Глава 4.

Форматы файлов изображений

Во время работы с изображениями в цифровом виде вам придется иметь дело с различными типами файлов. Цифровые камеры сохраняют изображения в различных форматах. Чаще всего это JPEG или TIFF. После копирования файлов на жесткий диск вашего компьютера вы можете сохранять файлы в других форматах, выбирая тот или иной в зависимости от стоящих перед вами целей.

Различные форматы предоставляют вам различные возможности – вы можете сохранить файл со всеми дополнительными элементами, использованными во время редактирования, можете применить сжатие изображения для удобства размещения его в Интернете или отправки по электронной почте, можете сохранять файлы в различных цветовых моделях, оптимизируя файл для вывода на экран или на печать.

Таким образом, на различных этапах работы вам предстоит работать с файлами различных форматов. Необходимо научиться правильно выбирать формат файла и использовать его возможности.

Работая с цифровыми камерами, вы, как правило, можете выбрать формат, в котором будут сохраняться снимки. Эту возможность предоставляют большинство современныхкамер.

Объем карт памяти ограничен, а их стоимость, особенно карт большого объема, довольно высока. Поэтому фотографы заинтересованы в сохранении как можно большего числа фотографий при минимизации объема файлов. Можно сохранять изображения меньшего размера, но это не всегда приемлемо, поскольку уменьшается качество изображений при печати (при неизменном размере и разрешении отпечатка). Для того чтобы сохранить размер изображения и при этом уменьшить размер файла, используют формат, позволяющий сжимать информацию.

Наиболее распространенным в настоящее время форматом, предназначенным для хранения полноцветных фотоизображений с применением сжатия данных, является формат JPEG. Первые работы над его созданием были начаты в 1982 году, когда в рамках Международной организации по стандартизации (International Standardization Organization —ISO) была создана Группа экспертов по машинной обработке изображений (Photographic Experts Group —PEG). Эта организация занималась вопросами передачи видеоданных, изображений и текста по каналам цифровой связи. Целью исследований была разработка международных стандартов в области передачи данных этих типов в компьютерных сетях. В 1986 году Международный консультационный комитет по телеграфии и телефонии (Consultative Committee for International Telephone and Telegraphy – CCITT) начал разработки, направленные на создание алгоритмов передачи факсимильной информации (цветных и монохромных изображений). Алгоритмы, созданные специалистами этих организаций, оказались похожими, и в 1987 году они объединили свои усилия по разработке единого стандарта сжатия изображений. Результатом этого сотрудничества стал формат JPEG (Joint Photography Experts Group), позволяющий реализовать сжатие полноцветных или монохромных изображений до размеров, удобных для передачи по каналам связи. В отличие от формата GIF, JPEG позволяет хранить изображения, содержащие до 16 миллионов оттенков.

Так как фотографии и видеоизображения часто содержат протяженные области с плавными переходами цвета (градиентами), для их сжатия не подходят алгоритм LZW или подобные ему. Они не позволяют значительно уменьшить размер файла. Для качественной компрессии понадобились новые алгоритмы, основанные на других принципах.

В основе JPEG лежит так называемое сжатие с потерями. Это значит, что сжатие изображения происходит за счет отбрасывания мелких, незначительных деталей. Во многих случаях эти деталистоль малы и незаметны, что человек не в состоянии заметить разницу между сжатым изображением и оригиналом. Однако разница в размерах соответствующих файлов может быть значительной.

Основы алгоритма JPEG – преобразование информации о цвете, хранимой отдельно для всех цветовых составляющих одного пиксела, в область частот с последующей фильтрацией. Проще говоря, для хранения данных о цвете используются не цветовые составляющие каждого пиксела, а сведения о том, как изменяется вклад той или иной составляющей в результирующий цвет. Такие методы обработки основываются на принципах частотного анализа, широко применяемого в радиоэлектронике. В данном случае изменение яркости или цветовых составляющих от пиксела к пикселу описывается в виде набора колебаний (по аналогии с радиоэлектроникой эти колебания молено назвать составляющими сигналами) различных частоты и амплитуды. Такую операцию также называют определением спектра сигнала.

Сохраняя или обрабатывая сигнал (в случае работы с фотографиями – данные, описывающие изображение), вы можете оставить только наиболее значимые составляющие, а остальными пренебречь. Разумеется, часть информации при этом будет потеряна, но данные будут воспроизведены с приемлемой точностью. Обратите внимание на то, что, уменьшая число рассматриваемых составляющих сигнала, мы тем самым уменьшаем объем информации, описывающей этот сигнал, то есть сжимаем данные.

В этом утверждении заложена сущность всех алгоритмов сжатия изображения с потерями. Частью информации можно пренебречь ради того, чтобы воспроизвести изображение с приемлемой точностью и при этом достичь уменьшения объема описывающих его данных. Конечно, при этом теряются некоторые детали изображения, качество снижается, но, разумно выбирая алгоритм и степень сжатия, можно добиться того, что файл с рисунком значительно уменьшится в объеме, а сам рисунок останется пригодным к использованию.

Для лучшего понимания основ работы алгоритма JPEG следует рассмотреть особенности восприятия человеком окружающей его реальности. Человеческий глаз более чувствителен к яркости, чем к цветовым составляющим изображения. Если вы переведете изображение в монохромный режим (яркий пример – черно-белый телевизор), то изображенные предметы останутся узнаваемыми – вы сможете сказать, что изображено, и даже определить некоторые свойства объекта, например материал, из которого он состоит. Изображение, содержащее цвета, но лишенное яркостной составляющей, практически невозможно распознать. Вы можете легко убедиться в этом при помощи Photoshop. Просто закрасьте какой-либо рисунок любым цветом (но не черным и не белым) при помощи инструмента Paintbrush (Кисть) в режиме Luminosity (Яркость). При этом все пикселы приобретут яркость цвета кисти.

Итак, у нас в руках два основных компонента алгоритма сжатия изображений JPEG. С одной стороны, разложив некоторый сигнал (в данном случае —это информация об изображении)на частотные составляющие и отбросив самые незначительные из них, мы можем достичь сжатия данных. С другой стороны, человеческий глаз устроен так, что он воспринимает в первую очередь яркость изображения и уже потом —его цветовые характеристики. Это определяет два способа уменьшения объема файла изображения, которые и используются в алгоритме JPEG:

• объем хранимых и передаваемых данных может быть уменьшен путем разложения информации о цвете на частотные составляющие с последующим отбрасыванием самых незначительных из них – лишних;

• так как глаз человека более чувствителен к яркости изображения (в данном случае оно состоит из пикселов), чем к его цвету, следует стремиться передать без искажений информацию о яркости пикселов, а информацией об их цвете можно до определенной степени пренебречь.