1.8.3Сжатие изображений

В разделе 1.4 упоминалось, что в растровой графике, которая производится современными цифровыми преобразователями, изображение, как правило, представляется в формате три байта на один пиксел, что приводит к большим и трудно обрабатываемым файлам растровой графики. Для того чтобы уменьшить требования к памяти, было разработано много схем сжатия. Одна их них, разработанная компанией CompuServe, называется GIF (сокращенно от Graphic Interchange Format — формат графического обмена). Этот стандарт сжатия решает проблему путем сокращения количества цветов, которые могут быть приписаны пикселу, до 256. Это означает, что значение каждого пиксела можно представить с помощью одного байта, а не трех. Каждому из 256 значений пиксела при помощи таблицы, которая называется палитрой, ставится в соответствие определенное сочетание красного, зеленого и синего цветов. Изменяя палитру изображения, мы можем изменять цвета изображения.

Одному из цветов изображения в формате GIF обычно присваивается значение «прозрачный», то есть через любой участок изображения, которому присвоен этот цвет, виден фон. Вследствие этой возможности и относительной простоты формата GIF, он используется в компьютерных играх, где многочисленные изображения перемещаются по экрану.

Другой стандарт сжатия изображений называется JPEG. Он был разработан Joint Photographic Experts Group (Объединенная группа экспертов в области фотографии), входящей в состав организации ISO. JPEG оказался эффективным для представления цветных фотографий. На самом деле, именно этот стандарт принят производителями современных цифровых камер, и он обещает еще долгое время иметь влияние в сфере цифровых изображений.

В действительности стандарт JPEG включает в себя несколько способов представления изображений, у каждого из которых своя задача. Например, в ситуациях, когда требуется предельная точность, формат JPEG предоставляет метод «без потерь», при котором не происходит потери информации во время кодирования изображения. В соответствии с этим алгоритмом хранится различие между соседними пикселами, а не интенсивности пикселов. Такой подход основывается на предположении, что в большинстве случаев различие между соседними пикселами можно представить более коротким двоичным кодом, чем их значение (это пример относительного кодирования). Различия записываются при помощи кода переменной длины.

К сожалению, применение этого метода не дает изображений, размер которых можно легко менять, и поэтому используется редко. Вместо него используется базисный стандарт JPEG, который сокращает размер кода изображения, используя для определения состояния пикселов два параметра: яркость и цвет.

Причина такого разделения состоит в том, что человеческий глаз более чувствителен к изменениям яркости, чем к изменениям цвета. Рассмотрим, например, два синих фона, различающихся только тем, что один из них содержит небольшую яркую точку, а второй небольшую зеленую точку, яркость которой такая же, как и яркость фона. Человеческий глаз быстрее обнаружит яркую точку, чем зеленую. Базисный формат использует это свойство человеческого глаза и кодирует каждую компоненту яркости, но при этом изображение разделяется на блоки размером четыре пиксела, и записывается только средний цвет каждого блока. Следовательно, в окончательном представлении сохраняются все быстрые изменения яркости, но при этом стираются быстрые изменения цвета. Преимущество же этого метода заключается в том, что каждый блок из четырех пикселов задается только шестью значениями (4 для яркости и 2 для цвета), а не двенадцатью, как если один пиксел задается тремя значениями.

Дополнительное пространство экономится при записи изменений яркости и цвета, а не их фактических значений. Причина этого, как и в методе «без потерь», заключается в том, что по мере сканирования изображения степень различия соседних пикселов можно представить более коротким двоичным кодом, чем тот, который потребовался бы для записи фактических значений цвета. В действительности, эти различия записываются при помощи математического метода, который называется дискретным косинусным преобразованием. Мы не будем рассматривать его в этой книге. Окончательный двоичный код затем сжимается при помощи метода с кодом переменной длины.

Короче говоря, при помощи базисного стандарта JPEG можно кодировать высококачественные цветные изображения, используя двоичный код, который занимает примерно в двадцать раз меньше памяти, чем код формата «три байта на пиксел», используемый во многих сканерах. Поэтому стандарт JPEG завоевывает все большую популярность. Однако в некоторых прикладных системах используются другие форматы. Например, формат GIF больше, чем JPEG, подходит для изображений, состоящих из блоков одного цвета с четкой границей, таких как цветные мультфильмы.

В заключение следует заметить, что исследования в области сжатия данных представляют собой широкое поле деятельности. Мы обсудили только два метода сжатия изображений из множества существующих. Кроме того, существуют различные техники сжатия звуковых и видеоданных. Например, группой Motion Picture Experts Group (MPEG — Экспертная группа по вопросам движущегося изображения), входящей в состав организации ISO, были разработаны методы, подобные тем, которые используются в стандарте JPEG, для того чтобы ввести стандарты кодирования (сжатия) движущихся изображений. Согласно этому алгоритму сначала кодируется первое изображение последовательности, подобно тому, как это делается в базисном стандарте JPEG, а затем при помощи методов относительного кодирования записываются оставшиеся изображения.