Классификация форматов графических файлов. Растровая графика и наиболее распространенные растровые форматы графических файлов. Использование GIF- и JPEG-формата. Преобразование файлов одного растрового формата в другой. Методы сжатия графических данных.
Растровая графика описывает изображения с использованием цветных точек, называемых пикселями, расположенных на сетке. Например, изображение древесного листа описывается конкретным расположением и цветом каждой точки сетки, что создает изображение примерно также как в мозаике. графический файл растровый сжатие Растровая графика зависит от разрешения, поскольку информация, описывающая изображение, прикреплена к сетке определенного размера. Таким образом, выбор растрового или векторного формата зависит от целей и задач работы с изображением. Формат GIF(Graphics Interchange Format, «Формат для обмена графической информацией») был разработан в 1987 г. специалистами фирмы COMPUSERVE.Использование растровой графики позволяет создавать самые реалистичные фотографические изображения, которые используются практически в любом журнале, газете и даже на web-сайтах в Интернете. Проблема представления изображений на компьютере и сохранение изображений в подходящих, для этого изображения форматах, с целью последующей обработки чрезвычайно важна. Если изображение создается для статьи в журнале или книги, то оно должно быть импортировано в издательскую систему QUARKXPRESS или Adobe PAGEMAKER. Растровые и векторные редакторы могут прочитать или открыть любое изображение, как растровое так и векторное, только обрабатывать его в дальнейшем будут с учетом своей специфики: растровые редакторы будут работать с пикселями, даже если этот рисунок векторный, а векторные - будут картинку представлять как объект и фотографию - растровую картинку возможно только растянуть, уменьшить или увеличить.
Введение
Нарисованные или напечатанные изображения окружают нас в повседневной жизни повсюду. Большинство таких рисунков и фотографий были созданы или обработаны с помощью компьютера в различных графических форматах.
Компьютерная графика - это разные виды графических изображений, создаваемых или обрабатываемых с помощью компьютера.
Компьютер в компьютерной графике - такой же инструмент, как кисть или карандаш.
Для ввода графической информации используются клавиатура, мышь, сканер или графический планшет.
Первые вычислительные машины не имели отдельных средств для работы с графикой, однако уже использовались для получения и обработки изображений. Программируя память первых электронных машин, построенную на основе матрицы ламп, можно было получать узоры.
В 1961 году программист С.Рассел возглавил проект по созданию первой компьютерной игры с графикой. Создание игры («Spacewar!») заняло около 200 человеко-часов. Игра была создана на машине PDP-1.
В 1968 году существенный прогресс компьютерная графика испытала с появлением возможности запоминать изображения и выводить их на компьютерном дисплее, электронно-лучевой трубке.
Классификация форматов графических файлов
Формат графического файла - способ представления и расположения графических данных на внешнем носителе.
Форматы компьютерной графики можно разделить на три типа: растровые, векторные и трехмерные (используются для 3D-графики). Наибольшее распространение получили растровые форматы, именно с их использованием сохраняются различные фотографии, а также другие графические изображения, которые можно увидеть, например, на web-сайтах.
Схема классификации форматов графических файлов приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 Классификация графических форматов
Растровая графика
Растровая графика описывает изображения с использованием цветных точек, называемых пикселями, расположенных на сетке. Например, изображение древесного листа описывается конкретным расположением и цветом каждой точки сетки, что создает изображение примерно также как в мозаике. графический файл растровый сжатие
При редактировании растровой графики Вы редактируете пиксели, а не линии. Растровая графика зависит от разрешения, поскольку информация, описывающая изображение, прикреплена к сетке определенного размера. При редактировании растровой графики, качество ее представления может измениться. В частности, изменение размеров растровой графики может привести к "разлохмачиванию" краев изображения, поскольку пиксели будут перераспределяться на сетке. Вывод растровой графики на устройства с более низким разрешением, чем разрешение самого изображения, понизит его качество.
Основой растрового представления графики является пиксель (точка) с указанием ее цвета. При описании, например, красного эллипса на белом фоне приходится указывать цвет каждой точки как эллипса, так и фона. Изображение представляется в виде большого количества точек - чем их больше, тем визуально качественнее изображение и больше размер файла. Т.е. одна и даже картинка может быть представлена с лучшим или худшим качеством в соответствии с количеством точек на единицу длины - разрешением (обычно, точек на дюйм - dpi или пикселей на дюйм - ppi).
Кроме того, качество характеризуется еще и количеством цветов и оттенков, которые может принимать каждая точка изображения. Чем большим количеством оттенков характеризуется изображения, тем большее количество разрядов требуется для их описания. Красный может быть цветом номер 001, а может и - 00000001. Таким образом, чем качественнее изображение, тем больше размер файла.
Растровое представление обычно используют для изображений фотографического типа с большим количеством деталей или оттенков. К сожалению, масштабирование таких картинок в любую сторону обычно ухудшает качество. При уменьшении количества точек теряются мелкие детали и деформируются надписи (правда, это может быть не так заметно при уменьшении визуальных размеров самой картинки - т.е. сохранении разрешения). Добавление пикселей приводит к ухудшению резкости и яркости изображения, т.к. новым точкам приходится давать оттенки, средние между двумя и более граничащими цветами. Распространены форматы .tif, .gif, .jpg, .png, .bmp, .pcx и др.
Таким образом, выбор растрового или векторного формата зависит от целей и задач работы с изображением. Если нужна фотографическая точность цветопередачи, то предпочтительнее растр. Логотипы, схемы, элементы оформления удобнее представлять в векторном формате. Понятно, что и в растровом и в векторном представлении графика (как и текст) выводятся на экран монитора или печатное устройство в виде совокупности точек. В Интернете графика представляется в одном из растровых форматов, понимаемых браузерами без установки дополнительных модулей - GIF, JPG, PNG.
Без дополнительных плагинов (дополнений) наиболее распространенные браузеры понимают только растровые форматы - .gif, .jpg и .png (последний пока мало распространен). На первый взгляд, использование векторных редакторов становится неактуальным. Однако большинство таких редакторов обеспечивают экспорт в .gif или .jpg с выбираемым Вами разрешением. А рисовать начинающим художникам проще именно в векторных средах - если рука дрогнула и линия пошла не туда, получившийся элемент легко редактируется. При рисование в растровом режиме Вы рискуете непоправимо испортить фон.
Изза описанных выше особенностей представления изображения, для каждого типа приходится использовать отдельный графический редактор - растровый или векторный. Разумеется, у них есть общие черты - возможность открывать и сохранять файлы в различных форматах, использование инструментов с одинаковыми названиями (карандаш, перо и т.д.) или функциями (выделение, перемещение, масштабирование и т.д.), выбирать нужный цвет или оттенок... Однако принципы реализации процессов рисования и редактирования различны и обусловлены природой соответствующего формата. Так, если в растровых редакторах говорят о выделении объекта, то имеют в виду совокупность точек в виде области сложной формы. Процесс выделения очень часто является трудоемкой и кропотливой работой. При перемещении такого выделения появляется “дырка”. В векторном же редакторе объект представляет совокупность графических примитивов и для его выделения достаточно выбрать мышкой каждый из них. А если эти примитивы были сгруппированы соответствующей командой, то достаточно “щелкнуть” один раз в любой из точек сгруппированного объекта. Перемещение выделенного объекта обнажает нижележащие элементы.
Тем не менее, существует тенденция к сближению. Большинство современных векторных редакторов способны использовать растровые картинки в качестве фона, а то и переводить в векторный формат части изображения встроенными средствами (трассировка). Причем обычно имеются средства редактирования загруженного фонового изображения хотя бы на уровне различных встроенных или устанавливаемых фильтров. 8-я версия Illustrator"a способна загружать .psd-файлы Photoshop"a и использовать каждый из полученных слоев. Кроме того, для использования тех же фильтров, может осуществляться непосредственный перевод сформированного векторного изображения в растровый формат и дальнейшее использование как нередактируемого растрового элемента. Причем, все это помимо обычно имеющихся конвертеров из векторного формата в растровый с получением соответствующего файла.
Некоторые растровые редакторы способны грузить один из векторных форматов (обычно .wmf) в качестве фона или сразу переводить их в растр с возможностью непосредственного редактирования.
Основным недостатком растровой графики является большой объем памяти, требуемый для хранения изображений. Это объясняется тем, что нужно запомнить цвет каждого пиксела, общее число которых может быть очень большим. Например, одна фотография среднего размера в памяти компьютера занимает несколько Мегабайт, т.е. столько же, сколько несколько сотен (а то и тысяч) страниц текста.
При использовании векторной графики в памяти ЭВМ сохраняется математическое описание каждого графического объекта - геометрического примитива (отрезка, окружности, круга…) из которых формируется изображение в целом. По этим данным соответствующие программы построят нужную фигуру на экране дисплея. Понятно, что такое описание изображения требует намного меньше памяти (в 10 - 1000 раз) чем в растровой графике, поскольку обходится без запоминания цвета каждой точки рисунка. Основным недостатком векторной графики является невозможность работы с высококачественными художественными изображениями, фотографиями и фильмами. Природа избегает прямых линий, правильных окружностей и дуг. К сожалению, именно с их помощью (поскольку эти фигуры можно описать средствами математики, точнее- аналитической геометрии) и формируется изображение при использовании векторной графики. Попробуйте описать с помощью математических формул, картины И.Е.Репина или Рафаэля! (Но не "Черный квадрат" К.Малевича!) Поэтому векторная графика применяется для построения чертежей, схем, визиток, и т.п.
Растровые графические форматы
В файлах растровых форматов обязательно записываются следующие данные: · размер изображения - количество пикселей в рисунке по горизонтали и вертикали
· битовая глубина - число битов, используемых для хранения цвета одного пикселя
· цвет каждого пикселя рисунка, · некоторая дополнительная информация об рисунке.
В разных форматах характеристики рисунка хранятся различными способами.
Поскольку, размер изображения хранится в виде отдельной записи, цвета всех пикселей рисунка запоминаются как один большой блок данных. Так как растровое представление изображения кораблика достаточно громоздко, рассмотрим как сохраняется в растровом файле простое черно-белое изображение (См. Рисунок 2).
Рисунок 2 Представление пикселей в памяти ЭВМ
На рисунке 3 показан итог восстановления изображения по информации, представленном на рисунке 2. В изображении, восстановленном по файлу, пиксели располагаются согласно размеру изображения; а именно, сначала - первая десятка пикселей, в следующей строке - вторая десятка и т. д., в десятой строке - последние десять пикселей.
Рисунок 3 Пример рисунка
Формула расчета веса растрового файла: I=m*n*i, Где m*n - растровая сетка картинки или количество пикселей по горизонтали и вертикали i - информационный вес одного пикселя.
Наиболее распространенные растровые форматы графических файлов
TIFF
Разработанный компанией Aldus формат TIFF(Tagged Image File Format) ближе всех к статусу стандартного. Формат TIFF позволяет сохранять растровые изображения со сжатием без потери качества по алгоритму LWZ-компрессии, наиболее предпочтителен для использования в полиграфии. Принцип хранения данных основан на использовании специальных маркерах в сочетании с битовыми последовательностями кусков растра.
GIF
Формат GIF(Graphics Interchange Format, «Формат для обмена графической информацией») был разработан в 1987 г. специалистами фирмы COMPUSERVE. Этот формат содержит уже упакованные графические данные.
Степень сжатия графической информации в GIF сильно зависит от уровня ее повторяемости и предсказуемости, а иногда еще и от ориентации картинки; поскольку GIF сканирует изображение по строкам, то, к примеру, плавный переход цветов (градиент), направленный сверху вниз, сожмется куда лучше, чем тех же размеров градиент, ориентированный слева направо, а последний - лучше, чем градиент по диагонали.
GIF может иметь любое количество цветов от двух до 256-ти, и если в изображении используется, скажем, 64 цвета (26), то для хранения каждого пиксела будет использовано ровно шесть бит и ни битом больше.
GIF удобен при создании анимированных изображения, т.к. в нем есть эффект прозрачности.
BMP
Формат BMP(от слова bitmap) создан компанией Microsoft и широко используется в операционных системах семейства Windows для растровой графики. Этот формат редко используется, вернее сказать используется только для сохранения картинок на рабочий стол компьютера и очень редко в пользовательских нуждах. На то есть свои причины: файл, сохраненный в таком формате модифицировать уже нельзя, если уменьшать или увеличивать изображение, то качество рисунка резко меняется, т.к. не происходит заполнение пустых пикселей соседним цветом. Это очень хорошо видно, если начертить геометрическую фигуру, а потом ее растянуть. Все прямые линии превратятся в ломанные. К тому, же файл формата GIF весит больше, чем такой же, но в формате JPG.
В файлах BMP информация о цвете каждого пиксела кодируется 1, 4, 8, 16 или 24 бит (бит/пиксел).
JPEG(Joint Photographic Experts Group)
Строго говоря, JPEG 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 9ґ9 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 сжатия, 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 г.). Из сказанного можно сделать следующие выводы. С помощью JPEG лучше сжимаются растровые картинки фотографического качества, чем логотипы или схемы - в них больше полутоновых переходов, среди же однотонных заливок появляются нежелательные помехи. Изображения с высоким разрешением (200-300 и более dpi) сжимаются с меньшими потерями, чем с низким (72-150 dpi). В формате JPEG следует сохранять только конечный вариант работы, потому что каждое пересохранение приводит к новым потерям данных и превращению исходного изображения в кашу.
Когда следует использовать GIF-формат
GIF-формат используется для хранения малоразмерных элементов: значков-ссылок, надписей и миниатюр или если изображение состоит из больших однородных по закраске областей.
Когда следует использовать JPEG-формат
Данный формат применяется во всех случаях, когда размер изображения по каждой из координат превышает 200 пикселей, а само изображение представляет собой образец художественной графики, полноценную фотографию с тонкими и плавными цветовыми переливами.
Преобразование файлов одного растрового формата в другой
Этот вид преобразования обычно самый простой и заключается в чтении информации из исходного файла и записи ее в новом файле, где данные о размере изображения, битовой глубине и цвете каждого видеопикселя хранятся другим способом. Если старый формат использует больше цветов, чем новый, то возможна потеря информации. Преобразование файла с 24-битовым цветом (16777216 цветов) в файл с 8-битовым цветом (256 цветов) требует изменения цвета почти каждого пикселя. В простейшем случае это делается так: для каждого пикселя исходного файла ищется наиболее близкий к нему цвет из нового ограниченного набора цветов. При таком способе возможны нежелательные эффекты, когда часть рисунка, содержащая большое количество элементов, оказывается закрашенной одним цветом или когда плавные переходы цвета становятся резкими. На рис. 10 показано, к каким результатам может привести уменьшение количества цветов изображения.
исходное изображениерезультат преобразования в новый формат с меньшим количеством цветов
При уменьшении количества цветов появляются дефекты в изображении.
Для преобразования файлов из одного формата в другой используются специальные программы - преобразователи (конверторы) форматов. Однако большинство графических программ (CORELDRAW, Adobe Illustrator, Adobe PHOTOSHOP и др.) могут читать и создавать файлы различных форматов, т. е. являются преобразователями форматов.
Методы сжатия графических данных
При сжатии методом RLE (Run - Length Encoding) последовательность повторяющихся величин (набор бит для представления пикселя) заменяется парой: повторяющейся величиной и числом ее повторений.
Метод сжатия RLE включается в некоторые графические форматы, например, в формат PCX .
Программа сжатия файла сначала записывает количество пикселей, а затем их цвет или наоборот. Такой подход неоднократно приводил к ошибке. Программа, считывающая файл, ожидает появления данных в ином порядке, чем программа, сохраняющая этот файл на диске. Если при попытке открыть файл, сжатый методом RLE, появляется сообщение об ошибке или полностью искаженное изображение, то нужно попробовать считать этот файл с помощью другой программы.
Сжатие методом RLE применяется для изображений с большими областями однотонной закраски, и неэффективно для отсканированных фотографий.
Метод сжатия LZW(первые буквы его разработчиков Lempel, Ziv, Welch ) основан на кодировании повторяющихся узоров в изображении. Если рисунок содержит много таких узоров, то файл сожмется благодаря такому методу в 10 раз. Метод сжатия LZW применяется для файлов форматов TIFF и GIF; при этом данные формата GIF сжимаются всегда, а в случае формата TIFF возможности сжатия предоставляется пользователю.
Метод сжатия JPEG хорошо применять к рисункам фотографического качества. Сжатие по методу JPEG уменьшает размер файла с растровым рисунком в разы, даже возможен коэффициент сжатия равный сто к одному. Конечно, за такой коэффициент сжатия надо платить, в действительности происходит потеря качества изображения. При этом, если рисунок сначала исправить, а потом сохранить в JPEG, то на первый раз качество резко не ухудшится, если же эту операцию проделать несколько раз, то в итоге от рисунка останется одно - лишь напоминание.
Преобразование файлов из растрового формата в векторный
Существуют два способа преобразования файлов из растрового формата в векторный: 1) преобразование растрового файла в растровый объект векторного изображения;
2) трассировка растрового изображения для создания векторного объекта.
Первый способ используется в программе CORELDRAW, которая, как правило, успешно импортирует файлы различных растровых форматов. К примеру, если растровая картинка содержит 16 миллионов цветов, CORELDRAW покажет изображение, приближенное по качеству к телевизионному. Однако, импортируемый растровый объект может становиться довольно большим даже в том случае, если исходный файл невелик. В файлах растровых форматов информация хранится достаточно эффективно, так как часто используются методы сжатия. Векторные форматы такой способностью не обладают. Поэтому растровый объект, хранящийся в векторном файле, может значительно превосходить по размерам исходный растровый файл.
Особенность второго способа преобразования растрового изображения в векторное заключается в следующем. Программа трассировки растровых изображений (например, CORELTRACE) ищет группы пикселей с одинаковым цветом, а затем создает соответствующие им векторные объекты. После трассировки векторизованные рисунки можно редактировать как угодно. На рис. 6 показано растровое изображение, которое хорошо преобразуется в векторное. Дело в том, что растровые рисунки, имеющие четко выраженные границы между группами пикселей одинакового цвета, хорошо переводятся в векторные. В то же время результат трассировки растрового изображения фотографического качества со сложными цветовыми переходами выглядит хуже оригинала.
Исходный растровый рисунокВекторизованный рисунок
Преобразование файлов одного векторного формата в другой
Векторные форматы содержат описания линий, дуг, закрашенных полей, текста и т. д. В различных векторных форматах эти объекты описываются по-разному. Когда программа пытается преобразовать один векторный формат в другой, она действует подобно обычному переводчику, а именно: • считывает описания объектов на одном векторном языке, • пытается перевести их на язык нового формата.
Исходное растровое изображениеВекторизованное изображение
Если программа-переводчик считает описание объекта, для которого в новом формате нет точного соответствия, этот объект может быть либо описан похожими командами нового языка, либо не описан вообще. Таким образом, некоторые части рисунка могут исказиться или исчезнуть. Все зависит от сложности исходного изображения. На рис. 8 представлен один из возможных результатов преобразования файла из одного векторного формата в другие. Исходный рисунок создан в программе CORELDRAW и состоит из следующих элементов: импортированная растровая картинка в формате JPEG , рамка вокруг растровой картинки, текст, прямоугольник с конической заливкой.
При преобразовании рисунка 8а в формат CGM сохранились все исходные элементы (рис. 8 6 ). Формат DXF проигнорировал растровую картинку, исказил контур вокруг нее, коническую заливку, а также увеличил размер шрифта. Дело в том, что этот формат предназначен для конструкторских разработок и, следовательно, в нем отсутствуют команды для описания различных художественных эффектов.
а) Исходное изображение в формате CDRб) Результат преобразования в векторный форамат CGMв) Результат преобразования в векторный форамат DXF
Преобразование файлов из векторного формата в растровый
Часто пользователю необходимо преобразовать векторное изображение в растровое. Этот процесс называют растрированием векторного изображения. Так же, прежде, чем разместить векторную картинку на фотографии, ее необходимо экспортировать в растровый формат. Например, изображение окна на рис. 5 было отсканировано и сохранено в файле формата JPEG. Рисунок кота создан в векторной программе CORELDRAW и затем экспортирован в файл формата TIFF. Монтаж двух растровых изображений выполнен в программе Adobe PHOTOSHOP.
Рисунок 4 Рисованная картинка, вставленная в фотографию
Каждый раз, когда векторный рисунок направляется на устройство вывода - монитор или принтер, он подвергается растрированию, т.е. преобразованию в набор пикселей или точек. При растрировании конечно ухудшается качество рисунка.
Вывод
Использование растровой графики позволяет создавать самые реалистичные фотографические изображения, которые используются практически в любом журнале, газете и даже на web-сайтах в Интернете.
Проблема представления изображений на компьютере и сохранение изображений в подходящих, для этого изображения форматах, с целью последующей обработки чрезвычайно важна. Пользователи любых графических систем с ней уже столкнулись. Или картинка может быть обработана несколькими графическими программами прежде, чем примет свой окончательный вид. Например, исходная фотография сначала сканируется, затем улучшается ее четкость и производится коррекция цветов в программе Adobe PHOTOSHOP . После этого изображение может быть экспортировано в программу рисования, такую как CORELDRAW или Adobe Illustrator, для добавления рисованных картинок. Если изображение создается для статьи в журнале или книги, то оно должно быть импортировано в издательскую систему QUARKXPRESS или Adobe PAGEMAKER. Если же изображение должно появиться в мультимедиа-презентации, то оно, вероятнее всего, будет использовано в Microsoft POWERPOINT, Macromedia Director или размещено на Web-странице.
Растровые и векторные редакторы могут прочитать или открыть любое изображение, как растровое так и векторное, только обрабатывать его в дальнейшем будут с учетом своей специфики: растровые редакторы будут работать с пикселями, даже если этот рисунок векторный, а векторные - будут картинку представлять как объект и фотографию - растровую картинку возможно только растянуть, уменьшить или увеличить.
Процесс обработки и представления графических изображений в памяти ЭВМ - постоянно совершенствуется. Основная цель- получение и хранение изображения высокого качества и небольшого по объему. Из растровых картинок собираются 3D-модели, имитационные автоматы, виртуальные реальности. Можно сказать, что за выгодным представлением графических растровых форматов в памяти ЭВМ будущее компьютерной графики.
Список литературы
1. Григорьева И.В. Компьютерная графика:Учебное пособие. МГПУЮ, 2012 год, 298с.
