Форматы графических файлов

Формат графического файла — это способ представления графических данных на внешнем носителе.

Различают растровые и векторные форматы графических файлов. Среди них, в свою очередь, выделяют собственные (оригинальные) форматы графических приложений и универсальные графические форматы, которые «понимаются» всеми приложениями, работающими с растровой (векторной) графикой.

Для всех растровых форматов общей проблемой является большой объём данных. Для её решения применяют различные методы сжатия данных.

Под сжатием (упаковкой, компрессией) данных понимается применение алгоритмов преобразования данных, производимое с целью уменьшения их объёма. Обратная процедура называется восстановлением данных (распаковкой, декомпрессией).
Различают две основные группы:

методы сжатия без потерь, позволяющие восстановить исходные данные без каких-либо изменений;
методы сжатия с потерями, восстанавливающие данные с отличиями, допустимыми с точки зрения дальнейшего их использования.

BMP (от англ. Bit МаР image — битовая карта изображения). В этом формате можно хранить только однослойные растры. На каждый пиксель в разных типах файлов может приходиться разное количество бит (глубина цвета): 1, 2, 4, 8, 16, 24, 32, 48 и 64. Изображения в этом универсальном формате в большинстве случаев хранятся в файлах попиксельно, без сжатия, потому размеры таких файлов достаточно большие.

Сколько бит может приходиться на глубину цвета в файлах с расширением bmp, созданных в графическом редакторе Paint?

Для глубины цвета 4 и 8 бит формат BMP допускает RLE- кодирование, которое может уменьшить размер файлов.

Алгоритм RLE (от англ. Run Length Encoding — кодирование длин серий) — один из простейших методов сжатия изображений. Его основной идеей является поиск цепочек одинаковых элементов и замена их на пары «число повторений — значение», что в определённых случаях существенно уменьшает избыточность данных.

Например, состоящая из 39 символов строка

AAAAAABBCCCCCCCDEEEEEEAAAAAAAAAAAAAAAAA

будет закодирована следующим образом: 6A2B7C1D6E17A. Полученная последовательность состоит из 13 символов. Данные оказались сжаты в 39/13 = 3 раза.

Алгоритм в первую очередь рассчитан на изображения с большими областями одного цвета (деловая графика, схемы, рисунки и т. п.). При его использовании в других ситуациях (например, при сохранении цветных фотографий) вместо уменьшения размера файла может происходить его увеличение.

Возьмём строку, в которой нет большого количества цепочек одинаковых элементов и достаточно часто встречаются символы, идущие без повторов: ABCDBCABCDDDFFFFFF. После сжатия методом RLE она будет выглядеть так: 1A1B1C1D1B1C1A1B1C3D6F. Исходная строка состоит из 18 символов, а результат сжатия — из 22. Размер данных увеличился в 22/18 ≈ 1,22 раза.

Рассмотрим внимательно исходную строку: среди её первых девяти элементов нет цепочек из идущих подряд одинаковых символов (ABCDBCABC), затем записаны 3 символа «D» и наконец — 6 символов «F». Если для записи длины цепочки идущих подряд одинаковых символов использовать положительные числа, а для записи количества следующих друг за другом различных символов использовать отрицательные числа, то можно записать: -9ABCDBCABC3D6F.

Исходная строка состоит из 18 символов, а сжатая — из 15. Размер данных уменьшился в 18/15 = 1,2 раза.

Для сжатия сложных изображений зачастую применяется алгоритм словарей или алгоритм LZW — Лемпеля-Зива-Велча, названный так по именам его разработчиков Авраама Лемпеля, Якоба Зива и Терри Велча. В его основе лежит идея замены наиболее часто встречающихся последовательностей в исходном потоке данных ссылками на «образцы», хранящиеся в специально создаваемой таблице (словаре).

Этот способ активно применяется при сжатии самых разных данных, в том числе и графических. Такой способ сжатия применяется в графических форматах GIF, PNG, TIFF. Рассмотрим эти форматы подробнее.

GIF (от англ. Graphics Interchange Format — формат обмена графикой) обладает высокой степенью сжатия, дающей возможность уменьшить размеры файлов в несколько раз. Этот формат предназначен для хранения статичных и анимированных изображений, которые содержат до 256 цветов (например, рисованные иллюстрации). GIF-анимация представляет собой последовательность из нескольких статичных кадров, а также информацию о том, сколько времени каждый кадр должен быть показан на экране. В цикличных анимациях вслед за последним кадром начинается воспроизведение первого кадра и т. д. Долгое время GIF был одним из наиболее распространённых форматов в Интернете. Стандартное расширение имён файлов данного типа — gif.

Окончание >>>