Как и многая информация, графика может быть сжата. Это ныгодио с точки ирония экономии памяти компьютера, так как, например, высококачественные изображения, как уже говорилось, имеют размеры до нескольких десятков мегабайтов. Для файлов графических изображений разработаны множество схем п алгоритмов сжатия, оспов-иыми из которых являются следующие:
– групповое сжатие;
– кодирование методом Хаффмана;
– сжатие по схеме LZW;
– арифметическое сжатие:
– сжатие с потерями;
– преобразование цветов RGB в цвета YUV.
В основе большинства схем сжатия лежит использование одного из следующих свойств графических данных: избыточность, предсказуемость и необязательность. В частности, групповое кодирование (RLE) основано на использовании первого свойства. Кодирование по методу Хаффмана и арифметическое кодирование, основанные на статистической модели, используют предсказуемость, предлагая более короткие коды для более часто встречающихся пикселов. Алгоритмы сжатия с потерями основаны на избыточности данных.
Следует учесть, что алгоритм, обеспечивающий большую степень сжатия, обычно более сложный и поэтому требует для распаковки данных больше процессорного времени.
Рассмотрим подробнее несколько алгоритмов сжатия.
Групповое сжатие представляет собой одну самых простых схем сжатия файлов. Суть его заключается в том, что серия повторяющихся величин заменяется единственной величиной и ее количеством. На примере можно заметить выгоду в длине между «aabbbbbbbcdddeeeeaaa» и «2а7b1c3d4e3a». Данный алгоритм прост в реализации и хорошо сжимает графические файлы с большими однотонными областями. Групповое кодирование используется во многих форматах растровых файлов, таких как TIFF, PCX и т.д.
Смысл метода Хаффмана заключается в замене данных более эффективными кодами. Более короткие коды используются для замены более часто появляющихся величии. Например в выражении abbbeceddeeeeeeeeef есть шесть уникальных величин, с частотами появления: а:1, b:3, c:3, d:2, e:9, f:l. Для образования минимального кода используется двоичное дерево. Алгоритм объединяет в пары элементы, появляющиеся наименее часто, затем пара объединяется в один элемент, а их частоты объединяются. Это действие повторяется до тех пор, пока элементы не объединятся в пары. В данном примере надо объединить а и f – это первая пара, а присваивается нулевая ветвь, a f – 1-я. Это означает, что 0 и 1 будут младшими битами кодов для а и f соответственно. Более старшие биты будут получены из дерена по мере его построения.
Суммирование частот дает в итоге 2. Теперь самая низкая частота – 2, поэтому пара а и f, объединяется с d (которая тоже имеет частоту 2). Исходной паре присваиваеся нулевая ветвь, а d – ветвь 1. Таким образом, код для а заканчивается на 00; для f на 01, d заканчивается на 1 и будет на один бит короче по сравнению с кодами для а и f.
Дерево продолжает строиться подобным образом так, что наименее распространенные величины описываются более длинными кодами. Данное кодирование нуждается в точной статистике, выражающейся в том, как часто каждая величина появляется в файле. Следовательно, для работы по схеме Хаффмана необходимо два этапа – на первом этапе создастся статистическая модель, на втором кодируются данные. Следует отметить, что компрессия и декомпрессия, по Хаффману, – достаточно медленный процесс.
Алгоритм сжатия JPEG (Joint Photographic Experts Group) (читается ['jei'peg]) позволяет регулировать соотношение между степенью сжатия файла и качеством изображения. Применяемые методы сжатия основаны на удалении «избыточной» информации.
Алгоритм сжатия оперирует областями 8x8 пикселей, на которых яркость и цвет меняются сравнительно плавно. Вследствие этого, при разложении матрицы такой области в двойной ряд по косинусам значимыми оказываются только первые коэффициенты. Таким образом, сжатие в JPEG осуществляется за счет плавности изменения цветов в изображении. В целом алгоритм основан па дискретном косинусоидальном преобразовании, применяемом к матрице изображения для получения некоторой повой матрицы коэффициентов. Для получения исходного изображения применяемся обратное преобразование. Алгоритм раскладывает изображение по амплитудам некоторых частот. Таким образом, при преобразовании мы получаем матрицу, в которой многие коэффициенты либо близки, либо равны нулю. Кроме того, благодаря несовершенству человеческого зрения, можно аппроксимировать коэффициенты более грубо без заметной потери качества изображения.
Существенными положительными сторонами алгоритма является то, что:
– Задается степень сжатия.
– Выходное цветное изображение может иметь 24 бита на точку.
Отрицательными сторонами алгоритма являемся то, что:
– При повышении степени сжатия изображение распадаемся на отдельные квадраты (8x8).
– Проявляется эффект Гиббса – ореолы по границам резких переходов цветов.
В компьютерной графике применяют по меньшей мере три десятка форматов файлов для хранения изображений. Но лишь часть из них стала стандартом «де-факто» и применяется в подавляющем большинстве программ.
Краткая информация об основных графических форматах файлов приведена в таблице.
| Название | Тип | Использование | Фирма | Расширение |
| BMP (Windows BitMap) | Растровый | Хранение и отображение информации в среде Windows. | Microsoft | bmp |
| GIF (Graphics Inter-change Format) | Растровый | Передача данных в сети Internet | CompuServe Inc. | gif |
| PNG (Portable Network Graphics) | Растровый | Передача данных в сети Internet | CompuServe Inc. | png |
| PCX (PC Paintbrush File Format) | Растровый | В графических редакторах | Zsoft Corp. | pcx |
| JPEG (Joint Photographic Experts Group) | Растровый | Для фотографической информации | Joint Photographic Experts Group | jpg |
| TIFF (Tagged Image File Format) | Растровый | Обмен данными между настольными и издательскими системами | Aldus Corp. | tif |
| DXF (Drawing Interchange Format) | Векторный | Обмен чертежами и данными САПР | Autodesk nc. | dxf |
| CDR (Corel Drawing) | Векторный | Чертежная, издательская и другие виды графики | Corel | cdr |
| WMF (Windows MetaFile) | Векторный | Хранение и отображение информации в среде Windows | Microsoft | wmf |
Рассмотрим структуру файлов изображений типа BMP и TIFF, получивших наиболее широкое распространение на практике.
BMP (аппаратно-независимое побитовое изображение Windows) поддерживается любыми Windows-совместимыми программами. Структура файла BMP используется Windows для хранения растровых изображений. В этом формате хранятся рисунки фона, пиктограммы и другие растровые изображения Windows. Этот формат сводит к минимуму вероятность ошибок или неправильной интерпретации растровых данных.
Формат BMP правильно отображает данные независимо от аппаратных и программных устройств (монитора компьютера, видеокарты и драйвера дисплея). Такая независимость от устройств обеспечивается применением системных палитр. Однако данный формат имеет и свои недостатки. Только версии формата с 4- и 8-битовым цветом поддаются сжатию (к ним можно применить метод сжатия RLE), следовательно, 24-битовые файлы BMP будут очень большими. Кроме того, применение файлов ВМР ограничено платформой Windows.
JPEG (Joint Photographic Experts Group). Формат предназначен для хранения растровых изображений (расширение имени файла JPG). Применяется в основном для хранения фотографий. При большой степени сжатия на изображении появляются ореолы из вокруг элементов с резкими переходами цвета, поэтому формат не рекомендуют использовать для хранения схем, графиков, логотипов и др.
GIF (Graphics Interchange Format). Стандартизирован в 1987 году как средство хранения сжатых изображений с фиксированным (256) количеством цветов (расширение имени файла.GIF). Получил популярность в Интернете благодаря высокой степени сжатия без потери качества. Последняя версия формата GIF89a позволяет выполнять чересстрочную загрузку изображений и создавать рисунки с прозрачным фоном. Ограниченные возможности по количеству цветов обуславливают его применение исключительно в электронных публикациях (схемы, графики, логотипы, рекламные баннеры и другие несложные изображения, имеющие резкие переходы в тонах изображения).
PNG (Portable Network Graphics). Сравнительно новый (1995 год) формат хранения изображений для их публикации в Интернете (расширение имени файла.PNG). Поддерживаются три типа изображений – цветные с глубиной 8 или 24 бита и черно-белое с градацией 256 оттенков серого. Сжатие информации происходит без потерь качества. Имеет преимущество перед GIF форматом в большей глубине цвета. При хранении фотографий PNG формат проигрывает формату JPEG в размерах файла.
TIFF (Tagget Image File Format). Формат предназначен для хранения растровых изображений высокого качества (расширение имени файла JIF). Относятся к числу широко распространенных, отличается переносимостью между платформами (IBM PC и Apple Macintosh), обеспечен поддержкой со стороны большинства графических, верстальных и дизайнерских программ. Формат TIFF сохраняет множество данных изображения в помеченных полях, что и определило его название («Формат файла помеченного изображения»). Каждое помеченное поле хранит информацию о растровом рисунке или ссылку на другие поля. Программа, читающая файл, может пропускать неизвестные или ненужные ей поля. Эта многогранность позволяет формату находить применение в различных компьютерных системах. Кроме того, формат TIFF может сохранять разнообразные дополнительные данные о растровом рисунке, включая: кривую коррекции для изображения с оттенками серого; поля детальной информации об изображении (название программы, автора, дату создания и комментарии); размер изображения и разрешающую способность; детальную информацию о цвете оригинала.