2.3.2. Сжатие с потерями

Графические изображения имеют преимущество по сравнению с обычными компьютерными файлами: они могут быть модифицированы в процессе сжатия или развертывания практически без изменения воспринимаемого качества.

Обычно изображения попадают в компьютер при помощи сканера. Отсканированная фотография немного отличается от оригинала, так как в процессе сканирования часть информации теряется, но для чело­веческого глаза различия незаметны.

В процессе сжатия с потерями также отбрасывается та часть информации, которая меньше всего заметна человеческому глазу. Изо­бражение, полученное после сжатия (развертывания), будет похожим, но не идентичным исходному. Воспринимаемое качество изменится незначительно, тем более что исходное изображение уже было неидеальным из-за потерь части информации при сканировании.

Наиболее популярным алгоритмом сжатия с потерями является JPEG-сжатие, разработанное объединенной группой экспертов по фотографии (Joint Photographic Experts Group).

Сжатие с потерями основано на некоторых особенностях воспри­ятия информации человеческим глазом. Во-первых, человек обращает больше внимания на крупные детали изображения. Мелкие детали, размером в один – два пикселя, воспринимаются не очень точно, если спе­циально не вглядываться. При просмотре изображения на некотором расстоянии соседние пиксели вообще сливаются друг с другом. Таким образом, небольшое искажение цвета мелких деталей вряд ли будет заметно человеку. Во-вторых, человек лучше воспринимает яркость, чем цвет. Можно добиться экономии, если отбросить часть информации о цвете, но сохранить информацию о яркости. Обычно с этой целью пиксели группируются в блоки размером 2 × 2; информация о яркости хранится для каждого пикселя отдельно, а цвет – в общем для всех пикселей блоке (уже одно это позволяет уменьшить хранимый объем изображе­ния в два раза при незначительной потере качества).

Данные, полученные после отбрасывания малозначимой информации, последовательно сжимаются алгоритмом группового сжатия и алгоритмом Хаффмана, что позволяет достигнуть еще большего коэффициента сжатия.

2.4. Форматы графических файлов

Для того чтобы программа могла загрузить графический файл, ей должен быть «знаком» формат этого файла, чтобы знать, что, откуда и как из него прочесть. Если программа может работать с определенным форматом, то говорят, что она поддерживает этот формат. Например, редактор Paint поддерживает форматы BMP и JPEG.

Если формат поддерживается большим количеством программ, то он называется распространенным, например, формат JPEG поддерживается большинством графических редакторов, браузеров и других программ.

Некоторые форматы являются узкоспециализированными, их поддерживает только одна программа или несколько. Нередко разработчики компьютерных игр создают новые форматы файлов специально для своей игры, поэтому открыть такие файлы с помощью какого-либо графического ре­дактора нельзя.

Формат PCX фирмы ZSoft – один из наиболее старых и широко поддерживаемых форматов для персонального компьютера. Благодаря простоте формата PCX начинающие программисты пользуются именно им. Многие профессиональные графические пакеты также поддерживают формат PCX. Этот формат использует самый простой вид сжатия – RLE, по этой причине он хорошо подходит для хранения рисунков и чертежей, но не годится для хранения фотографий.

Формат BMP был разработан компанией Microsoft специально для операционной системы Windows. Фактически сама операционная сис­тема поддерживает этот формат, благодаря чему он поддерживается почти всеми Windows-приложениями. Недостатком формата BMP является отсутствие сжатия информации, поэтому BMP-файлы занимают на диске очень много места.

В 1987 г. специалисты фирмы CompuServe разработали специальный формат для хранения и передачи растровых изображений в глобальных сетях. В 1989 г. этот формат был модифицирован, и его новая версия получила название GIF89a. Формат GIF в первую очередь ориентирован на хранение изображений в режиме индексированных цветов (не более 256), а также поддерживает сжатие без потерь LZW. Версия GIF89а позволяет сохранять в одном файле несколько индексированных изображений. Браузеры способны демонстрировать все эти изображения по очереди, получая в результате несложную анимацию. В файле анимации хранятся не только кадры анимации, но и параметры ее демонстрации. GIF-анимация в силу своей простоты наиболее распространена в сети Интернет. Один из цветов в палитре можно объявлять прозрачным, поэтому в браузере сквозь участки этого цвета будет виден фон страницы.

Формат JPEG. Отличительной особенностью этого формата является использование сжатия с потерями, т. е. при сохранении изображения часть информации теряется. Это приводит к тому, что сохраненное изображение получается не идентичным исходному. Отбрасывается только та часть информации, которая не воспринимается или мало воспринимается человеческим глазом. Фактически исходное и сохраненное изображения отличаются, но человек может не заметить эти различия. При сохранении изображения в формате JPEG можно выбрать степень сжатия. Чем выше степень сжатия, тем ниже получается качество сохраненного изображения, и наоборот. Таким образом, приходится искать компромисс между небольшим размером файла и высоким качеством.

Сжатие, используемое в формате JPEG, основано не только на отбрасывании «лишней» информации, но и на использовании еще нескольких этапов, в том числе алгоритмов сжатия RLE и Хаффмана. В результате файл может быть сжат в 10 paз и более. Степень сжатия конкретного файла зависит от сложности исходного изображения и уровня качества, установленного при сохранении файла. Сохраняя простое изображение, имеющее много однородных областей и плавные переходы оттенков, в режиме низкого качества, можно добиться даже 100-кратного сжатия, а при сохранении сложного изображения с большим количеством деталей и четкими границами в режиме высоко­го качества можно добиться сжатия лишь в два – три раза.

Формат JPEG является одним из основных, используемых в сети Интернет для размещения на сайтах фотографий и иллюстраций. Этот формат применяется не только на персональном компьютере, но и в цифровых фотокамерах для хранения фотографий в памяти.

Формат PNG (Portable Network Graphics) был разработан консорциумом W3 специально для сети Интернет. Практически формат PNG заменил формат GIF, и вce последние версии браузеров поддерживают его без специальных подключаемых модулей.

Формат PNG поддерживает полутоновые и полноцветные RGB-изображения с одним альфа-каналом, а также индексированные и монохромные изображения без альфа-каналов. Альфа-канал служит маской прозрачности. Таким образом, формат PNG – единственный из распространенных в Интернете форматов, позволяющий получать полноцветные изображения с прозрачным фоном. В формате PNG использован алгоритм сжатия LZ77. Существует два подформата: PNG8 и PNG24 (цифры означают максимальную глубину цвета, возможную в подформате).

В настоящее время компьютеры широко применяются при создании полиграфической продукции. При этом очень важно хранить высококачественные изображения с очень точной цветопередачей. Специально для этих целей корпорацией Aldus был разработан формат TIFF, который допускает глубину цвета до 48 бит (по 16 бит для красного, зеленого и синего), может содержать альфа-канал (карту прозрачности) и информацию, необходимую для печати изоб­ражения.

Благодаря независимости формата TIFF от архитектуры вычислительной системы, операционной системы и графических аппаратных средств он идеально подходит для обмена данными между различными настольными издательскими системами и связанными с ними приложениями.

Формат TIFF использует упрощенный вариант алгоритма сжатия LZW. В силу того, что такой алгоритм плохо подходит для сжатия полноцветных изображений фотореалистичного качества, файлы этого формата обычно занимают намного больше памяти, чем файлы формата JPEG, однако при использовании TIFF не происходит потери информации.