15. Характеристика основных форматов точечных изображений. Алгоритмы сжатия . Режимы отображения векторного изображения на экране в процессе работы. Виды и управление ими.

Методы сжатия информации:

Одним из простейший способов сжатия является метод RLE (Run Length Encoding - кодирование с переменной длиной строки). Действие метода RLE заключается в поиске одинаковых пикселов в одной строке. Если в строке, допустим, имеется 3 пиксела белого цвета, 21 - черного, затем 14 - белого, то применение RLE дает возможность не запоминать каждый из них (38 пикселов), а записать как 3 белых, 21 черный и 14 белых в первой строке. BMP

Метод сжатия LZW (Lempel-Ziv-Welch) разработан в 1978 году 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. GIF

Метод сжатия Хаффмана (Huffman) разработан в 1952 году и используется как составная часть в ряде других схем сжатия, таких как LZW, Дефляция, JPEG. В методе Хаффмана берется набор символов, который анализируется, чтобы определить частоту каждого символа. Затем для наиболее часто встречающихся символов используется представление в виде минимально возможного количества битов. Например, буква "е" чаще всего встречается в английских текстах. Используя кодировку Хаффмана, вы можете представить "е" всего лишь двумя битами (1 и 0), вместо восьми битов, необходимых для представления буквы "е" в кодировке ASCII.

Метод сжатия CCITT (International Telegraph and Telephone Committie) был разработан для факсимильной передачи и приема. Является более узкой версией кодирования методом Хаффмана. CCITT Group 3 идентичен формату факсовых сообщений, CCITT Group 4 - формат факсов, но без специальной управляющей информации.

• Формат BMP

Формат BMP первоначально создавался как основной графический формат пиксельных изображений операционной системы Windows. Файлы этого формата могут открываться графическими программами, работающими как на PC. так и на Macintosh, поскольку формат независим от платформы. К сожалению, он предусматривает хранение изображений только в индексированной модели цвета и не позволяет выполнять их сжатие. Поэтому формат BMP редко применяется в графическом проектировании и вовсе не встречается в издательской практике.

• Формат PCX

Формат PCX - один из самых старых форматов графических файлов, ориентированных на хранение полноцветных изображений. Он традиционно включается в списки форматов, с которыми могут работать программы пиксельной графики. Изображения могут сжиматься по алгоритму RLE. В настоящее время этот формат можно считать устаревшим, он почти полностью вытеснен более совершенными форматами TIFF и PNG.

• Формат GIF

Первая версия формата GIF (Graphics Interchange Format) была разработана в 1987 г. сотрудниками компании CompuServe специально для передачи пиксельных графических изображений в глобальных компьютерных сетях. В 1989 г. в формат (GEF89a) были добавлены очень важные возможности. Формат реализует сжатие по методу LZW и чересстрочную передачу графических данных. Это означает, что по сети вначале передаются не все строки растра, а только 1-я, 5-я, 10-я и т. д., с увеличением размеров пикселов и снижением разрешения. Затем передаются строки 2-я, б-я, 11 - я и т. д. с последующим увеличением разрешения воспроизводимого изображения. Это позволяет увидеть черновую версию изображения в окне

Web-обозревателя задолго до того, как оно будет загружено полностью. Пользователь может составить представление об изображении и решить, стоит ли ждать окончания загрузки

Формат GIF допускает только модели индексированного цвета (см. разд. 1.3.4). В цветовой палитре пиксельного изображения можно указать один или несколько цветов в качестве прозрачных, и пикселы с такими цветами не будут воспроизводиться на экране.

Важно, что в файле формата GIF может содержаться описание не одного, а нескольких пиксельных изображений. Обозреватель и некоторые графические программы могут воспроизводить эти изображения последовательно с заданной в файле частотой. Эта возможность лежит в основе пиксельной анимации, получившей широчайшее распространение в Web (GIF-анимацня).

Основной недостаток формата GIF - ограниченность размера палитры модели индексированного цвета (256 цветов). Для полиграфических проектов этого явно недостаточно.

3.3.5. Формат TIFF

Аппаратно независимый формат TIFF (Tagged Image File Format - формат файла изображения с тегами) первоначально разрабатывался для хранения результатов сканирования цветных изображений. В настоящее время его область применения существенно расширилась, он является одним из самых распространенных н надежных графических форматов, с ним могут работать практически все графические программы на PC и Macintosh. TIFF - наиболее удобный формат для экспорта пиксельных изображений в программы векторной графики, системы верстки и распознавания текста. Файл этого формата позволяет сохранять пиксельное изображение различных моделей цвета: монохромной. RGB. CMYK и многоканальной с дополнительными каналами шашечных цветов. В составе файла могут содержаться описания слоев, обтравочных контуров, альфа-каналов и другие дополнительные данные, в частности сведения о степени прозрачности любого из пикселов.

Примечание

За счет того, что для любого пиксела указаны не только значения параметров модели цвета, но и степень прозрачности, глубина цвета для аддитивной модели становится равной не 24. а 32 Ьрр.

Формат TIFF имеет две разновидности: для Macintosh и PC. Это связано с тем. что процессоры Motorola и Intel по-разному записывают числа в память. Современные графические программы способны автоматически распознавать варианты формата и работать с любым из них.

В формате TIFF допускается сжатие по различным алгоритмам, в том числе LZW, ZIP и JPEG. Несмотря на то, что формат был разработан достаточно давно, эксперты считают его самым перспективным для хранения многослойных графических документов.

3.3.6. Формат JPEG

Разработанный в 1992 г. на конкурсной основе формат JPEG получил свое название по соответствующему методу сжатия пиксельных изображений (см. разд. 3.3.1). Распаковка данных, содержащихся в файлах этого формата, выполняется автоматически во время их открытия. Файлы формата JPEG могут содержать монохромные и полноцветные изображения в цветовых моделях RGB и CMYK.

Поскольку выбранные при создании файлов формата JPEG метод сжатия частично разрушает информацию исходного изображения, применение этого формата в полиграфических проектах не рекомендуется. Однако потери качества за счет сжатия не настолько велики, чтобы быть заметными в изображениях, включенных в экранные приложения и распечатываемые на принтерах среднего качества. Это обусловило широчайшую популярность формата в цифровой фотографии и WWW.

Но и при работе над графическими проектами в этих областях рекомендуется промежуточные версии изображений сохранять в формате с неразрушающим сжатием, поскольку повторное сжатие при последовательных многочисленных операциях сохранения файла может привести к практически полной деградации изображения. То же справедливо и в отношении импорта графических файлов в формате JPEG из цифровых камер. Рекомендуется перед промежуточным сохранением в процессе обработки (например, ретуши) преобразовывать такие изображения в формат TIFF.

На основе JPEG был разработан новый формат хранения сжатых изображений JPEG 2000. Предполагалось, что он должен заменить JPEG, поскольку обладает рядом неоспоримых достоинств: обеспечивает более высокие степени сжатия (файлы короче на 30 % при заметном повышении качества изображения), режим неразрушаюшего сжатия, возможность по одному и тому же сжатому файлу получать изображения

различного качества и размеров, автоматически исправлять одиночные ошибки. Однако тот факт, что в настоящее время с файловым форматом JPEG связано практически все аппаратное и программное

обеспечение, так или иначе касающееся изображении, пока тормозит внедрение нового формата. Кроме того, он не обрабатывается обозревателями Web.

Примечание

Фирма Microsoft разработала собственный закрытый формат HD Photo, аналогичный JPEG 2000, н включила его поддержку в операционную систему Vista.

3.3.7. Формат PCD

Этот формат, уже упоминавшийся в разд. 3.2.2, - разработка и собственность компании Kodak. Для представления данных о цвете в нем используется специфическая модель цвета YCbCr (YCC), разработанная специально для данного формата, но нашедшая более широкое применение в цифровой фотографии и видео. Графические файлы на основе этой модели цвета хорошо сжимаются большинством распространенных алгоритмов сжатия. Однако при открытии таких файлов в графических программах их приходится сразу же преобразовывать в монохромную модель цвета, модели RGB или Lab (см. разд. 1.3.8).

• Формат EPS

EPS (Encapsulated PostScript) нельзя считать форматом для представления только пиксельной графической информации. Его область применения значительно шире - описание документов, содержащих текстовую и графическую информацию как в пиксельной, так и в векторной форме (см. разд. 2.10.1). Первоначально он был разработан в качестве формата файлов для сохранения на диске описаний таких документов на упрощенной версии языка PostScript, непосредственно интерпретируемого высококачественными принтерами и фотонаборными автоматами Однако не упомянуть этот формат в настоящей главе невозможно из-за его универсальности и широкой распространенности в полиграфической практике.

9. Формат PNG

Формат PNG (Portable Network Graphics) разработан сравнительно недавно для замены в сетевых информационных ресурсах морально устаревшего н имеющего патентные ограничения формата GIF. Формат PNG предполагает неразрушающее сжатие по открытому методу Deflate, сходному с LZW. Он позволяет сохранять пиксельные изображения почти всех цветовых моделей при глубине цвета от 1 до 48 битов. Сжатые индексированные изображения в формате PNG, как правило, меньше чем в GIF, а изображения в цветовой модели RGB и формате PNG меньше соответствующего файла TIFF.

Используется двумерный чересстрочный режим вывода на экран (не только строк, но н столбцов). В отличие от GIF. формат PNG позволяет задавать градуированную прозрачность пикселов (в диапазоне прозрачности от 0 до 99 %) за счет включения в файл монохромного альфа-канала с 256 градациями (см. разд. 3.5.4). Кроме того, в этом формате можно сохранять многослойные изображения, указывая для отдельных слоев степень прозрачности. Однако он не позволяет хранить несколько изображений в одном файле.

Вероятно, в ближайшем будущем этот формат представления пиксельного изображения приобретет большую популярность, поскольку практически все современные программы компьютерной графики позволяют с ним работать.

• Формат PSD

Формат PSD (Adobe Photoshop Document) первоначально был разработан как формат сохранения графических файлов программы Adobe Photoshop. По мере роста популярности и распространенности этой программы он приобрел определенную универсальность, и многие современные графические программы

могут открывать файлы в этом формате. В формате PSD могут храниться изображения любого типа - от штриховых до полноцветных. В нем сохраняются все сведения о внутренней структуре документа: стон, каналы, тексты в векторной форме н многое другое. В постеднее время на рынке появились библиотеки клипарта в формате PSD.

• Формат DCS

Формат DCS (Digital Color Separations, цифровые цветоделенные формы) представляет собой усеченную версию формата EPS. предназначенную для передачи в полиграфические предприятия графических документов, содержащих в себе деленные формы (см. разд. 3.11.4) или дополнительные каналы плашечных цветов. В настоящее время распространена спецификация формата DCS 2.0.

Графические документы в этом формате позволяют сохранять изображения с монохромной или субтрактивной цветовой моделью. Так же. как в формате EPS. предусмотрено наличие в составе графического файла прообраза (пиксельного изображения пониженного разрешения) для использования в программах верстки и предварительного просмотра.

DCS - единственный из форматов графических документов, позволяющий хранить изображение не в одном, а в нескольких файлах - отдельных для каждой деленной формы и каждого канала плашечного цвета. Формат предусматривает возможность сжатия данных по алгоритму' JPEG, но на практике она встречается редко.

Список новых терминов

• Сжатие изображения

• Алгоритмы неразрушающего сжатия

• Алгоритмы разрушающего сжатия

• Алгоритм RLE

• Алгоритм LZW

• Алгоритм JPEG

• Формат BMP

• Формат PCX

• Формат GIF

• Формат TIFF

• Формат JPEG

• Формат PCD

• Формат PNG

• Формат PSD

• Формат DCS

3.3.1. Сжатие данных пиксельной информационной модели

Одно из свойств визуальной информации, представленной пиксельной информационной моделью изображения. - ее частичная избыточность. Например, если посередине белого листа бумаги расположен небольшой графический фрагмент, то в растре пиксельной модели большинство дескрипторов пикселов будут содержать одинаковые данные, занимающие большую часть графического файла.

Сжатием, или компрессией изображения называется преобразование пиксельной информационной модели в компактную форму путем изъятия из нее избыточной информации. Все алгоритмы сжатия отыскивают в изображении повторы и скрытые закономерности повторения, после чего заменяют дескрипторы пикселов более крупными информационными элементами. Существуют алгоритмы сжатия без утраты графической информации (неразрушающие) и с контролируемой степенью утраты (разрушающие). Неразрушающие алгоритмы позволяют впоследствии выполнить преобразование, обратное сжатию, и в точности восстановить исходный растр. Разрушающие алгоритмы сжатия не дают такой возможности, но формируют более компактное представление изображения, иногда в десятки и сотни раз меньше исходного по размерам занимаемой памяти.

Важно помнить, что сжатие изображений как неразрушаюшими. так и разрушающими алгоритмами преобразует их в формат, с которым программы графического редактирования работать не могут. При открытии файлов со сжатыми изображениями всегда выполняется процедура обратная сжатию, и в памяти компьютера появляется несжатая информационная модель изображения, над которой и выполняются операции редактирования. При повторном сохранении изображения в графическом файле вновь выполняется компрессия.

Примечание

Если в формате графического документа предусмотрено применение алгоритма разрушающего сжатия, каждый новый цикл открытия и последующего сохранения графического документа будет разрушать дополнительные объемы графической информации, ухудшая качество изображения.

Алгоритм RLE

Простейшая (и самая старая) методика сжатия изображения - алгоритм RLE (Rim Length Encoding - кодирование с переменной длиной строки) При сжатии по этому алгоритму в каждой строке пикселовисходного растра выявляются непрерывные последовательности одного цвета. Затем каждая такая последовательность замещается дескриптором, который состоит из коэффициента повторения и дескриптора повторяющегося пиксела. Например, если строка исходного растра состоит из 30 пикселов белого цвета. 50 - синего и 20 - зеленого, то в сжатом варианте вместо 100 дескрипторов каждого пиксела строка будет содержать всего три дескриптора непрерывных последовательностей. Конечно, длина каждого из дескрипторов последовательности будет больше, чем у дескриптора отдельного пиксела (в полноцветной модели с глубиной цвета 8 Ьрр - 32 против 24 битов). Но в сумме получится значительный выигрыш по объему - в 25 раз (96 против 2400 битов).

Алгоритм RLE обеспечивает значительную степень сжатия изображений, созданных при помощи графических редакторов, и низкую (зачастую отрицательную) - при обработке фотографий. Если на фотографии имеется много мелких деталей, то после сжатия алгоритмом RLE графический файл становится не меньше, а больше. Алгоритм RLE неразрушающнй. он допускает точное восстановление исходного растра.

Алгоритм LZW

Название алгоритма LZW представляет собой аббревиатуру, составленную из начальных букв фамилий его разработчиков (Lempel - Ziv - Welch). Он эффективнее алгоритма RLE. но сжатие и распаковка данных в нем требуют большего объема вычислений и, соответственно, занимают больше времени Согласно этому алгоритму в процессе анализа растра выявляются устойчивые комбинации пикселов, каждая из них образует элемент словаря, и каждому элементу словаря присваивается код - число, занимающее меньше места, чем сама комбинация. Как и RLE. алгоритм LZW эффективнее для изображений с обширными областями однородной заливки. При этом степень сжатия для всех типов изображений у алгоритма LZW выше, чем у RLE. Поэтому в большинстве форматов и графических программ для неразрушающего сжатия применяется именно LZW.

Алгоритм JPEG

Самый популярный алгоритм разрушающего сжатия изображений - JPEG. Его название - аббревиатура наименования организации-разработчика - Joint Photographic Experts Group (объединенная группа экспертов- фотографов). Первоначально он был создан для цифровой фотографии. В настоящее время все цифровые камеры могут выполнять сжатие фотографий по этому алгоритму.

Алгоритм JPEG ищет в растре не одинаковые структурные элементы (как RLE и LZW), а закономерности изменения цвета пикселов. Сжатие выполняется в несколько этапов. Вначале изображение преобразуется к модели цвета Lab (см. разд. 1.3.8), затем в зависимости от реализации алгоритма отбрасывается половина или три четверти данных о цвете пикселов. После этого анализируются квадратные группы размером 8x8 пикселов. Для каждой группы строится дескриптор, описывающий группу и особенности изменения цвета внутри нее. Особенности описываются с учетом законов визуального восприятия. Вследствие этого после сжатия крупные детали сохраняются лучше мелких. На следующем этапе устанавливается степень сжатия, а затем в соответствии с этим значением из информационной модели устраняются данные о более или менее метких деталях.

Чем больше степень сжатия, тем больший объем данных устраняется, тем меньше становится графический файл и тем ниже становится качество изображения. Метод JPEG позволяет при приемлемом для многих целей снижении качества получить файл в 100 раз меньше исходного (на практике - от 5 до 15 раз). Для хранения изображения, сжатого по методу JPEG, предусмотрен специальный формат файла. Последние модификации формата TIFF также позволяют применять этот алгоритм сжатия изображении.

3.3.2. Формат BMP

Формат BMP первоначально создавался как основной графический формат пиксельных изображений операционной системы Windows. Файлы этого формата могут открываться графическими программами, работающими как на PC, так и на Macintosh, поскольку формат независим от платформы. К сожалению, он предусматривает хранение изображений только в индексированной модели цвета и не позволяет выполнять их сжатие. Поэтому формат BMP редко применяется в графическом проектировании и вовсе не встречается в издательской практике.

Режимы отображения изображений  Векторные изображения имеют достаточно простую структуру:  они строятся из замкнутых или открытых контуров и  стандартных объектов, которые могут быть закрашенными внутри или не иметь заливки. Кроме того, в рисунке могут присутствовать сложные объекты, полученные различными способами из простых объектов, импортированные растровыеизображения и текстовые блоки. Некоторые сложные векторные иллюстрации могут состоять из сотен, а иногда и тысяч объектов.  Объекты могут перекрывать друг друга, или выглядеть как один объект. Выделение для редактирования отдельных объектов при обычном их представлении часто вызывает некоторые трудности, а их отображение их на экране занимает продолжительное время. В связи с этим в программе  предусмотрены различные команды отображения объектов и всей иллюстрации. Эти команды находятся в пункте меню .  Существуют следующие режимы отображения изображений:  Sample Wireframe (Простой контурный) — на экране все объекты представляются в контурном режиме без обводок и заливок, а также без эффектов, примененных к объектам, закрашивать объекты нельзя; используется для быстрой перерисовки изображений с большим числом объектов и для  выделения перекрывающихся объектов;  Wireframe (Контурный) — объекты представляются без заливок и обводок;  Draft (Черновой) — предназначен для упрощенного вывода сложных заливок (градиентов, двухцветных заливок, импортированной растровой графики);  Normal (Нормальный) — в этом режиме поддерживается отображение всех параметров заливок и обводок, кроме заливок PostScript;  Enhanced (Расширенный) — отображаются все обводки и заливки объектов и импортированная графика с высоким разрешением;  Pixels (Пиксельный) — представление векторного  изображения в пиксельном виде;  Full-Screen Preview (Полноэкранное отображение) —  отображается только страница документа (меню и панели, включая и панель инструментов, на экране не отображаются);  Preview Selected Only (Отображение только выделенных объектов) — режим похож на предыдущий за исключением того, что отображаются только выделенные объекты;  Page Sorter View (Сортировка страниц) — в уменьшенном масштабе выводятся все страницы документа, перетаскиванием можно изменять последовательность страниц  документа.  Пример представления изображений в нормальном и пиксельном  Самостоятельно откройте любую иллюстрацию и изучите представление ее в различных режимах.  Представление иллюстрации в нескольких окнах  В процессе работы над сложной иллюстрацией иногда необходимо при увеличенном фрагменте видеть, как его редактирование сказывается на всем изображении. В этом случае полезно представить изображение а двух окнах, причем в разных масштабах: в одном окне в увеличенном масштабе, в котором проводится редактирование, в другом — в нормальном масштабе, чтобы оценить результат редактирования.