Форматы графических файлов. BMP, TIFF, JPEG и другие форматы. Характеристики и применение различных форматов.

Как художник должен знать хим. и физические свойства красок и холста, дизайнер компграфики должен разбираться в форматах файлов, в которых сохраняется графическая информация.

Формат файла — это некоторое описание (спецификация) того, что именно, где и в каком виде должно быть представлено в файле. В настоящее время существует более двух десятков форматов графических файлов: BMP, GIF, TIFF, JPEG, PNG, PCX, PSD, и др. Есть файлы, которые кроме статических изображений, могут содержать анимационные клипы и, например, GIF, SWF и тд. Важной характеристикой этих файлов является способность представлять содержащиеся в них данные в сжатом виде. От этого зависит объем файла.

**В Photoshop для сохранения изображения в файле служат несколько команд: File>Save As (Файл>Сохранить как) – когда требуется задать другой формат файла, изменить имя и/или место положения файла, а также другие параметры. Если изображение новое, то используется команда File>Save (Файл>Сохранить). Эту же команду можно применять и в случае, когда нужно сохранить редактируемое изображение в исходном файле. Так же сохранять можно как: As Copy; File>Save for Web (Файл>Сохранить для Web) (открывает диалоговое окно, позволяющее оптимизировать изображения по качеству и объему файла).**
Алгоритмы сжатия, используемые при создании файлов: сжатие без потери и допускающие потерю информации. Сжатие без потерь (обратимое) основано на удалении избыточности исходного представления информации, т. е. на применении более экономного кодирования. Сжатие с потерями базируется на удалении большой части информации. В ряде случаев эти потери оказываются практически незаметными для зрения или вполне допустимыми.

BMP (Windows Bitmap— растровое изображение Windows) – собственный формат MsPaint, поставляемого с Windows (но поддерживается всеми графическими приложениями системы). Формат BMP допускает применение алгоритма последовательного сжатия без потерь RLE и может представлять до 16 млн цветов (способен хранить как индексированный 256 цветов, так и RGB-цвет). Не все программы распознают сжатые BMP-файлы. Несжатые BMP-файлы имеют большой объем. Файлы могут иметь расширения .bmp, .dib и .rle.. Прозрачность, многослойность и IСС-профили BMP-формат не поддерживает.

BMP-файл состоит из четырёх частей:

•Заголовок файла

•Заголовок изображения (может отсутствовать).

•Палитра (может отсутствовать)

•Само изображение (Последовательность пикселей, записанных в том или ином виде. Пиксели хранятся построчно, снизу вверх. Каждая строка изображения дополняется нулями до длины, кратной четырём байтам. В bmp-файлах с глубиной цвета 24 бита, байты цвета каждого пикселя хранятся в порядке BGR (Blue,Green,Red). B bmp-файлах с глубиной цвета 32 бита, байты цвета каждого пикселя хранятся в порядке BGRA (Blue,Green,Red,Alpha))

Обычно BMP-файлы используются для иллюстраций в справочных системах, пиктограмм (иконок) а также в качестве обоев для рабочего стола. Если изображение невелико (как в случае иконок), то BMP-файл обычно оказывается меньше, чем соответствующий GIF- или JPEG-файл.

TIFF (тэговый (расширяемый) формат файлов изображений) был разработан как стандарт для сканированных изображений (большая глубина цвета). Широко поддерживаемый формат растровой графики. Изображения, предназначенные для импорта в векторные редакторы и издательские системы, а так же очень большие в объеме файлы лучше всего сохранять в этом формате. Имеют расширение .tif или .tiff.

Формат TIFF позволяет использовать следующие алгоритмы сжатия:

RLE, Lempel-Ziv-Welch (LZW), LZ77(без потерь), ZIP, JBIG(без потерь), JPEG, CCITT Group 3, CCITT Group 4. При этом JPEG является просто инкапсуляцией формата JPEG в формат TIFF. Формат TIFF позволяет хранить изображения, сжатые по стандарту JPEG, без потерь данных (JPEG-LS).

**Алгоритмы CCITT Group 3 и 4 предназначены для кодирования бинарных растровых изображений. Алгоритм Group 3 напоминает RLE, так как кодирует линейные последовательности пикселов, а Group 4 — двумерные поля пикселов.**

Хранит данные в структурированном виде, что позволяет редакторам получить быстрый доступ к разным фрагментам изображения.

В формате TIFF можно сохранить до 24 каналов, поддерживает прозрачность, а также слои (включая маски) и ICC-профили. В TIFF можно сохранить так называемые обтравочные контуры, которые определяют произвольную границу изображения. При помещении такого изображения в объектно-ориентированный редактор все, что находится за пределами обтравочного контура, окажется прозрачным. В формате TIFF можно сохранять изображения в следующих цветовых представлениях: RGB, CMYK, Lab, оттенки серого, черно-белое (Bitmap), дуплексное, индексированные цвета.
Форматы TIFF для платформ PC и Macintosh несколько различаются.

JPEG (Joint Photographic Experts Group — объединенная группа экспертов по фотографии) предназначен для компактного хранения многоцветных изображений с фотографическим качеством. Разработан в1995 г. Файлы этого формата имеют расширение jpg, jpe или jpeg.
Используется алгоритм сжатия с потерями (но сохраняет всю информацию о цвете), благодаря чему достигается очень большая степень сжатия (от единиц до сотен раз).

Использует собственный алгоритм для сжатия (в основном для 24-битных изображений). Сжатие происходит в 7 шагов:

Шаг 1.Переводим изображение из цветового пространства RGB в цветовое пространство YCrCb. В нем Y — яркостная составляющая, а Cr, Cb — компоненты, отвечающие за цвет (хроматический красный и хроматический синий). За счет того, что человеческий глаз менее чувствителен к цвету, чем к яркости, появляется возможность архивировать массивы для Cr и Cb компонент с большими потерями и, соответственно, большими коэффициентами сжатия.

Шаг 2.Разбиваем исходное изображение на матрицы 8х8. Формируем из каждой три рабочие матрицы ДКП — по 8 бит отдельно для каждой компоненты. При больших коэффициентах сжатия этот шаг может выполняться чуть сложнее. Изображение полностью делится по компоненте Y, а для компонент Cr и Cb матрицы набираются через строчку и через столбец. Получается только одна рабочая матрица (тут мы теряем ¾ полезной информации о цветовых составляющих изображения и получаем сразу сжатие в два раза). Мы можем поступать так благодаря работе в пространстве YCrCb. На результирующем RGB изображении, как показала практика, это сказывается несильно.

Шаг 3.Применяем ДКП к каждой рабочей матрице. При этом мы получаем матрицу, вкоторой коэффициенты в левом верхнем углу соответствуют низкочастотнойсоставляющей изображения, а в правом нижнем — высокочастотной.

Шаг 4.

Производим квантование. В принципе, это просто деление рабочей матрицы на матрицу квантования поэлементно. Для каждой компоненты (Y, U и V), в общем случае, задается своя матрица квантования. На этом шаге осуществляется управление степенью сжатия, и происходят самые большие потери. Понятно, что, задавая МК с большими коэффициентами, мы получим больше нулей и, следовательно, большую степень сжатия. В стандарт JPEG включены рекомендованные МК, построенные опытным путем. Матрицы для большего или меньшего коэффициентов сжатия получают путем умножения исходной матрицы на некоторое число gamma. При больших значениях коэффициента gamma потери в низких частотах могут быть настолько велики, что изображение распадется на квадраты 8х8.

Шаг 5.

Переводим матрицу 8x8 в 64-элементный вектор при помощи “зигзаг”- сканирования

Таким образом, в начале вектора мы получаем коэффициенты матрицы, соответствующие низким частотам, а в конце — высоким.

Шаг 6.

Свертываем вектор с помощью алгоритма группового кодирования. При этом получаем пары типа (пропустить, число).

Шаг 7.

Свертываем получившиеся пары кодированием по Хаффману с фиксированной таблицей.

Процесс восстановления изображения в этом алгоритме полностью симметричен.

Существует три подформата JPEG: обычный, optimized и progressive (чересстрочное отображение). Некоторые приложения позволяют хранить изображение в jpeg в режиме CMYK и включать в файл обтравочные контуры. Однако использовать JPEG для полиграфических нужд категорически не рекомендуется. Взаимодействие регулярной структуры блоков 8x8 пикселей, получающихся в результате компрессии, с не менее регулярной структурой типографского растра в итоге приводит к образованию муара. Так что данный формат используется в основном для фотографий и иллюстраций с градиентами цвета, которые просматриваются на компьютере.

(не путать с JPEG2000 (сжатие без потерь основанное не на ДКП, а на вейвлет-преобразовании) и Lossless JPEG и JPEG-LS (дополнение к JPEG, но сжатие без потерь)).

_______________

GIF (формат графического обмена) использует алгоритм сжатия без потерь LZW и предназначен для сохранения растровых изображений с количеством цветов не более 256.
В настоящее время существуют две версии формата — GIF87a и GIF89a. Имена файлов этих форматов имеют расширение .gif.

GIF89a позволяет добиваться еще целого ряда сильных визуальных эффектов:

• маски прозрачности;

• включение нескольких изображений;

• глобальные цветовые палитры для нескольких изображений;

• анимация (попеременный показ нескольких изображений);

• включение текстовых комментариев;

• настраиваемые задержки показа и чередование (interlacing);

• ожидание реакции пользователя.

Кроме того, формат GIF допускает чересстрочную (interlaced) запись графической информации, чтобы загрузка в браузер выглядела как постепенное повышение четкости изображения. Это достигается записью в файл сначала каждой 8-й, затем каждой 4-й , 2й и т. д. строк пикселов изображения. Таким образом, еще до окончательной загрузки файла можно увидеть его постепенно проявляющееся содержание. В GIF-файлах хорошо сохранять контрастные изображения без плавных цветовых переходов и шума, например, логотипы, баннеры, чертежи, схемы.
GIF-формат широко используется в Web-дизайне. Внедрение ICC-профилей не поддерживает.

PNG (переносимая графика для сети) был разработан с целью заменить формат GIF. Во-первых, фирма-разработчик GIF запатентовала его и стала требовать отчислений. Во-вторых, формат PNG должен был преодолеть недостатки GIF, связанные с ограничением количества цветов. PNG не запатентован и может использоваться бесплатно. Файлы этого формата имеют расширение .png. Формат PNG позволяет сохранять изображения с глубиной цвета 24 и даже 48 бит, позволяет включать каналы масок для управления градиентной прозрачностью, но не поддерживает слои. Используемый алгоритм сжатия Deflate близок к LZW. Файлы PNG обычно имеют больший размер, чем GIF- и JPEG-файлы с аналогичными изображениями. Этот формат целесообразно использовать в Web-дизайне для сохранения небольших многоцветных изображений с мелкими деталями.

Внедрение ICC-профилей данный формат не поддерживает.