Dariusz Rysiowski
Grafika Komputerowa ( wektorowa i rastowa )
oraz formaty plików graficznych.
Grafikę komputerową można podzielić na grafikę: wektorową i rastrową. Odzwierciedla ona w postaci cyfrowej wykonane przez człowieka ilustracje graficzne lub rzeczywisty obraz.
Grafika wektorowa złożona jest z figur geometrycznych. Projektowana przez użytkownika nie ma bezpośredniego przełożenia na obraz rzeczywisty z natury. Nazywana jest też grafiką obiektową, ponieważ jest złożona z zestawu obiektów nakładających się na siebie w odpowiedniej kolejności. Każdy z obiektów można indywidualnie modyfikować. Grafika wektorowa jest skalowalna, co oznacza, że proces modyfikowania tego obrazu lub jego poszczególnych elementów nie wpływa na zmniejszenie jego jakości.
Skalowalność obrazu, grafika wektorowa zawdzięcza zapisowi matematycznemu obiektów. Najpopularniejszymi programami do tworzenia grafiki wektorowej są: CorelDRAW, Adobe Ilustrator, Macromedia Freehand, AutoCAD, Xara, Inkscape, 3Dstudio Max oraz Sodipodi.
Grafikę wektorową można przechowywać w formatach zewnętrznych, obsługiwanych przez różne programy. Są nimi: eps, pdf, svg, a także formatach skojarzonych bezpośrednio z konkretnymi programami do grafiki wektorowej, np. cdr, dwg.
Istnieje możliwość exportu plików grafiki wektorowej do formatów obrazów rastrowych,
np. tif, jpg lub gif. Proces odwrotny jest tylko możliwy dla bardzo prostych obiektów graficznych. Nazywa się on wektoryzacją lub trasowaniem. Wykorzystywany jest często w komputerowym wspomaganiu projektowania do przygotowywania podkładów projektowych.
Najpopularniejsze formaty plików wektorowych to: eps, pdf, svg, a także formaty skojarzone bezpośrednio z konkretnymi programami do grafiki wektorowej, np. cdr, dwg.
XCF (ang. eXperimental Computing Facility) - wewnętrzny format zapisu plików graficznych programu GIMP. Zachowuje on wszystkie zaznaczenia, warstwy, kanały i ścieżki,
jakie do tej pory zostały użyte i nie „spłaszcza obrazu (tak jak ma to miejsce przy zapisaniu grafiki
do formatu, np. JPG,PNG czy GIF. XCF nie stosuje kompresji. Pozwala to wygodną pracę
i możliwość powrotu do edycji źródła w dowolnym momencie. Jeśli plik zapisze się jako nazwa_pliku.xcf.gz lub nazwa_pliku.xcf.bz2, to zostanie on skompresowany w locie. Taki plik można otwierać i z powrotem zapisywać bezpośrednio w GIMP-ie, a zajmuje dużo mniej miejsca.
Wstępna specyfikacja formatu XCF została przygotowana przez Henninga Makholma. Jest on również twórcą zbioru narzędzi konwertujących grafikę z XCF na inne formaty. Twórcy GIMP-a także wnieśli swój wkład w kształt tej specyfikacji, a poza tym włączyli ją do oficjalnej dokumentacji programu.
XCF nie został stworzony do zastosowań przenośnych, w pewnych miejscach jest mocno związany z funkcjami i możliwościami GIMP-a. Bardziej elastycznym formatem niż XCF jest jego następca XCF2, który został opracowywany dla GIMP-a w związku z planowaną przesiadką
na bibliotekę GEGL.
SVG (Scalable Vector Graphics) stanowi przyszłość grafiki internetowej. SVG został stworzony w 1999 przez jedną z najważniejszych organizacji zajmujących się standardami
w Internecie - W3C. W 2001 uzyskał status rekomendacji W3C.Prace nad jego specyfikacją są jawne i nie podlegają żadnym prawom patentowym.
W SVG oprócz standardowych obiektów (prostokąty, elipsy, krzywe) można opisywać efekty specjalne (filtry), maski przezroczystości, wypełnienia gradientowe itp. W SVG można też opisać sposób animacji elementów za pomocą standardowych dla SMIL elementów i właściwości.
SVG pozwala na użycie języków skryptowych (np. JavaScript), szablonów stylów (CSS),
a także na rozszerzanie funkcjonalności przez dodanie własnych elementów i właściwości przy pomocy standardowych technik XML (przestrzenie nazw). Również w drugą stronę - SVG może być użyty wewnątrz innego dokumentu (aplikacji XML), np. XHTML, MathML.
Istnieje szansa, że SVG zastąpi w niektórych zastosowaniach format grafiki wektorowej Adobe Flash. Ma nad nim tę przewagę, że lepiej integruje się z dokumentami HTML. Nie zawiera jednak obsługi treści multimedialnych (audio, wideo) i przesyłania strumieniowego (odpowiedni standard do tego celu to SMIL).
Obrazy w .svg są łatwo skalowane, bardzo małe, mogą być przezroczyste lub animowane. Grafika może być dynamiczna i interaktywna, a obrazy mogą być przekształcane na różne sposoby. Format ten pozwala także na tworzenie efektywnych napisów. Zastosowanie znajdzie w tworzeniu wszelkiego typu informacji opracowanych w postaci min. map, wykresów, schematów. Należy pamiętać, że obiekty stanowią grafikę wektorową i nie nadają się w związku z tym do zapisu zdjęć. Wadą jest przede wszystkim brak możliwości szybkiej modyfikacji kodu grafiki.
EPS (Encapsulated PostScript) to specjalny format pliku, w którym informacje zapisane
są w taki sposób, aby bez problemu można je było skalować i przenosić bez utraty jakości. Stanowi podzbiór języka Postscript - opracowany przez firmę Adobe. Wymaga wysoko zaawansowanych technik do przetwarzania i drukowania. Przyjęty został za jeden ze standardów zapisu w poligrafii. Pliki zawierają często miniaturę, która pozwala na szybki podgląd zawartości; mogą być skalowane, ale nie można ich poddawać dalszej obróbce. Służy głównie do przechowywania pojedynczych ilustracji. Jest to format z pewnymi ograniczeniami, aby uniknąć problemów z importem czcionek wszystkie teksty są zamieniane na krzywe.
CDR jest podstawowym, zastrzeżonym formatem zapisu programu Corel Draw. W pliku cdr zapisane są informacje o wszystkich liniach i kolorach w postaci wzorów matematycznych jak
w obrazie wektorowym.
Jest tzw. „plikem otwartym”, co oznacza, że w zależności od wersji oprogramowania
i konfiguracji komputera, elementy w nim zawarte mogą zostać nieprawidłowo zinterpretowane.
W szczególności dotyczy to tekstów oraz efektów specjalnych. W dodatku wiele efektów specjalnych programu Corel Draw nie jest zgodnych z formatem PostScript, w efekcie nie powinno się ich stosować w przypadku przygotowywania profesjonalnych materiałów.
Aby uniknąć nieprzewidzianych błędów na wydruku należy unikać wbudowanych efektów specjalnych (tj. wypełnianie teksturami, efektów renderowanych, przezroczystości, itp.), nakładania wielu różnych efektów na jeden obiekt, maski kolorów na bitmapach. Nie jest zalecane wklejanie obiektów metodą Copy&Paste, gdyż obiekty wklejone w ten sposób mogą być błędnie interpretowane przez program.
Prawidłowo przygotowany CDR powinien spełniać poniższe warunki teksty powinny być zamienione na krzywe, wszystkie kolorowe bitmapy powinny być w jednym modelu kolorów CMYK albo RGB, obiekty wektorowe powinny być zdecydowane w przestrzeni CMYK lub Pantone®.
Drugim rodzajem grafiki jest grafika rastrowa, bardzo popularna ze względu na możliwość jej pozyskania poprzez wykorzystywanie skanerów i aparatów cyfrowych. Obraz rastrowy charakteryzuje zbiór pikseli, które różnią się między sobą barwą i jej intensywnością.
O jakości obrazu rastrowego decyduje całkowita liczba pikseli (wielkość obrazu) oraz ilości informacji przechowywanych w każdym pikselu (głębia koloru). Charakterystycznymi wielkościami obrazu rastrowego są szerokość i wysokość obrazu określana liczbą pikseli oraz liczbą bitów opisujących kolor jednego piksela.
Jakość takiego obrazu jest oczywiście uzależniona od wielkości takiego piksela, od tego,
czy on jest widoczny gołym okiem. Powiększenie takiego obrazu powoduje powiększenie rozmiarów pikseli, a więc pogorszenie jakości zdjęcia.
Dobrej jakości obraz rastrowy musi składać się z odpowiednio dobranej liczby pikseli przypadającej na jednostkę długości wydrukowanego (lub skanowanego) zdjęcia, określanej mianem rozdzielczości. Jednostką rozdzielczości jest „dpi" (dot per inch) i określa liczbę pikseli przypadającą na jeden cal długości. Wielkość rozdzielczości zależeć będzie od przeznaczenia tworzonych plików.
Najpopularniejsze formaty plików rastrowych to: bmp, png, tiff, jpg, gif.
GIF (Graphic Interchange Format) jest formatem graficznym opracowanym przez CompuServe służącym do komunikacji pomiędzy różnymi platformami sprzętowymi. Początki sięgają 1987 r. i wersji Gif 87. Kolejna wersja Gif 89a pozwalała na zapis przezroczystości, przeplotu,
czy animacji. Obecnie Gif jest jednym z najczęściej spotykanym i stosowanym formatem graficznym w Internecie, odczytywanym przez prawie wszystkie przeglądarki wyświetlające grafikę. Nie mamy również problemów z odczytem tego formatu na dostępnych systemach operacyjnych.
Jego zaletą jest mały rozmiar plików, wadą zaś jest to, iż grafika w nim przechowywana stosuje paletę 256 kolorów. Obok zastosowania podstawowej kompresji, możemy zredukować liczbę barw w obrazie, który może być również czarno-biały lub w odcieniach szarości. Format Gif nadaje się zwłaszcza do mniej złożonych, prostych i animowanych elementów stosowanych na stronach www.
Ze względu na to, iż do kompresji w formacie GIF może być używany algorytm LZW,
na którym ciążą patenty w kilku krajach świata, w 1995 został opracowany konkurencyjny format PNG używający do kompresji algorytmu deflate. 1 października 2006 r., według organizacji Software Freedom Law Center, wygasły wszystkie ograniczenia patentowe dotyczące formatu GIF i format ten można uznać za uwolniony.
JPEG (Joint Photographic Experts Group) jest drugim po, Gifie co do popularności formatem wykorzystywanym w Internecie. Prace nad standardem rozpoczęto w 1986 r. , publikując go w 1991 r. po 5 latach pracy z inicjatywy organizacji ISO i Ccitt pod kierownictwem ekspertów nazwanych Joint Photographic Experts Group. Motywacją do powstania tego standardu było ujednolicenie algorytmów kompresji obrazów monochromatycznych i kolorowych. Standard o nazwie ISO/IEC IS 10918-1 | ITU-T Recommendation T.81 został opublikowany w dwóch częściach w 1991 roku i definiował podstawowy (ang. baseline), sekwencyjny tryb kompresji stratnej, oparty
na dyskretnej transformacie kosinusowej (DCT) oraz jego różne rozszerzenia:
Tryb progresywny kompresji, również oparty na DCT, przewidziany do wyświetlania obrazów w trakcie przesyłania danych. Efekt płynnie wyostrzającego się obrazu jest szczególnie dobrze widoczny przy użyciu szybkiego dekompresora i wolnej transmisji danych. Tryb ten zyskał rozpowszechnienie wraz z rozwojem Internetu.
Tryb hierarchiczny, pozwalający na zapis w jednym pliku tego samego obrazu jako sekwencji kadrów o różnych rozdzielczościach. Kolejne kadry są kodowane jako różnice względem kadrów poprzednich, o niższej rozdzielczości, a nie jako oddzielne obrazy, co zmniejsza rozmiar pliku. Tryb ten nie definiuje, która z metod kompresji ma zostać użyta. Tryb hierarchiczny umożliwia szybki podgląd obrazów bez czasochłonnej dekompresji obrazów
o wysokiej rozdzielczości, co ma zastosowanie np. w fotografii cyfrowej.
Opisane metody kompresji stratnej umożliwiają uzyskanie dużej kompresji obrazu, rzędu 20:1 kosztem pewnej utraty szczegółów, na ogół niezauważalnej.
Opublikowany standard JPEG nie opisywał dokładnych implementacji algorytmów kompresji, nie określał też dokładnego formatu plików graficznych, zdefiniowano tylko podstawy znane
pod nazwą JPEG Interchange Format. W rezultacie największą popularność uzyskał wprowadzony przez firmę C-cube Microsystems format JFIF (ang. JPEG File Interchange Format), stanowiący rozszerzenie wobec standardu i posługujący się rozszerzeniem "jpeg" albo "jpg", dlatego często błędnie identyfikowany ze standardem JPEG. Inny popularny format pliku wykorzystujący standard JPEG to TIFF.
Stworzony jest do przechowywania obrazków niemających zbyt wielu ostrych krawędzi
i małych detali np. zdjęć portretów czy pejzaży. Znakomicie nadaje się do przechowywania fotografii
i publikowania ich na potrzeby stron www.; wykorzystywany jest także w druku, aparatach cyfrowych i skanerach. Zachowuje obrazy w 24 bitowym kolorze.
Algorytm kompresji używany przez JPEG jest algorytmem stratnym, tzn. w czasie jego wykonywania tracona jest bezpowrotnie część pierwotnej informacji.
Algorytm kompresji stratnej przebiega następująco:
obraz jest konwertowany z kanałów czerwony-zielony-niebieski (RGB) na jasność (luminancję) i 2 kanały barwy (chrominancje). Ludzie znacznie dokładniej postrzegają drobne różnice jasności od drobnych różnic barwy, a więc użyteczne jest tutaj użycie różnych parametrów kompresji. Krok nie jest obowiązkowy (opcjonalnie można go pominąć).
wstępnie odrzucana jest część pikseli kanałów barwy, ponieważ ludzkie oko ma znacznie niższą rozdzielczość barwy niż rozdzielczość jasności. Można nie redukować wcale, redukować 2 do 1 lub 4 do 1.
kanały są dzielone na bloki 8 × 8 pikseli. W przypadku kanałów kolorów, jest to 8 × 8 danych po redukcji rozdzielczości, a więc zwykle 16 × 16 pikseli obrazu początkowego.
na blokach wykonywana jest dyskretna transformata kosinusowa (DCT). Zamiast wartości pikseli mamy teraz średnią wartość wewnątrz bloku oraz częstotliwości zmian wewnątrz bloku, obie wyrażone przez liczby zmiennoprzecinkowe. Transformata DCT jest odwracalna, więc na razie nie tracimy żadnych danych.
zastąpienie średnich wartości bloków przez różnice wobec wartości poprzedniej. Poprawia
to w pewnym stopniu współczynnik kompresji.
kwantyzacja, czyli zastąpienie danych zmiennoprzecinkowych przez liczby całkowite.
To właśnie tutaj występują straty danych. Zależnie od parametrów kompresora, odrzuca się mniej lub więcej danych. Zasadniczo większa dokładność jest stosowana do danych dotyczących niskich częstotliwości niż wysokich.
współczynniki DCT są uporządkowywane zygzakowato, aby zera leżały obok siebie.
współczynniki niezerowe są kompresowane algorytmem Huffmana. Są specjalne kody
dla ciągów zer.
Użyta transformata powoduje efekty blokowe w przypadku mocno skompresowanych obrazków.
Wielką innowacją algorytmu JPEG była możliwość kontroli stopnia kompresji w jej trakcie, co umożliwia dobranie jego stopnia do danego obrazka, tak aby uzyskać jak najmniejszy plik,
ale o zadowalającej jakości. Niestety grafiki z dużą ilością jednego koloru oraz obrazy o niewielkich rozmiarach kompresowane są słabiej. Kompresja stratna powoduje, iż pomijane są mniej istotne szczegóły, co powoduje wystąpienie przebarwień i zniekształceń przy mocniejszym ustawieniu stopnia kompresji. Istotnym jest fakt, iż raz zachowany plik jako JPEG nie powinien być edytowany ponownie, ponieważ ma to wpływ to na pogorszenie jakości obrazu. Nową wersje programu nazwano JPEG 2000, standard ten opracowano jako uzupełnienie istniejących technik kompresji JPEG.
Zaletą jest trochę lepsza jakość obrazu przy tej samej kompresji. W odróżnieniu od Jpega może też być skompresowany bezstratnie. Wadą jest zbyt duża złożoność obliczeniowa.
PNG (Portable Network Graphics) jako format powstał w 1996r. i miał zastąpić format Gif, nie stał się jednak popularnym programem pomimo wielu dostępnych opcji i dobrej kompresji
nie miał początkowo poparcia firm produkujących przeglądarki (początkowo większość z nich
nie potrafiła odczytać poprawnie plików z tego formatu).
Podstawową zaletą formatu jest fakt, iż PNG nie jest obciążony patentami.
Obsługuje stopniowaną przezroczystość (tzw. kanał alfa) oraz 48-bitową głębię kolorów
czyli 16 bitów na kanał koloru. Dzięki temu można zapisać bezstratnie dowolne grafiki RGB (a nawet RGBA, czyli RGB+Alfa, do 64 bitów na piksel). Obsługuje też osadzone profile kolorów icc, icm
i dane exif.
Większość prostych narzędzi graficznych (np. IrfanView i XnView) umożliwia dowolną, ręczną redukcję koloru. Narzędzia bardziej zaawansowane (np. GIMP) oferują pracę na warstwach oraz automatyczną redukcję liczby kolorów, dostępną po przełączeniu z palety RGB (Red-Green-Blue) na tzw. kolor indeksowany. W tym trybie możliwe staje się zapisanie tylko niezbędnych informacji - np. o kolorach dominujących.
W dziedzinie archiwizacji fotografii format PNG okazuje się bardziej efektywny od starszych formatów bezstratnych takich jak TIFF i tylko nieznacznie mniej efektywny od formatów najnowszych - jak LWF czy JPEG 2000 - posiadających funkcję kompresji bezstratnej. Te ostatnie wciąż nie stanowią jednak realnej konkurencji z powodu małego rozpowszechnienia i braku wsparcia w oprogramowaniu użytkowym[potrzebne źródło].
Format PNG zalecany jest przez konsorcjum W3C jako preferowany format grafiki dla sieci WWW. Szacuje się, iż PNG w sieciach WWW zostanie częściowo wyparty w następnych latach przez grafikę SVG. Dotyczy to takich obszarów jak choćby grafika prezentacyjna czy schematy blokowe.
Z drugiej strony maleją szanse na powstrzymanie przez PNG ekspansji formatu PDF
i usprawnienie np. korporacyjnego obiegu dokumentów w formie załączników do poczty elektronicznej. Przewaga PNG, polegająca na plikach o niewielkich rozmiarach (warunek: optymalizacja), jak również małych i szybkich programach graficznych do ich prezentacji,
traci na znaczeniu wobec stale rosnącej mocy obliczeniowej komputerów.
W przeciwieństwie do Gif nie pozwala również na przechowywanie wielu obrazków
w pojedynczym pliku, dlatego też nie posłuży nam do tworzenia animacji. Obecnie nie wiadomo jaka przyszłość czeka format .png.
BMP (BitMap) należy do popularnych formatów przechowywania obrazu w pamięci komputera, przedstawia najprostszy sposób zapisu grafiki. Został początkowo opracowany
dla systemu OS/2, przez Microsoft i IBM pod koniec lat 80-tych, obecnie stosowany w systemie Windows.
Obraz przechowywany jest jako bitmapa. Wykorzystuje się go min. do zapisu tapet na pulpit. Zawiera w sobie prostą kompresję bezstratną RLE, nie musi być ona użyta, jak również zawiera informacje o użytych kolorach - obsługuje tylko tryb RGB (czerwony, zielony i niebieski). W pliku Bmp występuje odwrotna kolejność: 1 bajt odnosi się do nasycenia koloru niebieskiego,
2 do zielonego, a trzeci do czerwonego. W zależności od ilości kolorów zapis dzielimy na:1 bitowy (czarno-biały), 4 bitowy zawierający 16 kolorów, 8 bitowy (256 kolorów), 24 bitowy
(16,7 mln kolorów).
Problemem formatu jest fakt, iż pliki w nim generowane posiadają duży format. Nie można
w nim również tworzyć animowanych obrazków.
TIFF (Tagged Image File Format) używany jest do wymiany plików pomiędzy aplikacjami
i platformami komputerowymi. Format został opracowany przez firmę Aldus Corporation w 1986 r., wspomagany później przez Microsoft. Jest to rodzaj bitmapy wykorzystujący różne metody kompresji zarówno stratnej jak i bezstratnej, można go zapisać także bez kompresji. Pliki zapisane
w tym formacie mają rozszerzenie ".tif" lub ".tiff".
Format TIFF pozwala na zapisywanie obrazów stworzonych w trybie kreskowym,
skali szarości oraz w wielu trybach koloru i wielu głębiach bitowych koloru. Przechowuje ścieżki
i kanały alfa, profile koloru, komentarze tekstowe. TIFF umożliwia stosowanie kompresji bezstratnej typu LZW oraz CCITT Group 4.
Używany jest obecnie w DTP jako jeden z podstawowych formatów w tej branży,
grafice trójwymiarowej (pomocniczo), w obrazowaniu medycznym itd. Umożliwia także zapisywanie dokumentów wielostronicowych (zawierających wiele obrazów)
RAW (ang. surowy) - ogólne określenie formatów zapisu danych bez nagłówków.
W fotografii cyfrowej rejestracja zdjęć w formacie RAW pozwala na zachowanie najwyższej jakości obrazu oferowanej przez aparat dając możliwość dokładnej obróbki pliku na komputerze.
Format RAW charakteryzuje się dużym zakresem tonalnym, brakiem kompresji stratnej
i zawiera zazwyczaj 12 lub 14 bitów na piksel (w odróżnieniu od 8-bitowych plików JPEG).
Plik w formacie RAW uważa się za cyfrowy odpowiednik negatywu, a jego konwersję
za wywoływanie. Wywołanie RAW-u można powtarzać dowolną ilość razy np. dla różnego balansu bieli. Nie jest możliwy natomiast proces odwrotny - nie można przekształcić zdjęć np. z formatu JPEG na format RAW, bo część danych uległa bezpowrotnemu straceniu (pominięciu).
W odróżnieniu od zapisu w formacie JPEG albo TIFF, plik RAW nie zawiera bowiem obrazu przetworzonego (wywołanego) przez oprogramowanie aparatu, lecz „surowe” (ang. raw) dane
z matrycy światłoczułej. Przeniesienie obróbki obrazu z aparatu do komputera pozwala
na zastosowanie oprogramowania o większych możliwościach w stosunku do funkcji dostępnych
w aparacie.
Praktycznie każdy producent aparatów stosuje własny (niezgodny z innymi) format plików typu RAW. Aby umożliwić łatwą wymianę takich plików, firma Adobe opracowała jego nową odmianę, DNG (skrót z ang. digital negative), która w założeniu ma się stać standardem.
Jedną z pierwszych firm wspierających DNG był Pentax wprowadzając ten format zapisu w modelach K10D, K200D i późniejszych. Inne firmy wspierające format RAW to Leica, Ricoh, Casio czy też Hasselblad.
Mianem RAW-ów w społecznościach fansuberskich określa się również pliki wideo, nieposiadające zintegrowanych napisów (a jedynie oryginalne audio oraz wideo).