Методическое пособие «представление графической информации в вычислительной технике» Часть 4




Скачать 250.53 Kb.
НазваниеМетодическое пособие «представление графической информации в вычислительной технике» Часть 4
страница1/2
Дата публикации27.03.2013
Размер250.53 Kb.
ТипМетодическое пособие
vbibl.ru > Информатика > Методическое пособие
  1   2


МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

С. О. БОГДАНОВ


МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ


«ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ»



Часть 4

Форматы растровых файлов

Векторные изображения


МОСКВА 1998

Форматы растровых файлов
На первый взгляд кажется непонятным, откуда появилось такое разнообразие форматов растровых изображений. Ведь их природа достаточно проста — это матрица пикселей. Какие же здесь могут быть вариации?

Различные группы разработчиков старались наделить разрабатывае­мые форматы теми или иными свойствами, часто взаимоисключаю­щими, которые определялись в соответствии с решаемыми задачами и областями применения. Обычно рассматриваются такие свойства форматов как качество кодирования графики, легкость ввода-вывода и обработки информации, переносимость на другие платформы, под­держка формата другими производителями программного и аппаратно­го обеспечение, эффективность хранения графических данных, расши­ряемость, возможность калибровки цветов и поддерживаемые цветовые модели, а также многое другое (в том числе и простота написания программ для поддержки формата).

Не редки случаи, когда особо удачные форматы патентовались раз­работчиками, и их детали не раскрывались. Одним из подобных приме­ров является формат PhotoCD, разработанный фирмой Kodak. Он позволяет в очень компактном виде хранить изображения фотографи­ческого качества, а при декодировании получать изображения с разли­чными заранее определенными разрешениями. Устройство формата хранится в тайне и защищено патентом, однако Kodak бесплатно пред­лагает всем желающим программный инструментарий для декодирова­ния и просмотра. Выгода здесь заключается в том, что процессы кодиро­вания изображений и создание графических библиотек на компакт-дисках в формате PhotoCD бесплатными не являются.

Итак, ясно, что каждый формат разработан для своей области применения и имеет определенные особенности. Рассмотрим теперь подробнее несколько наиболее распространенных сегодня форматов.

^ Bitmap (BMP)

Так называемые битовые карты, используемые в Microsoft Windows и OS/2, являются, пожалуй, самым простым по своей структуре форматом растровых изображений. Файл BMP состоит из двух частей: структуры данных, содержащую основные параметры изображения (ширина, высота, разрешение, тип сжатия и, может быть, ссылка на карту цветов), и собственно графических данных.

Этому формату «повезло», пожалуй, больше других. Битовые карты являются неотъемлемой частью графических операционных систем, поэтому для работы с ними существует целый набор функций, непо­средственно поддерживаемый операционными системами. Но с другой стороны это оборачивается и недостатком — на других платформах этот формат практически нигде не поддерживается.

Файлы BMP могут содержать изображения с 1, 4, 8 или 24 битами на пиксель. Графические данные сохраняются построчно справа налево, а сами строки — снизу вверх. При 24 бит на пиксель используется палитра True Color, описанная выше. То есть битовая карта содержит RGB-изображение, и каждый канал (красный, зеленый и синий) кодируется одним байтом и, соответственно, имеет 256 градаций. В том случае, если используется 1, 4 или 8 бит на пиксель, файл должен содержать карту цветов.

Когда необходимо уменьшить размер файла, часто прибегают к уменьшению палитры цветов. Как правило, в большинстве изображений (типа фотографий) без заметного уменьшения качества удается выде­лить 256 (а иногда и меньше: 16 или даже 2) наиболее часто используе­мых в них цветов, а остальные «подогнать» под выбранные. Поскольку теперь на один пиксел приходится не три, а один байт, то размер файла уменьшается в три раза. Для каждого из этих 256 (соответственно, 16 или 2) цветов сохраняется его представление в палитре True Color, и эти данные заносятся в таблицу. С ее помощью затем определяется реальный цвет пиксела, поэтому собранные в ней цвета называют индексными, а саму таблицу — картой цветов.

Существуют две разновидности битовых карт: зависимые и независимые от устройства. Обычно работают с битовыми картами, независимыми от устройства (DIB, Device-Independent Bitmap). Как правило, именно они сохраняются в виде файлов и обрабатываются программами. Лишь непосредственно перед выводом, например, на экран битовую карту приводят к виду зависимому от устройства в соответствии с графическим режимом, в котором работает устройство отображения.

В качестве алгоритма сжатия может использоваться групповое кодирование (RLE).

Файлы, представляющие собой битовые карты Microsoft Windows, обычно имеют расширения .BMP, .ICO, .DIB и .RLE.

^ Tag Image File Format (TIFF)

TIFF изначально разрабатывался как универсальный, независимый от платформы формат с ориентацией на использование в настольных издательских системах и связанных с ними приложениях. Действительно, для издательской деятельности TIFF подходит как нельзя лучше среди остальных растровых форматов, но сфера его применения гораздо шире.


^ Рис. 14. Уменьшение палитры цветов (индексирование)
У ниверсальность формата определяется его структурой. Она содержит три уровня: заголовок файла, некоторое количество каталогов (IFD, Image File Directory), содержащих служебную информацию или указатели на данные и собственно графические данные. IFD содержат полную информацию о том, как следует интерпретировать графические данные, доступ к которым, кстати, тоже осуществляется по ссылке, содержащейся в специальном каталоге. Все IFD организованы в файле в виде связанного списка (рис. 12), каждый IFD представляет собой массив 12-байтовых структур данных. Полезная информация об изображении, записанном в файле, находится в элементах этих массивов, которые обычно представляют собой теговые указатели, то есть они содержат сам тег, сведения о типе данных и их количестве и указатель на данные.

Такая структура файла гарантирует безграничные возможности расширения. Разумеется, существуют спецификации на формат (последняя редакция TIFF версии 6.0 была утверждена в июне 1992), где перечисляются теги и данные, которые они описывают. Производители программного обеспечения обязаны следовать этим спецификациям, чтобы с одним и тем же файлом могли работать различные программы, но тем не менее им никто не запрещает расширять формат новыми тегами для своих нужд. Если какие-то нововведения находят поддержку у других разработчиков, появляется новая редакция формата.

Благодаря своей гибкости TIFF поддерживает наибольшее среди других форматов количество цветовых моделей и алгоритмов сжатия. Это один из немногих форматов, способный хранить изображения в схеме CMYK. Благодаря возможности цветокалибровки TIFF гаранти­рует одинаковое отображение на различных устройствах вывода цветной графики и в градациях серого.

Любое вычислительное устройство, способное работать с графикой, можно отнести к одному из двух видов архитектур: архитектуры типа Intel и типа Motorola. В данном случае важным различием между ними является порядок следования байт. Когда идет речь об архитектуре Intel, при увеличении адреса мы сначала получаем доступ к младшему байту машинного слова, а затем к старшему. Процессоры же с архитектурой типа Motorola требуют сначала старший и только потом уже младший байт.

Формат TIFF изначально разрабатывался как многоплатформенный, и эта особенность микропроцессорной техники нашла в нем свое отражение. Первые два байта файла, принадлежащие заголовку файла, содержат символы ММ (для Motorola) или II (для Intel), указывая на порядок следования байт в самом файле. Разумеется, любые программы, работающие с TIFF, учитывают это и способны правильно интерпрети­ровать данные. Преимущество такой особенности формата проявляется при работе на «родной» архитектуре файла, значительно ускоряя работу.

Как ни странно, но универсальность TIFF является и его недостатком. Многие разра­ботчики часто злоупотребляют возможностями расширения формата, в результате чего ухудшается совместимость файлов между различными программами. Версия 6.0 формата появилась, в основном, с той целью, чтобы внести порядок и сделать совместимыми множество реа­лизаций формата.







^ Graphic Interchange Format (GIF)

Как уже следует из названия, GIF является не просто форматом графических данных, а представляет собой специальным образом организованную информацию для передачи в потоке данных. К приме­ру, TIFF имеет произвольную организацию данных — теги могут следо­вать в любом порядке. GIF же имеет последовательную организацию. На само кодирование изображения это практически не влияет, но зато для того, чтобы начать интерпретацию графики, не обязательно ждать, пока файл будет загружен целиком.

Впервые GIF появился в сети CompuServe и с тех пор очень активно используется для передачи графической информации практически во всех компьютерных сетях. Например, в стремительно расширяющейся в последние годы сети Internet более 90% всей графики представлено в форматах GIF и JPEG.

GIF поддерживает 24-битный цвет (True Color), реализованный в виде палитры с количеством цветов до 256. Максимальный размер изображения — 65536 х 65536 пикселей. Графические данные могут быть сжаты с помощью алгоритма LZW. К расширенным возможностям формата относятся:

  • «прозрачный» цвет;

  • сохранение нескольких изображений в одном файле, причем с возможностью «проигрывания» их последовательности с любой задержкой между кадрами (animated GIF);

  • возможность черезстрочной организации графических данных (interlaced GIF), что позволяет просматривать изображение целиком еще во время чтения графической информации и детализировать его по мере дальнейшей загрузки;

  • поддержка логического экрана — специальной области, в которой будут выводиться все последующие изображения.

GIF содержит пять основных компонентов, располагающихся в фиксированной последовательности: блок заголовка, блок дескриптора логического экрана, глобальная таблица цветов (палитра), блоки данных изображения и завершающий блок. Каждый блок отличается по определенному коду, или тегу, расположенному в первом байте.

В целом этот формат данных прекрасно справляется с возложен­ными на него функциями, хотя и не лишен недостатков. К ним относятся ограниченная 256 цветами палитра и невозможность использования каких бы то ни было цветовых моделей, кроме индексированной RGB.
JPEG

Схема сжатия JPEG, которая была описана выше, непосредственно реализуется в формате с тем же названием. Следует отметить, что гра­фическая информация, преобразованная методом JPEG и содержащая изобилующие нулями данные DСТ после квантования, подвергается дополнительному сжатию каким-либо алгоритмом, не вносящим потери. Как правило, для этого используется алгоритм Хаффмана. Структура файла, все его элементы в точности соответствуют этапам сжатия методом JPEG.

Файл JPEG состоит из сегментов, выстроенных в определенную последовательность. Каждый сегмент начинается с двухбайтового маркера, который идентифицирует его тип. Иногда за маркером следуют данные, иногда маркер сам представляет собой сегмент. Файл содержит сегменты начала и конца изображения, заголовка, сегмент расширенной информации, таблицы факторов квантования, фреймы (данные DСТ), таблицы Хаффмана и др.

Основной недостаток формата — большие требования к вычисли­тельным ресурсам и, как следствие, низкая скорость кодирования и восстановления изображений. Поэтому в компьютерных сетях, например в Internet, когда необходимо передавать большие объемы графической информации и быстро ее отображать, этот формат из-за хорошего сжатия используются для кодирования одиночных больших изображений. Маленькие же, которых обычно много, выгоднее передавать в виде быcтро декодируемых GIF-файлов.

Потери информации вследствие применения JPEG-компрессии могут приводить в некоторых случаях к нежелательным эффектам. Например, открывая в графическом редакторе JPEG-файл для внесения изменений, не следует после этого снова сохранять его в формате JPEG. Вторичное сжатие этим способом очень сильно увеличит потери, и при просмотре такое изображение будет казаться состоящим из цветных прямоугольных лоскутков. Поэтому при подготовке изображения рекомендуется использовать форматы без компрессии или с использо­ванием неразрушающего сжатия и только конечный результат работы переводить в JPEG.
FlashPix

FlashPix является еще очень молодым форматом, которому тем не ме­нее пророчат большое будущее. Он был анонсирован 3 июня 1996 года на выставке COMDEX. Архитектура формата FlashPix вобрала в себя лучшие идеи цифровой обработки изображений. Их описание применительно к FlashPix приведено ниже.

^ Использование нескольких разрешений. Вместо хранения изображе­ния с одним разрешением FlashPix создает иерархию из нескольких независимых копий одного и того же изображе­ния с разными разрешениями. Это свойство поз­воляет приложениям выбирать уровень с наибо­лее удобным для работы разрешением. Причем процесс выбора и подстановки этого уровня вместо уровня с максимальным разрешением абсолютно прозрачен и незаметен для пользова­теля. Например, когда требуется показать картин­ку на экране монитора, будет выбран уровень с наиболее близким разрешением, зато при выводе на печать будет задействован уровень с высоким разрешением, соответствующим возможностям печатающего устройства.

Очень удобно пользоваться этим свойством формата при редактировании изображений. Сам процесс редактирования может производиться на уровне с низким разрешением, где любая опера­ция будет выполняться практически мгновенно.

Последовательность действий пользователя, к которым относятся фильтрация изображений, изменение масштаба, цветовая коррекция и т. п., будет сохранятся в специальном сценарии (script). Когда работа будет завершена, сценарий «проигрывается» на уровне с максимальным разрешением, все подуровни автоматически пересчитываются, и результат можно сохранять.

Многоуровневая организация файлов FlashPix помогает также при работе в сетях передачи данных. Например, для простого просмотра изображений пользователем достаточно загрузить их с экранным раз­решением, а если потребуется получить эти изображения, то тогда по сети будут переданы их копии с высоким разрешением. Такой механизм передачи графической информации применительно к FlashPix называ­ется Internet Imaging Protocol (IIP), и в настоящее время начинает набирать популярность.

Иерархия создается начиная с уровня с максимальным разрешением (рис. 16). Следующий уровень имеет разрешение вдвое меньшее. Прило­жения, оптимизированные для работы с FlashPix, создают его, уменьшая в два раза вертикальный и горизонтальный размеры изображения. Еще более низкий уровень имеет разрешение в 4 раза меньшее, чем самый верхний. Процесс создания новых уровней прекращается, когда изобра­жение целиком способно уместиться в квадрате с ребром 64 пиксела.

^ Разбивка изображения на блоки. FlashPix делит изображение на одинаковые прямоугольные фрагменты вместо того, чтобы, как это реализуется в других форматах, хранить изображение в виде строк пикселов. Размер этих фрагментов, называемых блоками, выбирается кратным квадрату размером 64 пиксела.

Благодаря делению на блоки ввод-вывод изображения и его обра­ботка происходят быстрее, так как в памяти могут находиться только те блоки, непосредственно с которыми в настоящий момент работает программа, а не все изображение целиком, как это применяется при традиционном подходе.

^ Структурированное хранилище. Файл FlashPix изнутри представляет из себя так называемое структурированное хранилище (structured storage). Эта технология была позаимствована у Microsoft OLE и подобна файловой системе. Вся информация в файле FlashPix при этом организо­вана в некую структуру из виртуальных директорий и виртуальных файлов. Такой подход позволяет внедрять в файлы FlashPix помимо гра­фической любую другую информацию, что решает проблему гибкости и расширяемости формата. Более того, применение структурированного хранилища делает файлы FlashPix идеальными объектами для встраива­ния в любые документы при помощи технологий OLE2 или OpenDoc.

Возможность JPEG-компрессии. Естественно, что универсальный графический формат, тем более претендующий на роль стандарта de facto в ближайшем будущем, обязан обладать возможностью сжатия информации. Формат FlashPix версии 1.0 поддерживает JPEG-компрессию и сжатие по одному цвету, и кроме этого, может содержать несжа­тую графическую информацию. Сжатие по одному цвету применяется для блоков, содержащих пикселы одинакового цвета. Коэффициент сжатия при этом может достигать величины 4096:1.

Поддержка только этих алгоритмов сжатия объясняется, возможно, тем, что FlashPix в силу своей специфики получит наибольшее распространение в компьютерных сетях (в особенности в Internet), цифровой фото-видео аппаратуре и некоторых устройствах вывода, где JPEG применяется традиционно по уже описанным выше причинам. Возможно также и то, что использование других алгоритмов сжатия, например, LZW, ограничивается соответствующими патентами.

^ Применение различных цветовых моделей. FlashPix поддерживает две основные модели с возможностью цветовой калибровки: RGB (в том числе и grayscale) и Photo YCC — цветовой схемы, применяемой в формате Kodak PhotoCD и аналогичной YCbCr. В принципе, благодаря расширяемости формата и со специальным указанием, что цветовая калибровка запрещена, возможно применение и других цветовых моделей. Но, как для любого расширения стандарта, нет никакой уверенности в его поддержке всеми приложениями.

^ Описательная информация. Благодаря использованию структури­рованного хранилища формат FlashPix позволяет внедрять в файл неграфическую информацию, например, ссылки на авторские права, словесное описание содержимого файла, сценарии обработки изображения, информация об устройствах ввода-вывода, для которых предназначен этот файл, и др.

Таблица ^ 4. Сравнение растровых графических форматов

Характеристика

Графический формат

Bitmap

TIFF

GIF

JPEG

FlashPix

Цветовые

Black & White

+

+







+

модели

Grayscale

+

+




+

+




Index Colors

+

+

+










RGB

+

+







+




CMYK




+













YCbCr




+




+

+

Методы

PackBits (RLE)

+

+










сжатия

Huffman




+




+







LZW




+

+










JPEG




+




+

+

Расширяемость

нет

хорошо

нет

плохо

хорошо

Потери

нет

да/нет*

нет

да

да/нет*

Платформы

Windows, OS/2

любые

любые

любые

любые

Расширение имени файла

.bmp, .dib, .rle, .ico

.tif

.gif

.jpg

.fpx

* — потери при использовании JPEG-компрессии
  1   2

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Методическое пособие «представление графической информации в вычислительной технике» Часть 4 iconМетодическое пособие «представление графической информации в вычислительной технике» Часть 2
Изображения, с которыми приходится иметь дело в повседневной жизни, можно разделить на черно-белые и цветные. Примерно то же самое...

Методическое пособие «представление графической информации в вычислительной технике» Часть 4 iconМетодическое пособие «представление графической информации в вычислительной технике» москва 1998
Ввод-вывод, хранение и обработка ее сегодня осуществляются средствами вычислительной техники, но требуются при этом особые подходы...

Методическое пособие «представление графической информации в вычислительной технике» Часть 4 iconМетодическое пособие «представление графической информации в вычислительной технике» Часть 3
Мбайт памяти. Если же мы хотим предоставить эту картинку для публикации в книге, журнале или любом другом полноцветном печатном издании,...

Методическое пособие «представление графической информации в вычислительной технике» Часть 4 iconПонятие об информации
Информатика и икт: Методическое пособие для учителей. Часть Информационная картина мира

Методическое пособие «представление графической информации в вычислительной технике» Часть 4 iconМетодическое пособие по электронной технике с указаниями и примерами...
Техническая эксплуатация, обслуживание и ремонт электрического и электромеханического оборудования

Методическое пособие «представление графической информации в вычислительной технике» Часть 4 iconУстройство автомобиля часть 2 системы питания двигателей учебно-методическое пособие
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов дневного и заочного отделений технолого-экономического факультета нгпу, обучающихся...

Методическое пособие «представление графической информации в вычислительной технике» Часть 4 iconУстройство автомобиля часть 3 электрооборудование автомобиля учебно-методическое пособие
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов дневного и заочного отделений технолого-экономического факультета нгпу, обучающихся...

Методическое пособие «представление графической информации в вычислительной технике» Часть 4 iconМетодическое пособие Киселевск 2012
...

Методическое пособие «представление графической информации в вычислительной технике» Часть 4 iconМетодическое пособие для выполнения курсовой работы по дисциплине «декоративное садоводство»
Методическое пособие составили: профессор Мамонов Е. В., доценты: Иванова И. В., Ващенко М. А., Скакова А. Г

Методическое пособие «представление графической информации в вычислительной технике» Часть 4 iconУчебно-методическое пособие специальность 050104 «Безопасность жизнедеятельности»
Учебно-методическое пособие / М. Б. Звонкова, А. В. Неделяева, Ю. В. Егорова, Е. Л. Агеева Н. Новгород: нгпу, 2008. 48 с

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
vbibl.ru
Главная страница