG:

□ высокий коэффициент сжатия;

□ большое число параметров настройки сжатия;

□ хорошие результаты для любых типов непрерывно-тоновых изображений;

□ достаточно эффективен и не слишком сложен;

□ несколько режимов сжатия, между которыми можно выбирать.

Форматы GIF, PNG и TIF

На рис. 18.11 представлено изображение в разных форматах сжатия. Из срав­нения этих изображений становится ясно, почему сжатие в формате JPEG так хорошо подходящее к фотографиям (причем чем больше там деталей, тем лучше оно работает), не годится при сжатии изображений с большими однотонными участками.

JPG PNG GIF T1F

Рис. 18.1 1. Разные форматы сжатия

Из-за своего внутреннего алгоритма JPEG допускает ошибки при кодировании ровного цвета. Не лишен погрешности и формат TIF, который при сохранении изо­бражения со сжатием искажает фон. А вот форматы GIF и PNG, будучи примерно в два раза менее эффективными в отношении сжатия, чем JPEG, оказываются идеальными для такого рода изображений. По этой причине при оформлении дизайна веб-сайтов в основном используют форматы GIF и PNG, для хранения и пересылки фотографий — формат JPEG, а для хранения рисунков высокой точ­ности воспроизведения — формат TIF (но без сжатия).

Изображения 539

18.3.3. Получение изображений

Для получения изображений есть несколько способов.

Первый способ — можно создать изображение вручную в специальной ком­пьютерной программе, графическом редакторе. Если мы говорим о векторных форматах, то таким образом получают подавляющее большинство векторных изображений — они рисуются от руки, с использованием мыши или специальных приспособлений, позволяющих рисовать на экране компьютера привычным для нас способом, к примеру, это может быть графический планшет в комплекте со специальным пером. Сегодня уже не редкость графические планшеты, которые Ьдновременно являются экранами — на них можно рисовать так же, как на листе бумаги. Векторные изображения обычно получают, растягивая графические прими­тивы и линии по экрану. Растровые изображения рисуют так же, как мы привыкли это делать — при помощи пера или карандаша.

Второй способ — сканирование. Сканер переводит изображение документа в цифровую форму с высоким разрешением. Сканированные документы всегда представляют собой растровее изображения большого размера.

Третий способ — получение изображений с цифровых фотоаппаратов или ви­деокамер.

Четвертый способ — получение векторных изображений из растровых с помо­щью специальных программ распознавания контуров и фоновой заливки.