Графические форматы, используемые в компьютерном

Графические форматы, используемые в компьютерном
представлении
Введение
Существует множество форматов, сохраняющих изображения (как
статические, так и анимационные). За 25 лет существования
различных типов графических файлов одни эволюционировали,
другие исчезали и заменялись другими форматами.
Почему же не существует единого, универсального формата
изображений? Потому что в различных ситуациях применяются
разные типы. Например, в тех областях, где необходимо высокое
качество изображения (полиграфия, фотодело) используются
форматы, дающие максимально высокое разрешение чёткости и
цвета (например, форматы TIFF и BMP). В интернете же часто
нецелесообразно использовать очень большие по размеру файла
изображения, поэтому там применяются форматы, где использовано
сжатие файла, с некоторым ухудшением качества картинки
(форматы JPEG, GIF). Можно привести пример: картинку в формате
BMP, нарисованную графическим редактором PAINT, можно
преобразовать в формат JPEG так, что его файл уменьшится в 100 и
даже более раз, причём качество картинки может снизится
незначительно.
Типы графических файлов
Растровые форматы:
BMP, GIF, ICO (Windows Icon), ILBM, JPEG, PCX, PNG, PSD, TGA,
TIFF, WMP
Векторные форматы:
Scalable Vector Graphics (SVG и SVGZ)
Encapsulated PostScript (EPS)
Метафайлы Windows: WMF, EMF
Файлы CorelDraw: CDR, CMX
Комплексные форматы
DjVu
PDF
Формат BMP
BMP (Bitmap — русск. битовая карта) — формат хранения
растровых изображений. Изначально формат мог хранить только
аппаратно-зависимые растры (англ. DDP — Device Dependent
Bitmap), но с развитием технологий отображения графических
данных формат BMP стал преимущественно хранить аппаратнонезависимые растры (англ. DIB — Device Independent Bitmap).
С форматом BMP работает огромное количество программ, так как
его поддержка интегрирована в операционные системы Windows и
OS/2. Файлы формата BMP могут иметь расширения .bmp, .dib и .rle.
Кроме того, данные этого формата включаются в двоичные файлы
ресурсов RES и в PE-файлы.
Глубина цвета в данном формате может быть от 1 до 48 бит на
пиксель, максимальные габариты изображения 65535×65535
пикселей. В формате BMP есть поддержка сжатия по алгоритму
RLE, но, несмотря на это, из-за большого объёма он редко
используется в Интернете.
GIF (англ. Graphics Interchange Format — формат для обмена
изображениями; произносится /dʒɪf/, но многие произносят /gɪf/ или
«гиф»[1]) — формат хранения графических изображений. Формат
GIF способен хранить сжатые без потерь изображения в формате до
256 цветов с палитрой, и предназначен, в основном, для чертежей,
графиков и т. д. Этот формат можно использовать и для
анимированных изображений (GIF-анимация).
Независящий от аппаратного обеспечения формат GIF был
разработан в 1987 году (GIF87a) фирмой CompuServe для передачи
растровых изображений по сетям. В 1989-м формат был
модифицирован (GIF89a), были добавлены поддержка прозрачности
и анимации. GIF использует LZW-компрессию, что позволяет
неплохо сжимать файлы, в которых много однородных заливок
(логотипы, надписи, схемы).
GIF широко используется на страницах Всемирной Паутины.
Область применения
Изображение в формате GIF хранится построчно, поддерживается
только формат с индексированой палитрой цветов. Стандарт
разрабатывался для поддержи 256-цветовой палитры.
Недокументированной, но поддерживаемой возможностью является
сохранение большего количества цветов с помощью
анимированного GIF с нулевой задержкой между кадрами. При этом
каждый кадр содержит свою палитру.
Один из цветов в палитре может быть объявлен «прозрачным». В
этом случае в программах, которые поддерживают прозрачность GIF
(например, большинство современных браузеров) сквозь пиксели,
окрашеные «прозрачным» цветом будет виден фон.
«Полупрозрачность» пикселей (технология альфа-канала) не
поддерживается.
Сжатие
GIF использует формат сжатия LZW. Таким образом, хорошо
сжимаются изображения, строки которых имеют повторяющиеся
участки. Например, изображения в которых много пикселей одного
цвета по горизонтали.
Алгоритм сжатия LZW относится к форматам сжатия без потерь.
Это означает, что восстановленные из GIF данные будут в точности
соответствовать упакованным. Следует отметить, что это верно
только для 8-битных изображений с палитрой, для цветной
фотографии потери будут обусловлены переводом её к 256 цветам.
Кроме того, в программе Adobe Photoshop появилась
дополнительная возможность сохранять в GIF формат с потерями,
которые проявляются как стохастический шум на картинке,
сокращая при этом объем файла.
Метод сжатия LZW (Lempel-Ziv-Welch) разработан в 1978 году
израильтянами Лемпелом и Зивом и доработан позднее в США.
Сжимает данные путем поиска одинаковых последовательностей
(они называются фразы) во всем файле. Выявленные
последовательности сохраняются в таблице, им присваиваются
более короткие маркеры (ключи). Так, если в изображении имеются
наборы из розового, оранжевого и зеленого пикселов,
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.
История
Существует две спецификации формата GIF — GIF 87a и GIF 89a.
Первая спецификация была создана в 1987 году компанией
CompuServe для замены устаревшего формата RLE. GIF стал
популярен в ходе развития интернета, так как позволял использовать
более компактные (по размеру файла) по сравнению с другими
форматами картинки на веб-страницах. Хотя к настоящему времени
формат во многом устарел, и для его замены создан формат PNG, он
по прежнему широко используется.
JPEG-формат
JPEG (произносится «джэйпе́г», англ. Joint Photographic Experts
Group — русск. Объединённая группа экспертов в области
фотографии) — является широкоиспользуемым методом сжатия
фотоизображений. Формат файла, который содержит сжатые данные
обычно также называют именем JPEG; наиболее распространённые
расширения для таких файлов .jpeg, .jfif, .jpg, .JPG, или .JPE. Однако
из них .jpg самое популярное расширение на всех платформах.
Алгоритм JPEG является алгоритмом сжатия с потерей качества.
Область применения
Формат является форматом сжатия с потерями, поэтому
некорректно считать что JPEG хранит данные как 8 бит на канал (24
бит на пиксель). С другой стороны, так как данные, подвергающиеся
компресии по формату JPEG и декомпрессированые данные обычно
представляются в формате 8 бит на канал, иногда используется эта
терминология. Поддерживается также сжатие черно-белых
полутоновых изображений.
При сохранении JPEG-файла можно указать степень сжатия,
которую обычно задают в некоторых условных единицах, например,
от 1 до 100 или от 1 до 10. Большее число соответствует лучшему
качеству, но при этом увеличивается размер файла. Обыкновенно,
разница в качестве между 90 и 100 на глаз уже практически не
воспринимается. Следует помнить, что побитно восстановленное
изображение всегда отличается от оригинала. Распространённым
заблуждением является мнение о том, что качество JPEG
тождественно доле сохраняемой информации.
К недостаткам формата следует отнести то, что при сильных
степенях сжатия дает знать о себе блочная структура данных,
изображение «дробится на квадратики». Этот эффект особенно
заметен на областях с низкой пространственной частотой (плавные
переходы изображения, например, чистое небо). В областях с
высокой пространственной частотой (например, контрастные
границы изображения), возникают характерные «артефакты» —
иррегулярная структура пикселей искаженного цвета и/или яркости.
Кроме того, из изображения пропадают мелкие цветные детали.
Однако, несмотря на недостатки, JPEG получил очень широкое
распространение из-за высокой степени сжатия, относительно
существующих во время его появления альтернатив.
TIFF-формат
TIFF (англ. Tagged Image File Format) — формат хранения растровых
графических изображений. Изначально был разработан компанией
Aldus в сотрудничестве с Microsoft, для использования с PostScript.
TIFF стал популярным форматом для хранения изображений с
большой глубиной цвета, используется при сканировании, отправке
факсов, распознавании текста, в полиграфии, широко
поддерживается графическими приложениями. TIFF был выбран в
качестве основного графического формата операционной системы
NeXTstep, и из неё поддержка этого формата перешла в Mac OS X.
Владелец спецификаций Aldus впоследствии объединилась с Adobe,
владеющей в настоящее время правом на использование формата.
Файлы формата TIFF, как правило, имеют расширение .tiff или .tif.
PNG-формат
PNG (англ. portable network graphics, сокращение произносится поанглийски /pɪŋ/[1]) — растровый формат хранения графической
информации, использующий сжатие без потерь. PNG был создан как
для улучшения, так и для замены формата GIF графическим
форматом, не требующим лицензии для использования.
Обычно файлы формата PNG имеют расширение PNG или png и
используют обозначение MIME-типа image/png.
История формата
Днём рождения PNG можно считать 4 января 1995 г., когда Т.
Боутелл предложил в ряде конференций Usenet создать свободный
формат, который был бы не хуже GIF. И уже через три недели после
публикации идеи были разработаны четыре версии нового формата.
Вначале он имел название PBF (Portable Bitmap Format), а нынешнее
имя получил 23 января 1995 г. Уже в декабре того же года
спецификация PNG версии 0.92 была рассмотрена консорциумом
W3C, а с выходом 1 октября 1996 г. версии 1.0 PNG был
рекомендован в качестве полноправного сетевого формата.
[править] Область применения
Формат PNG хранит графическую информацию в сжатом виде.
Причём это сжатие производится без потерь, в отличие, например,
от JPEG.
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 сети Интернет и
редактирования графики.
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.
Патент на формат GIF принадлежит фирме CompuServe,[источник?]
что ограничивает возможности его использования в свободном
программном обеспечении. К тому же в основе сжатия,
применяемого к графическим файлам при сохранении их в формате
GIF, лежит алгоритм сжатия LZW, патент на который принадлежал
компании Unisys (до истечения его срока действия в 2003). PNG же
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.
Различные реализации алгоритма Deflate дают разную степень
сжатия, поэтому были созданы программы для пережатия
изображений с несколькими вариантами настроек в целях получения
наилучшего сжатия — например, форк pngcrush OptiPNG и advpng
из комплекта AdvanceCOMP (использует 7-Zip).