Графические форматы

МНИСТЕРСТВО КУЛЬТУРЫ И ДУХОВНОГО  РАЗВИТИЯ РС(Я) 

АРКТИЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ИНСТИТУТ КУЛЬТУРЫ И  ИССКУСТВ 

ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ, БИБЛИОТЕЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И МЕНЕДЖМЕНТА  КУЛЬТУРЫ 

КАФЕДРА ИНФОРМАТИКИ 
 
 
 
 
 
 

Содержание 

Графические форматы

      Графические форматы различаются по виду хранимых данных (растровая, векторная и смешанная  формы), по допустимому объему данных, параметрам изображения, хранению палитры, методике сжатия данных (для EGA без сжатия требуется 256К) - DCLZ (Data Compression Lempel-Ziv), LZW (Lempel-Ziv & Welch), по способам организации файла (текстовый, двоичный), структуре файла (с последовательной или ссылочной (индексно-последовательной) структурой) и т.д.

      Растровый файл состоит из точек, число которых  определяется разрешением, измеряемым обычно в точках на дюйм (dpi) или на сантиметр (dpc). Очень важным фактором, влияющим, с одной стороны, на качество вывода изображения, а с другой - на размер файла, является глубина цвета, т.е. число разрядов, отводимых для хранения информации о трех составляющих (если это цветная картинка) или одной составляющей (для полутонового не цветного изображения). Например, при использовании модели RGB глубина 24 разряда на точку означает, что на каждый цвет (красный, синий, зеленый) отводится по 8 разрядов и поэтому в таком файле может храниться информация о 2^24 = 16,777,216 цветах (Обычно в этом случае говорят о 16 млн. цветов). Очевидно, что даже файлы с низким разрешением содержат в себе тысячи или десятки тысяч точек. Так, растровая картинка размером 1024х768 точек и с 256 цветами занимает 768 Кбайт. Для уменьшения объемов файлов разработаны специальные алгоритмы сжатия графической информации. Именно они и являются основной причиной существования графических форматов.

      Векторный способ записи графических данных применяется  в системах автоматического проектирования (CAD) и в графических пакетах. В  этом случае изображение состоит  из простейших элементов (линия, ломаная, кривая Безье, эллипс, прямоугольник  и т.д.), для каждого из которых  определен ряд атрибутов (например, для замкнутого многоугольника - координаты угловых точек, толщина и цвет контурной линии, тип и цвета заливки и т.д.). Записывается также место объектов на странице и расположение их друг относительно друга (какой из них "лежит" выше, а какой ниже). Векторный формат является доказательством идеи древнегреческий математиков о том, что любую существующую в природе форму можно описать, используя геометрические примитивы и компас.

      У каждого метода есть свои преимущества. Растровый позволяет передавать тонкие, едва уловимые детали образов, векторный же лучше всего применять, если оригинал имеет отчетливые геометрические очертания. Векторные файла меньше по объему, зато растровые быстрее  вырисовываются на экране дисплея, так  как для вывода векторного изображения  процессору необходимо произвести множество  математических операций. С другой стороны, векторные файлы гораздо  проще редактировать.

      Существует  множество программ-трансляторов, переводящих  данные из векторного формата в растровый. Как правило, такая задача решается довольно просто, чего нельзя сказать  об обратной операции - преобразовании растрового файла в векторный  и даже о переводе одного векторного файла в другой. Векторные алгоритмы  записи используют уникальные для каждой фирмы-поставщика математические модели, описывающие элементы изображения.

      Ниже  описан ряд наиболее распространенных графических форматов.

1. PCX - Простейший растровый формат. Первоначально этот формат использовался в программе PaintBrush фирмы Zsoft, однако в последствии получил широкое распространение среди пакетов редактирования растровых изображений, хотя до сих пор не признан в качестве официального стандарта. К сожалению, в процессе своей эволюции PCX претерпел настолько значительные изменения, что современная версия формата, поддерживающая 24-разрядный цветовой режим, не может использоваться старыми программами. С самого "рождения" формат PCX был ориентирован на существующие видеоадаптеры (сначала EGA, потом VGA) и поэтому является аппаратно-зависимым. В PCX используется схема сжатия данных RLE, позволяющая уменьшать размер файла, например, на 40- 70%, если используется 16 и менее цветов, и на 10- 30% для 256-цветных изображений.
2. BMP - (Windows Bitmap) разрабатывался фирмой Microsoft как совместимый со всеми приложениями Windows. Для приложений в операционной системе OS/2 имеется собственная версия BMP. В формате BMP можно сохранять черно-белые, серые полутоновые, индексные цветные и цветные изображения системы RGB (но не двухцветные или цветные изображения системы CMYK). Недостаток этих графических форматов: большой объем. Следствие - малая пригодность для Internet-публикаций.
3. GIF - поддерживает до 256 цветов, позволяет задавать один из цветов как прозрачный, дает возможность сохранения с чередованием строк (при просмотре сначала выводится каждая 8-я, затем каждая 4-я и т.д. Это позволяет судить об изображении до его полной загрузки). Способен содержать несколько кадров в одном файле с последующей последовательной демонстрацией (т.н. "анимированный GIF"). Уменьшение размера файла достигается удалением из описания палитры неиспользуемых цветов и построчного сжатия данных (записывается количество точек повторяющегося по горизонтали цвета, а не каждая точка с указанием ее цвета). Такой алгоритм дает лучшие результаты для изображений с протяженными по горизонтали однотонными объектами. Для сжатия файла используется высокоэффективный алгоритм Лемпела - Зива - Велча (LZW)
4. TIFF (target image file format) - был разработан специально для использования в приложениях, связанных с компоновкой страницы и направлен на преодоление трудностей, которые возникают при переносе графических файлов с IBM-совместимых компьютеров на Macintosh и обратно. Он поддерживается всеми основными графическими пакетами и пакетами редактирования изображений и читается на многих платформах. Использует сжатие изображения (LZW). Формат TIFF очень удобен, но за это приходится расплачиваться огромными размерами получаемых файлов (например, файл формата А4 в цветовой модели CMYK с разрешением 300 dpi, обычно применяемым для высококачественной печати, имеет размер около 40 Мбайт). Кроме того, существует несколько "диалектов" формата, которые не каждая программа, поддерживающая TIFF, легко "понимает".
5. JPEG - миллионы цветов и оттенков, палитра не настраиваемая, предназначен для представления сложных фотоизображений. Разновидность progressive JPEG позволяет сохранять изображения с выводом за указанное количество шагов (от 3 до 5 в Photoshop'e) - сначала с маленьким разрешением (плохим качеством), на следующих этапах первичное изображение перерисовывается все более качественной картинкой. Анимация или прозрачный цвет форматом не поддерживаются. Уменьшение размера файла достигается сложным математическим алгоритмом удаления информации - чем заказываемое качество ниже, тем коэффициент сжатия больше, файл меньше. Главное, подобрать максимальное сжатие при минимальной потере качества. Последний идентифицирует и отбрасывает данные, которые человеческий глаз не в состоянии увидеть (незначительные изменения в цвете не различаются человеком, тогда как улавливается даже малейшая разница в интенсивности, поэтому JPEG меньше подходит для обработки черно-белых полутоновых изображений), что приводит к существенному уменьшению размера файла. Таким образом, в отличие от метода сжатия LZW или RLE в результате применения технологии JPEG данные теряются навсегда. Так, файл, однажды записанный в формате JPEG, а затем переведенный, скажем, в TIFF, уже не будет тем же, что и оригинал. Наиболее подходящий формат для размещения в Интернете полноцветных изображений. Вероятно, до появления мощных алгоритмов сжатия изображения без потери качества останется ведущим форматом для представления фотографий в Web.
6. PNG - пока малораспространен из-за слабой рекламы, создавался специально для Интернета как замена первых двух форматов и благодаря патентной политике Compuserve постепенно вытесняет GIF (см. выше). Позволяет выбирать палитру сохранения - серые полутона, 256 цветов, true color ("истинные цвета"). В зависимости от свойств изображения действительно иногда предпочтительнее GIF'a или JPG'a. Позволяет использовать "прозрачный" цвет, но, в отличие от GIF'a таких цветов может быть до 256. В отличие от GIF сжатие без потери качества производится и по горизонтали и по вертикали (алгоритм собственный, параметры тоже не настраиваемые). Не умеет создавать анимированные ролики (разрабатывается формат MNG).
7. PDF (Portable Document Format) - это пример смешанного формата, предназначенного для хранения текста и графики одновременно. В формате PDF сохраняются данные текстовым редактором Adobe Acrobat. Для сжатия графики применяется метод LZW.
8. WMF (Windows Metafile) – еще один родной формат Windows. Служит для передачи векторов через буфер обмена (Clipboard). Понимается практически всеми программами Windows, так или иначе связанными с векторной графикой. Однако, несмотря на кажущуюся простоту и универсальность, пользоваться форматом WMF стоит только в крайних случаях для передачи "голых" векторов. WMF искажает (!) цвет, не может сохранять ряд параметров, которые могут быть присвоены объектам в различных векторных редакторах, не понимается программами на Macintosh
9. PSD - формат графического редактора Adobe Photoshop. Обладает очень большими возможностями. Хранит данные о различных палитрах цветов, о прозрачности, имеет возможность хранения послойных изображений. При этом отличается большим размером.

      В настоящее время разрабатываются  перспективные графические форматы  и некоторые из них уже понимаются броузерами, но еще не поддерживаются большинством графических редакторов (*.art фирмы Johnson-Grace). Другие же требуют наличия у броузеров плагинов для своего просмотра (*.fif, обеспечивает сильное сжатие и позволяет растягивать изображения на весь экран при любом разрешении без заметной потери качества).

      Опишу графические форматы, используемые на Macintosh и РС. Опишу не все, а только наиболее известные и популярные; кроме того, расскажу о ряде малоизвестных, но весьма полезных форматах файлов. Надеюсь, что полученная информация поможет вам избежать многих ошибок при работе с графикой.

      Вся компьютерная графика делится на две большие ветви: растровую  и векторную. Векторы представляют собой математическое описание объектов относительно точки начала координат. Проще говоря, чтобы компьютер  нарисовал прямую, нужны координаты двух точек, которые связываются  по кратчайшей, для дуги задается радиус и т.д. Таким образом, векторная  иллюстрация - это набор геометрических примитивов. Сложность при передаче данных из одного векторного формата  в другой заключается в использовании  программами различных алгоритмов, разной математики при построении одних  и тех же объектов.

      Растровый файл устроен проще (для понимания, по крайней мере). Он представляет собой  прямоугольную матрицу (bitmap), разделенную на маленькие квадратики - пикселы (pixel - picture element). Чем больше пикселов в каждом квадратном дюйме на матрице, тем выше разрешение файла. Данная структура характерна для всех растровых форматов. Различаются они способностью нести какую-либо дополнительную информацию, количеством информации о цвете, которую можно определить для каждого пиксела, способом архивации, другими особенностями.

      BMP (Windows Device Independent Bitmap)

      Формат  ВМР является родным форматом Windows, он поддерживается всеми графическими редакторами, работающими под ее управлением. Применяется для хранения растровых изображений, предназначенных для использования в Windows и, по сути, больше ни на что не пригоден. Способен хранить как индексированный (до 256 цветов), так и RGB-цвет (16.700.000 оттенков). Возможно, применение сжатия по принципу RLE, но делать это не рекомендуется, так как очень многие программы таких файлов не понимают (они могут иметь расширение .rle). Существует разновидность формата ВМР для операционной системы OS/2. На Macintosh BMP читается и пишется без всяких проблем Photoshop'ом.

WMF (Windows Metafile)

      Еще один родной формат Windows. Служит для передачи векторов через буфер обмена (Clipboard). Понимается практически всеми программами Windows, так или иначе связанными с векторной графикой. Однако, несмотря на кажущуюся простоту и универсальность, пользоваться форматом WMF стоит только в крайних случаях для передачи "голых" векторов. WMF искажает (!) цвет, не может сохранять ряд параметров, которые могут быть присвоены объектам в различных векторных редакторах, не понимается программами на Macintosh.

PICT (Macintosh QuickDraw Picture Format)

      Стандарт  для буфера обмена Macintosh. Способен нести как растровую, так и векторную информацию. Поддерживается на Mac'e всеми программами. На РС имеет расширение .pic или .pct. PICT читается рядом программ, но работа с ним редко бывает простой и бесхитростной.

GIF (CompuServe Graphics Interchange Format)

      Разработанный фирмой CompuServe для передачи растровых изображений по сетям, формат GIF не зависит от аппаратного обеспечения. Он использует LZW-компрессию, что позволяет хорошо сжимать файлы, в которых много однородных заливок (логотипы, надписи, схемы). GIF-формат позволяет записывать изображение "через строчку" (Interlaced), благодаря чему, имея только часть файла, можно увидеть изображение целиком, но с меньшим разрешением. Эта возможность широко применяется в Интернете. Сначала вы видите картинку с грубым разрешением, а по мере поступления новых данных ее качество улучшается. В GIF'e можно назначить один или более цветов прозрачными, они станут невидимыми в интернетовских браузерах и некоторых других программах. Прозрачность обеспечивается за счет дополнительного Alpha-канала, сохраняемого вместе с файлом. Кроме того, файл GIF может содержать не одну, а несколько растровых картинок, которые интернетовские браузеры могут подгружать одну за другой с указанной в файле частотой. Это называется GIF-анимация.  
Основное ограничение формата GIF состоит в том, что цветное изображение может быть записано только в режиме 256 цветов. Для полиграфии этого явно недостаточно.

PNG (Portable Network Graphics)

      PNG - недавно разработанный формат  для Сети, призванный заменить  собой устаревший GIF. Использует  сжатие без потерь. Глубина цвета  может быть любой, вплоть до 48 бит (RGB, для сравнения, - 24), используется  Interlacing, причем не только строк, но и столбцов, поддерживается плавно переходящая прозрачность. В файл формата PNG записывается информация о гамма-коррекции. Гамма представляет собой некое число, характеризующее зависимость яркости свечения экрана вашего монитора от напряжения на электродах кинескопа. Это число, считанное из файла, позволяет ввести поправку яркости при отображении. Нужно оно для того, чтобы картинка, созданная на Мас'е, выглядела одинаково и на РС и на Silicon Graphics. Таким образом, эта особенность помогает реализации основной идеи WWW - одинакового отображения информации независимо от аппаратуры пользователя. Файлы PNG могут делать все основные графические редакторы. Их понимает Netscape Communicator 4.04 и, как пишут, Internet Explorer 4 (хотя у моей версии Explorer'a это не получилось).

JPEG (Joint Photographic Experts Group)

      Строго  говоря, JPEG'ом называется не формат, а алгоритм сжатия, основанный не на поиске одинаковых элементов, как в RLE и LZW, а на разнице между пикселами. JPEG ищет плавные цветовые переходы в квадратах 9х9 пикселов. Вместо действительных значений JPEG хранит скорость изменения от пиксела к пикселу. Лишнюю, с его точки зрения, цветовую информацию он отбрасывает, усредняя некоторые значения. Чем выше уровень компрессии, тем больше данных отбрасывается и тем ниже качество. Используя JPEG, можно получить файл в 10-500 раз меньше, чем ВМР! Формат аппаратно независим, полностью поддерживается на РС и Macintosh, однако он относительно нов и не понимается старыми программами (до 1995 года).

      Из  сказанного можно сделать следующие  выводы. JPEG'ом лучше сжимаются растровые картинки фотографического качества, чем логотипы или схемы - в них больше полутоновых переходов, среди же однотонных заливок появляются нежелательные помехи. Лучше сжимаются и с меньшими потерями изображения с высокой резолюцией (200-300 и более dpi), чем с низкой (72-150 dpi), т.к. в каждом квадрате 9х9 пикселов переходы получаются более мягкие за счет того, что их (квадратов) в файлах высокого разрешения больше. В JPEG'е следует сохранять только конечный вариант работы, потому что каждое пересохранение приводит к все новым потерям (отбрасыванию) данных и превращения исходного изображения в кашу.  
Как это ни парадоксально, возможности алгоритма сжатия JPEG реализованы в формате JPEG не полностью. Сжатие в файлах формата Photoshop EPS с JPEG-кодированием дает несколько лучшие результаты, но это мы обсудим ниже.

TIFF (Tagged Image File Format)

      Аппаратно независимый формат TIFF на сегодняшний  день является одним из самых распространенных и надежных, его поддерживают практически  все программы на РС и Macintosh так или иначе связанные с графикой. TIFF является лучшим выбором при импорте растровой графики в векторные программы и издательские системы. Ему доступен весь диапазон цветовых моделей от монохромной до RGB, CMYK и дополнительных цветов Pantone. TIFF может сохранять векторы Photoshop'a, Alpha-каналы для создания масок в видеоклипах Adobe Premiere и массу других дополнительных данных.

      TIFF имеет две разновидности: для  РС и Macintosh. Это связано с тем, что процессоры Intel и Motorola читают и записывают числа совершенно противоположными способами. Смущаться не стоит - как правило, программы с легкостью читают оба варианта формата.  
Наибольшие проблемы обычно вызывает LZW-компрессия, иногда применяемая в TIFF'e. Ряд программ (например, QuarkXPress 3.x и Adobe Streamline) не умеют читать такие файлы, кроме того, они могут дольше выводиться на принтеры и фотонаборные автоматы. Только если файл комрессуется в 3-4 раза, вы получаете выигрыш во времени вывода.