Основные форматы хранения растровых изображений

BMP (Bitmap Picture) – формат хранения растровых изображений. Изначально формат мог хранить только аппаратно-зависимые растры (англ. Device Dependent Bitmap, DDB), но с развитием технологий отображения графических данных формат BMP стал преимущественно хранить аппаратно-независимые растры (англ. Device Independent Bitmap, DIB). 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. Глубина цвета в данном формате может быть от 1 до 48 бит на пиксель, максимальные размеры изображения 65535×65535 пикселей. В формате BMP есть поддержка сжатия по алгоритму RLE, однако существуют форматы с более сильным сжатием, и из-за большого объёма BMP редко используется в Интернете, где для сжатия без потерь используются PNG и более старый GIF.

BMP-файл состоит из 4 частей: 1) заголовок файла (BITMAPFILEHEADER); 2) заголовок изображения (BITMAPINFOHEADER, может отсутствовать). BITMAPV4HEADER (Win95, NT4.0) BITMAPV5HEADER (Win98/Me, 2000/XP); 3) палитра (может отсутствовать); 4) само изображение. Структура BITMAPFILEHEADER содержит информацию о типе, размере и представлении данных в файле. Палитра может содержать последовательность четырёхбайтовых полей по числу доступных цветов (256 для 8-битного изображения). Три младших байта каждого поля определяют интенсивность красной, зелёной и синей компоненты цвета, старший байт не используется. Каждый пиксель изображения описан в таком случае одним байтом, содержащим номер поля палитры, в котором сохранен цвет этого пикселя. Если пиксель изображения описывается 16-битным числом, палитра может хранить три двухбайтных значения, каждое из которых определяет маску для извлечения из 16-битного пикселя красной, зелёной и синей компонент цвета. Файл BMP может не содержать палитры, если в нём хранится несжатое полноцветное изображение.

Данные изображения bmp – это 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). При количестве 1, 2, 4 или 8 бит на каждый пиксель может использоваться специальный режим индексированных цветов. В этом случае число, соответствующее каждому пикселю, указывает не на цвет, а на номер цвета в палитре. Благодаря использованию палитры имеется возможность адаптировать изображение к цветам, присутствующим на изображении. В таком случае изображение ограниченно не заданными цветами, а максимальным количеством одновременно используемых цветов.

JPEG (Joint Photographic Experts Group – название разработчика) – 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. MIME-типом является image/jpeg. Алгоритм JPEG является алгоритмом сжатия данных с потерями. Файл JPEG содержит последовательность маркеров, каждый из которых начинается с байта 0xFF, свидетельствующего о начале маркера, и байта-идентификатора.

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 пикселями приводит к появлению заметных артефактов. Такие изображения целесообразно сохранять в форматах без потерь, таких как TIFF, GIF, PNG или RAW.

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 или стандарт сжатия JPEG-LS.

RAW (cырой) – формат данных, содержащий необработанные (или обработанные в минимальной степени) данные, что позволяет избежать потерь информации, и не имеющий чёткой спецификации. В таких файлах содержится полная информация о хранимом сигнале, и она может быть несжатой, сжатой без потерь, или сжатой с потерями. В RAW-файлах цифровых фотоаппаратов обычно содержатся: "сырые" данные с матрицы; метаданные – идентификация камеры; метаданные – техническое описание условий съёмки; метаданные – параметры обработки по умолчанию; один или несколько вариантов стандартного графического представления ("превью", обычно JPEG среднего качества), обработанные по умолчанию.

Как правило, изображение в формате RAW можно получить, используя цифровые зеркальные фотокамеры или полупрофессиональные фотокамеры с несменной оптикой. Однако некоторые фотокамеры могут создавать такие файлы, находясь в недокументированном отладочном режиме или с изменённой прошивкой. В файл записывается состояние каждого элемента светочувствительной матрицы. Данные RAW содержит гораздо больше информации по сравнению с JPEG. Как правило, такие файлы имеют разрядность 12 или 14 бит на пиксель, по сравнению с 8 битами у JPEG. Поэтому файлы формата RAW имеют больший объём, чем JPEG, но меньший, чем, например, TIFF.

RAW часто называют "цифровым негативом", тем самым подчёркивая, что информация в нём не предназначена непосредственно для рассматривания, она одновременно избыточна (по числу бит на пиксель, например) и недостаточна (из-за действия массива цветных фильтров); конечный нормально воспринимаемый универсальный графический файл – это "отпечаток" с "негатива", условия создания которого (как и при печати в плёночной фотографии) можно изменять, получая с одного и того же "негатива" различные отпечатки. Обработка RAW-файла позволяет менять параметры кадра (такие как экспозиция, яркость, контраст, баланс белого, контурная резкость, насыщенность) непосредственно перед конвертацией, как если бы их делали перед съёмкой. Это позволяет получить конечное изображение, не потеряв при этом слишком затемнённые или слишком осветлённые участки одного кадра, например, пейзажа с тёмным лесом и ярким небом или малоконтрастного объекта.

DNG (Digital Negative Specification) – открытый формат для RAW файлов изображений, используемый в цифровой фотографии. Разработан компанией Adobe с целью создать стандартный формат для RAW файлов изображений вместо множества различных форматов разных производителей фотокамер. DNG является расширением формата TIFF 6.0 и совместим со стандартом TIFF-EP. Файл формата DNG может хранить в себе одно главное изображение, несколько изображений меньшего разрешения для предпросмотра и метаданные. Рекомендованное расширение для файлов .dng.

GIF (Graphics Interchange Format – формат для обмена изображениями) – формат хранения графических изображений. Формат GIF способен хранить сжатые данные без потери качества в формате не более 256 цветов. Независящий от аппаратного обеспечения формат GIF был разработан в 1987 году (GIF87a) фирмой CompuServe для передачи растровых изображений по сетям. В 1989-м формат был модифицирован (GIF89a), были добавлены поддержка прозрачности и анимации. GIF использует LZW-компрессию, что позволяет неплохо сжимать файлы, в которых много однородных заливок (логотипы, надписи, схемы).

Изображение в формате GIF хранится построчно, поддерживается только формат с индексированной палитрой цветов. Стандарт разрабатывался для поддержки 256-цветовой палитры. Формат GIF поддерживает анимационные изображения. Фрагменты представляют собой последовательности нескольких статичных кадров, а также информацию о том, сколько времени каждый кадр будет показан на экране. Анимация может быть закольцована, тогда после последнего кадра будет вновь показан первый и так далее.

TIFF (Tagged Image File Format) – формат хранения растровых графических изображений. Изначально был разработан компанией Aldus в сотрудничестве с Microsoft для использования с PostScript. 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. TIFF был выбран в качестве основного графического формата операционной системы NeXTStep, и из неё поддержка этого формата перешла в Mac OS X. Компания-владелец спецификаций Aldus Corporation впоследствии объединилась с Adobe, владеющей в настоящее время авторским правом на эти спецификации. 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 пикселя числами с плавающей запятой. TIFF является теговым форматом, позволяющим различную неоднородную информацию в файле разделять при помощи тегов.

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. 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. Первоначально они были разработаны для сетей факсимильной связи (поэтому иногда их называют Fax 3, Fax 4). В настоящий момент они также используются в полиграфии, системах цифровой картографии и географических информационных системах. Алгоритм Group 3 напоминает RLE, так как кодирует линейные последовательности пикселей, а Group 4 – двумерные поля пикселей.

PCX (PCExchange) – стандарт представления графической информации. Использовался графической программой ZSoft PC Paintbrush (одной из первых популярных графических программ) для MS-DOS компании Microsoft , текстовых процессоров и настольных издательских систем типа Microsoft Word и Ventura Publisher. Не столь популярный аналог BMP, хотя поддерживается специфическими графическими редакторами, такими, как Adobe Photoshop, Corel Draw и др. В настоящее время вытеснен форматами, которые поддерживают лучшее сжатие: GIF, JPEG и PNG. Тип формата – растровый. Большинство файлов такого типа использует стандартную палитру цветов, но формат был расширен из расчета на хранение 24-битных изображений. PCX – аппаратно-зависимый формат. Предназначается для хранения информации в файле в таком же виде, как и в видеоадапторе. Алгоритм такого сжатия очень быстрый и занимает небольшой объём памяти, однако не очень эффективен, непрактичен для сжатия фотографий и более детальной компьютерной графики.

PNG (Portable Network Graphics) – растровый формат хранения графической информации, использующий сжатие без потерь по алгоритму Deflate. PNG был создан как свободный формат для замены GIF, поэтому в Интернете появился рекурсивный акроним "PNG’s Not GIF". 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); опциональная поддержка альфа-канала; возможность гамма-коррекции; двумерная чересстрочная развёртка; возможность расширения формата пользовательскими блоками (на этом основан, в частности, APNG). PNG является хорошим форматом для редактирования изображений, даже для хранения промежуточных стадий редактирования, так как восстановление и сохранение изображения проходят без потерь в качестве. Также, в отличие, например, от TIFF, спецификация PNG не позволяет авторам реализаций выбирать, какие возможности они собираются реализовать. Поэтому любое сохранённое изображение PNG может быть прочитано в любом другом приложении, поддерживающем PNG.