Praca kontrolna:

Multimedia

Temat:

Formaty plików graficznych

Wykonał:

Sylwester Zając

TIFF

[ang. Tagged Image File Format]. Coraz bardziej popularnym formatem przechowywania plików, wypierającym powoli

pliki BMP, staje się TIFF (rozszerzenie *.tif lub *.tiff). Służy on do zapisu grafiki rastrowej, w skład której wchodzą

m.in. fotografie. Opracowany został w 1986 roku przez Aldus Corporation, a później prace nad nim wspomagały

Microsoft i Hewlet-Paccard. Firma Aldus wynalazła go z myślą o zastosowaniach DTP i druku postscriptowym. Format

ten ma obecnie bardzo szerokie zastosowanie i wykorzystywany jest w aplikacjach do obróbki zdjęć ( Photoshop ,

PainShopPro , GIMP), do zaawansowanego składu tekstu ( QuarkXPress , Adobe InDesign), w oprogramowaniu

wspomagającym skanowanie i rozpoznawanie tekstu (FineReader, Recognita) czy programach do faksowania (ze

względu na możliwość zapisywania dokumentów wielostronicowych), obrazowaniu medycznym i wielu innych.

Format TIFF należy do bardzo elastycznych. Można w jednym pliku umieścić kilka obrazków oraz dane tekstowe.

Wszystko to, możliwe jest dzięki zastosowaniu �śtagów” (elektronicznych �śmetek”) w nagłówku pliku. Tagi określają

postać całego pliku, wskazując np.: na jego wymiary lub definiują jak rozłożone są informacje o obrazie oraz czy użyto

kompresji dla pliku. Kompresja w tych plikach jest bezstratna i dostępne są jej dwie opcje: LZW (Lemple-Zif-Welch)

oraz CCITT Group 4. Z grubsza ujmując, obie działają jak wewnętrzna kompresja ZIP. Kolejnym plusem dla plików

TIFF, jest ich zdolność do zapisu zdjęć zawierających znacznie większą rozpiętość barwną niż JPG. Rozpiętość tą

określa się ilości bitów na kanał. Kanały są trzy: czerwony, zielony i niebieski. W każdym z nich, można zapisać pewną

ilość pochodnych odcieni. Im więcej ich można pomieścić, tym subtelniejsze przejścia tonalne i więcej kolorów

zawartych będzie na fotografii. Pliki JPG są zapisywane w 8 bitów/ kanał (max może to być 12 bitów/kanał, ale bardzo

rzadko się takie spotyka), pliki RAW w 12 bitów/kanał, zaś pliki TIFF 16 bitów/kanał. Ilość bitów przekłada się na ilość

możliwych kolorów, którą można obliczyć przez podniesienie cyfry 2 do potęgi o wykładniku równym liczbie bitów,

np.: 8 bitów jest równoważne 256 kolorom, zaś 16 bitów to już 65 536 kolorów. Tyle ich występuje w każdym kanale. A

jak wiadomo, kanały są trzy, więc dla JPG daje to ilość kombinacji (a co za tym idzie możliwych do osiągnięcia

kolorów), równą 256*256*256=16.8 milionów, w pliku RAW do 68 miliardów barw, a w TIFF-ie aż 281 bilionów! W

zasadzie do zastosowań domowych to co zapewnia JPG w zupełności wystarcza, gdyż ludzkie oko może rozróżnić

znacznie mniej niż 16.8 mln kolorów.

BMP

[ang. BitMaP]. Format zapisu map bitowych, czyli plików zawierających obraz graficzny. System ten został

opracowany pierwotnie z myślą o systemie OS/2 (system opracowany przez Microsoft i IBM pod koniec lat

osiemdziesiątych, później rozwijany samodzielnie przez IBM jako alternatywa MS Windows NT). Wkrótce przyjął się

bardzo szeroko i stał się podstawowym formatem zapisu grafiki.

Charakteryzuje się on tym, że każdemu pikselowi (punktowi obrazu) przypisany jest kolor w postaci trzech bajtów (po

jednym na każdą składową: czerwony, zielony i niebieski) za pomocą palety RGB. Zakres barw zawartych w plikach

BMP rozciąga się od obrazków czarno-białych (dwa bity) do 16.7 miliona kolorów (8 bitów na pixel).

Pliki BMP składają się z trzech części:

-sygnatura,

-nagłówek,

-paleta RGB (opcjonalnie),

-dane obrazowe.

Sygnatura

Nagłówek

Informacje o palecie

Dane obrazu

W nagłówku znajduje się sygnatura pliku oraz informacje o jego rozmiarach, rozdzielczości etc. W drugiej części

znajduje się informacja o palecie barw, zaś w trzeciej dane obrazowe zapisywane w liniach od dołu do góry.

Mało kto wie, że w plikach BMP dostępna jest bezstratna kompresja metodą RLE (Run-Lenght Encoding), która jednak

rzadko jest wykorzystywana, gdyż nie zawsze uzyskuje się dzięki niej zadowalające efekty.

GIF

[ang. Graphics Interchange Format]. Format ten, należy do grupy plików prezentujących mapy bitowe. Wynaleziony

został w 1987 roku przez firmę CompuServe i szybko stał się jednym z głównych formatów prezentujących grafikę na

potrzeby Internetu.

Pliki GIF zawierają w sobie bezstratną kompresję LZW, dzięki której są znacznie mniejsze od bitmap, nie tracąc przy

tym nic na jakości (pod warunkiem, że obrazek nie zawiera więcej niż 256 kolorów). Z tego powodu formatu GIF na

próżno szukać w funkcjach zapisu w aparatach cyfrowych, gdyż dla fotografów jest on nieużyteczny. Zdjęcia

zawierające więcej niż 256 kolorów (a w zasadzie tylko takie się robi) nie dość, że nie są kompresowane, to ponadto są

słabszej jakości niż pliki JPEG, które tak często używane są do zachowywania fotografii.

Jednakże GIF-y przeważnie wykorzystywane są do zapisywania obrazków zawierających różne drobne elementy stron

www, jak np.: przyciski, diagramy, wykresy etc. Przy takich elementach format JPG nie radzi sobie zbyt dobrze, gdyż

znacznie gorzej oddaje ostre krawędzie i kontrastowe przejścia.

Dodatkową zaletą tego formatu jest możliwość zapisywania w nim wielu plików graficznych, wyświetlanych kolejno,

czyli tworzenia prostych animacji. Plik GIF ma również tą bardzo przydatną własność, którą jest występowanie

przezroczystego tła lub koloru, który może być zdefiniowany przez użytkownika.

Wokół tego formatu było również sporo zamieszania. W siedem lat po tym jak został stworzony przez CompuServe,

firma Unisys spostrzegła, że format ten używa kompresji LZW, która była strzeżona prawem patentowym. W tym

czasie GIF był już szeroko znanym i wykorzystywanym formatem plików graficznych. Firmy piszące programy

zarówno do tworzenia jak i odczytywania plików GIF, musiały uiścić tantiemę Unisysowi. Na szczęście w 1999 roku

wygasł już patent na używanie kompresji LZW w programach darmowych i dla użytku prywatnego, a w ubiegłym roku

ostatecznie wygasł patent na tą kompresję, co ucieszyło twórców oprogramowania komercyjnego.

JPEG

Nazwa pochodzi od ''Joint Photographic Experts Group'', grupy ludzi, którzy stworzyli algorytm kompresji danych

JPEG. Aby nazewnictwo skomplikować bardziej, plik utworzony przez algorytm JPEG nazywa się JFIF od ''JPEG File

Interchange Format''. W powszechnym użyciu przyjęło się jednak plik JFIF nazywać ''jpeg''.

Oko ludzkie bardziej odczuwa małe zmiany w jasności powierzchniowej obrazu, niż zmiany koloru. Taką cechę naszej

percepcji wykorzystuje algorytm JPEG aby zmniejszyć rozmiar pliku. Prowadzi to do kompresji stratnej, czyli

zmniejszenia rozmiaru obrazu kosztem jego jakości. Jest to proces nieodwracalny.

Ogólna zasada działania algorytmu JPEG przedstawia się następująco.

Najpierw algorytm zapamiętuje wartości składowych barwnych. Nie analizuje jednak wartości odpowiadających

systemom RGB, czy CMYK. Zamiast tego posługuje się przestrzenią kolorów podobną do YUV. YUV jest modelem

koloru zawierającym informację o jasności (nazywanej luminacją lub jaskrawością, Y) oraz barwie koloru

(chrominancji o składowych: nasycenie i odcień, U i V). Taka separacja na składowe (Y,U,V) wiąże się z tym, że

jasność obrazu jest dla oka ważniejsza niż informacja o barwie. Tę cechę naszego postrzegania stara się wykorzystać

algorytm podczas kompresji.

Warto wspomnieć, że na modelu YUW oparty jest także telewizyjny sygnał wideo.

Na tym etapie może wystąpić redukcja składowych U i V (tzw. downsampling). Z wyjściowej wartości stosunku

składowych barwnych 4:4:4 zwykle do: 4:2:2 w poziomie oraz 4:2:0 w pionie i w poziomie obrazu. Ten krok redukuje

objętość pliku o około 1/2 -- 1/3. Dla większości obrazów nie zauważymy żadnej różnicy w wyglądzie. Trzeba

zauważyć, że podobna redukcja nie zachodzi dla odcieni szarości (grayscale). Dlatego grafika kolorowa kompresuje się

lepiej niż czarno-biała.

Następnie obraz dzielony jest na bloki o rozmiarach 8x8 pikseli. W dalszej części JPEG posługuje się tzw. Dyskretną

Transformatą Kosinusową (Discrete Cosine Transform, DCT). DCT jest rodzajem Transformaty Furiera. Składowe

(Y,U,V) 8-pikselowego bloku przekonwertowane zostają do przestrzeni częstości. Powstaje macierz współczynników

transformaty. Są to liczby, które reprezentują średnią wartość piksela w bloku i zmiany częstości poza blokiem. Dzięki

temu można pozbyć się informacji występujących częściej bez naruszenia szczegółów.

Dalej, każdy z 64 elementów określających częstość, zostaje podzielony przez odpowiedni element tzw. macierzy

kwantyzacji, a następnie iloraz ten przybliżany jest do wartości całkowitej. Tu następuje główny etap kompresji

(nieodwracalnej). Taka kwantyzacja powoduje, że mało istotne wartości współczynników transformaty stają się zerami,

a pozostałe zmniejszają się.

Otrzymane macierzowe współczynniki transformaty zostają pogrupowane na podstawie podobieństw i powtarzalności

(np. zer) oraz zapisane w postaci ciągu cyfr. Do tego celu używa się kodu Huffmana, co również -- choć już znacznie

mniej -- kompresuje dane, ale tym razem bezstratnie, w pełni odwracalnie. Zamiennie do algorytmu Huffmana może

być stosowany tzw. arytmetyczny algorytm. Stosuje się go jednak rzadziej, ze względu na wolniejszy w stosunku to

Huffmana proces kodowania i odkodowania danych. Może jednak kompresować 5-10 procent lepiej, niestety jest

opatentowany. Najwyraźniej stosunek wielkości kompresji do ceny jest zbyt mały, przez co nie cieszy się ogólną

popularnością.

Obraz skompresowany przy pomocy algorytmu JPEG jest procesem odwracalnym ale nie da się otrzymać dokładnie

takich samych danych wyjściowych. Dlatego określa się go mianem kompresji stratnej. Dyskretna Transformata

Kosinusowa ma swoją Odwrotna Transformatę, jednak po odwróceniu dostajemy dane nie do końca zgodne z tymi

przed kompresją. Podczas kompresji inforamcje tracone są na etapie obcinania elementów macierzowych do wartości

całkowitych i bezpowrotnie tracone

Jeśli mamy grafikę 24 bity/piksel, to przy kompresji od około 10:1 (90%) do 20:1 (80%) wizualnie nie powinniśmy

dostrzec strat na obrazie. Przyjmuje się nieoficjalnie granicę 75:1 (25%) przy której zauważamy zmiany. Kompresja od

30:1 (70%) do 50:1 (50%) spowoduje już umiarkowanie wyczuwalne defekty. Jeśli nie zależy nam na szczegółach, a

obraz ma służyć np. jako podgląd, to stosować można kompresję 95:1 (5%) lub nawet 100:1 (0%).

Interesujący jest fakt, że nie powinno się zapisywać pliku 1:1 (100%), czyli w gruncie rzeczy bez kompresji. Limitem

jest wartość 5:1 (95%). Plik tak skompresowany będzie 2 lub 3 razy mniejszy od zapisanego z kompresją 1:1, a

wizualnych różnic nie powinniśmy dostrzec.

Obrazy czarno-białe nie kompresują się tak efektywnie jak kolorowe. JPEG nie może sobie pozwolić na znaczną

redukcję jasności, ponieważ oko zaraz taką zmianę by wychwyciło. Skompresowany obraz JPEG w odcieniach

szarości, jest tylko około 10-25 procent mniejszy, niż kolorowy o podobnej jakości. Trzeba jednak zauważyć, że

nieskompresowana grafika czarno-biała (8 bitów/piksel) ma objętość 1/3 razy mniejszą niż kolorowa (24 bity/piksel),

tak więc kompresja jest mniej efektywna dla odcieni szarości, ale wielkość pliku tak czy owak mała.

Jak zachowuje się obraz JPEG przy różnych stopniach kompresji można zobaczyć poniżej. W pierwszej kolumnie

podana jest wartość kompresji jaką zastosowano do oryginału (3264x2448). Druga kolumna zawiera przeskalowanie do

rozmiarów 1600x1200. W trzeciej kolumnie pokazany został wycinek oryginału.





Kompresja

1600x1200

Wycinek z oryginału 3264x2448

0.80 (80%)

0.50 (50%)

0.10 (10%)



0.05 (5%)

0.01 (1%)

JPEG2000 Jest to nowa wersja algorytmu kompresującego powstała na bazie JPEG. Główny standard JPEG2000

ogłoszony został w styczniu 2001 roku. Nie cieszy się jednak powszechnym użyciem ze względu na problemy natury

prawnej wynikające z opatentowanych metod kompresji.

Wyższość algorytmu JPEG2000 nad standardowym z roku 1992, osiągnięto dzięki zastosowaniu transformaty falkowej.

Nowy algorytm kompresji, w porównaniu do JPEG1992, pozwala uzyskać lepszą jakość kompresji przy takiej samej

objętości pliku oraz zmniejszenie rozmiarów grafiki o 20-30 procent, przy zachowaniu takiej samej jakości.





Document Outline


TIFF

[ang. Tagged Image File Format]. Coraz bardziej popularnym formatem przechowywania plików, wypierającym powoli pliki BMP, staje się TIFF (rozszerzenie *.tif lub *.tiff). Służy on do zapisu grafiki rastrowej, w skład której wchodzą m.in. fotografie. Opracowany został w 1986 roku przez Aldus Corporation, a później prace nad nim wspomagały Microsoft i Hewlet-Paccard. Firma Aldus wynalazła go z myślą o zastosowaniach DTP i druku postscriptowym. Format ten ma obecnie bardzo szerokie zastosowanie i wykorzystywany jest w aplikacjach do obróbki zdjęć ( Photoshop , PainShopPro , GIMP), do zaawansowanego składu tekstu ( QuarkXPress , Adobe InDesign), w oprogramowaniu wspomagającym skanowanie i rozpoznawanie tekstu (FineReader, Recognita) czy programach do faksowania (ze względu na możliwość zapisywania dokumentów wielostronicowych), obrazowaniu medycznym i wielu innych. JPEG2000 Jest to nowa wersja algorytmu kompresującego powstała na bazie JPEG. Główny standard JPEG2000 ogłoszony został w styczniu 2001 roku. Nie cieszy się jednak powszechnym użyciem ze względu na problemy natury prawnej wynikające z opatentowanych metod kompresji.