Лабораторная работа №2 «Сравнение наиболее используемых форматов растровых изображений» Цель работы: получение навыков работы с растровыми изображениями, изучение основных способов сжатия изображений. Программное обеспечение для выполнения лабораторных работ: 1. Adobe Photoshop 2. GIMP 3. Paint.NET Краткая теория Растровое изображение – изображение, представляющее собой сетку пикселей или цветных точек (обычно прямоугольную) на компьютерном мониторе, бумаге и других отображающих устройствах и материалах (растр). Важными характеристиками растрового изображения являются: • количество пикселей – может указываться отдельно количество пикселей по ширине и высоте (1024×768, 640×480 и т.п.) или же общее количество пикселей (0.8 Мп, 5.2 Мп и т.п.); • глубина цвета – объем памяти в битах, используемых для хранения и представления цвета при кодировании одного пикселя растровой графики или видеоизображения, зависит от количества используемых цветов N = 2k, где N – количество цветов, k – глубина цвета; • цветовое пространство (цветовая модель, палитра) – характеристика изображения, описывающая его представление на основе цветовых каналов: RGB, CMYK, XYZ, YCbCr и др.; • разрешение – количество пикселей на единицу размера растра (дюйм, сантиметр, миллиметр и т.п.), рекомендуемом размере изображения. справочная величина, говорящая о Достоинства и недостатки растровой графики Достоинства: − Возможность воспроизведения изображений любого уровня сложности, в отличие, от векторной, где невозможно точно передать эффект перехода от одного цвета к другому без потерь в размере файла. − Распространенность - растровая графика используется практически повсеместно. − Высокая скорость обработки сложных изображений, если не нужно масштабирование. − Растровое представление изображения естественно для большинства устройств ввода-вывода графической информации, таких как мониторы, матричные и струйные принтеры, сканеры, цифровые фотоаппараты. Недостатки: − Большой размер файлов с простыми изображениями. − Невозможность идеального масштабирования. Виды сжатия информации в растровой графике Растровые изображения на цифровых носителях могут храниться в сжатом виде и несжатом видах. Сжатие может быть двух типов: без потерь и с потерями. Сжатие данных без потерь – это метод сжатия данных: видео, аудио, графики, документов представленных в цифровом виде, при использовании которого сжатые данные могут быть восстановлены в оригинал с точностью до бита. Для каждого из типов цифровой информации, существуют оптимизированные алгоритмы сжатия без потерь. Сжатие без свои потерь используется, когда важна идентичность сжатых данных оригиналу. Сжатие данных с потерями – это метод сжатия данных, при использовании которого сжатые и затем распакованные данные отличаются от исходных, но степень отличия не является существенной с точки зрения их дальнейшего использования. Этот тип компрессии часто применяется для сжатия аудио-, видео- и графических данных. Достоинства сжатия с потерями: − алгоритмы сжатия с потерями существенно превосходят по степени сжатия, алгоритмы без потерь, при этом продолжая удовлетворять требованию искажения данных в пределах, допустимых для чувствительности человеческих органов; Достоинства сжатия без потерь: − всегда можно восстановить сжатое изображение в исходное с точностью «бит в бит». Методы сжатия с потерями чаще всего используются для сжатия аналоговых данных: звука и изображений. Они основаны на особенностях восприятия информации человеческими органами чувств. В случае применения алгоритмов с потерями распакованный файл может очень сильно отличаться от оригинала на уровне сравнения «бит в бит», но практически неотличим для человеческого уха или глаза в большинстве практических применений. Недостатки, полученные в результате сжатия с потерями, которые заметны для человеческого уха или глаза, называются артефактами сжатия. Форматы растровой графики Рассмотрим основные форматы растровой графики, актуальные на данный момент. RAW – является форматом цифровой фотографии, содержащей необработанные данные, полученные с фотоматрицы. В RAW - файлах содержится полная информация о хранимом сигнале, не имеющая чёткой спецификации (стандарта). RAW хранит отпечатки в красном, зеленом и синем цветах которые остаются на матрице фотоаппарата в момент съемки. Кроме этих отпечатком в RAW - файле хранятся и некоторые другие данные, которые в подобном случае носят скорее справочный конвертеру с какой интенсивностью характер, диктующие RAW - отразить на экране каждый из цветных каналов для разных пикселей – это баланс белого, цветовое пространство и т.д. Изменение этих параметров никак не отразится на исходной информации, вы можете их безболезненно изменить и в любой момент вернуться к первоначальному виду. С полученным в результате экспорта другим растровым форматом работать будет уже гораздо проблематичнее. Расширения у файлов в формате RAW могут быть разные (.cr2, .crw, .nef и т.д.) в зависимости от марки фотоаппарата – у каждого производителя камер свой способ хранения информации. Для данного формата не существует единого стандарта, что создает определенные неудобства при работе с ним. Недостатками формата являются большой размер файла и отсутствие единого стандарта формирования RAW - файлов для всех производителей фототехники. BMP (Bitmap Picture) — формат хранения растровых изображений, разработанный компанией Microsoft. 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 (исполняемые файлы). Компания Microsoft так же разработала для своих нужд форматы ICO и CUR, которые имеют похожую на BMP структуру. Глубина цвета в данном формате может быть 1, 2, 4, 8, 16, 24, 32, 48 бит на пиксель, но глубина 2 бита на пиксель официально не поддерживается. При этом для глубины цвета меньше 16 бит используется палитра с полноцветными компонентами глубиной 24 бита. В формате BMP изображения могут храниться как есть или же с применением некоторых распространённых алгоритмов сжатия. В частности, формат BMP поддерживает RLE-сжатие без потери качества, а современные операционные системы и программное обеспечение позволяют использовать JPEG и PNG (эти форматы встраиваются в BMP как в контейнер). GIF (Graphics Interchange Format — формат для обмена изображениями) — популярный формат графических изображений. Способен хранить сжатые данные без потери качества в формате не более 256 цветов. GIF использует LZW-компрессию, что позволяет неплохо сжимать файлы, в которых много однородных заливок (логотипы, надписи, схемы). GIF широко используется на страницах интернета. Изображение в формате GIF хранится построчно, поддерживается только формат с индексированной палитрой цветов. Стандарт разрабатывался для поддержки 256-цветовой палитры. Один из цветов в палитре может быть объявлен «прозрачным». В этом случае в программах, которые поддерживают прозрачность GIF (например, большинство современных браузеров) «прозрачным» цветом будет виден сквозь фон. пиксели, окрашенные «Полупрозрачность» пикселей (технология альфа-канала) не поддерживается. Формат GIF поддерживает анимационные изображения. Они представляют собой последовательность из нескольких статичных кадров, а также информацию о том, сколько времени каждый кадр должен быть показан на экране. Анимацию можно сделать цикличной (англ. loop), тогда вслед за последним кадром начнётся воспроизведение первого кадра и т. д. Алгоритм Лемпеля — Зива — Велча. GIF использует формат сжатия LZW. Таким образом, хорошо сжимаются изображения, строки которых имеют повторяющиеся участки. В особенности изображения, в которых много пикселей одного цвета по горизонтали. Формат GIF допускает чересстрочное хранение данных. При этом строки разбиваются на группы, и меняется порядок хранения строк в файле. При загрузке изображение проявляется постепенно, в несколько проходов. Благодаря этому, имея только часть файла, можно увидеть изображение целиком, но с меньшим разрешением. PNG ( portable графической network информации, graphics) — растровый формат использующий сжатие без хранения потерь по алгоритму Deflate. PNG был создан как свободный формат для замены GIF. 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); поддержка альфа-канала; возможность гамма-коррекции; двумерная чересстрочная развёртка; возможность расширения формата пользовательскими блоками (на этом основан, в частности, APNG). PNG же с самого начала использует открытый, непатентованный 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 2-16цветные файлы формат GIF сжимает с не меньшей эффективностью. Существует одна особенность GIF, которая в PNG не реализована — поддержка множественного изображения, особенно анимации; PNG изначально был предназначен лишь для хранения одного изображения в одном файле. Не все веб-браузеры одинаково отображают содержимое png-файла. Узким местом являются: 1. частичная прозрачность (альфа-канал); 2. поддержка прозрачности в палитре; 3. гамма-коррекция. 4. поддержка расширений PNG с анимацией. 5. цветовая коррекция (ICC). JPEG (Joint Photographic Experts Group, по названию организацииразработчика) — один из популярных графических форматов, применяемый для хранения фотоизображений и подобных им изображений. Файлы, содержащие данные JPEG, обычно имеют расширения .jpeg, .jfif, .jpg, .JPG, или .JPE. Однако из них .jpg является самым популярным на всех платформах. Алгоритм JPEG позволяет сжимать изображение как с потерями, так и без потерь (режим сжатия lossless 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 или PNG. 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, однако, не поддерживается большинством популярных кодеков) или стандарт сжатия JPEG-LS. При сохранении изображения в JPEG-файле указывается параметр качества, задаваемый в некоторых условных единицах, например, от 1 до 100 или от 1 до 10. Большее число обычно соответствует лучшему качеству (и большему размеру сжатого файла). Однако даже при использовании наивысшего качества восстановленное изображение не будет в точности совпадать с исходным. К недостаткам сжатия по стандарту JPEG следует отнести появление на восстановленных изображениях при высоких степенях сжатия характерных артефактов: изображение рассыпается на блоки размером 8x8 пикселов (этот эффект особенно заметен на областях изображения с плавными изменениями яркости), в областях с высокой пространственной частотой (например, на контрастных контурах и границах изображения) возникают артефакты в виде шумовых ореолов. Однако, несмотря на недостатки, JPEG получил очень широкое распространение из-за достаточно высокой (относительно существовавших во время его появления альтернатив) степени сжатия, поддержке сжатия полноцветных изображений и относительно невысокой вычислительной сложности. TIFF (Tagged Image File Format) — формат хранения растровых графических изображений. TIFF стал популярным форматом для хранения изображений с большой глубиной цвета. Он используется при сканировании, отправке факсов, распознавании текста, в полиграфии, широко поддерживается графическими приложениями. Изначально формат поддерживал сжатия без потерь, впоследствии формат был дополнен для поддержки сжатия с потерями в формате JPEG. Файлы формата TIFF, как правило, имеют расширение .tiff или .tif. Структура формата гибкая и позволяет сохранять изображения в режиме цветов с палитрой, а также в различных цветовых пространствах:Бинарном (двуцветном, иногда неправильно называемом чёрно-белым) Полутоновом С индексированной палитрой RGB CMYK YCbCr CIE Lab Поддерживаются режимы 8, 16, 32 и 64 бит на канал при целочисленном, а также 32 и 64 бит на канал при представлении значения пиксела числами с плавающей запятой. Имеется возможность сохранять изображение в файле формата TIFF со сжатием и без сжатия. Степени сжатия зависят от особенностей самого сохраняемого изображения, а также от используемого алгоритма. Формат TIFF позволяет использовать следующие алгоритмы сжатия: PackBits (RLE) Lempel-Ziv-Welch (LZW) LZ77 ZIP JBIG JPEG CCITT Group 3, CCITT Group 4 PSD (Photoshop Document ) — растровый формат хранения графической информации, использующий сжатие без потерь, созданный специально для программы Adobe Photoshop и поддерживающий все его возможности. Преимущества формата: Сохраняет слои и папки слоёв; Сохраняет прозрачность и полупрозрачность; Сохраняет векторные графические элементы и стили слоёв программы Photoshop; Изображение сжимается без потери качества (RLE-сжатие). Недостатки формата: Большой объём файла; Полностью поддерживается только Adobe Photoshop; Закрытые спецификации, что мешает полноценной поддержке в других программах. Исходные данные и задание 1. Найти в интернете два понравившихся изображения (чертеж и фото, см. рис) со сжатием без потерь и размером минимум 800x600 пикселей, при этом оба изображения должны быть одинаковых размеров. 2. Открыть изображения в растровом редакторе. 3. Сохранить изображения в различных форматах: png, gif, bmp, tiff (с различным сжатием, минимум 3), jpg (с различной степенью сжатия: 90, 60, 40). 4. Перевести изображения в цветовой профиль градаций серого, повторить пункт 3. 5. Исходные изображения в формате gif сохранить с использованием ограниченного количества цветов 8, 16, 64 цвета). 6. Создать отчет в формате pdf. Отчет должен содержать все полученные изображения с подписью размеров получившихся файлов для каждого цветового профиля, формата изображения и метода компрессии изображения. 7. Проанализировать полученные результаты в развернутом виде. При сделать оценку качества полученных изображений и размеров файлов. Добавить анализ и выводы по нему в итоговый отчет. В тексте отчета должно содержаться данные студента, выполнившего работу. Дополнительная информация: Сводная таблица форматов (англ): http://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_graphics_file_formats Отчет - статья сравнения некоторых форматов (англ): https://homepages.cae.wisc.edu/~ece533/project/f06/aguilera_rpt.pdf
