«национальный исследовательский томский политехнический университет»

3.1.BMP

BMP (от англ. BitMap Picture) — формат хранения растровых изображений. BMP был создан компанией Microsoft и широко используется в операционных системах семейства Windows.

Глубина цвета в данном формате может быть 1, 2, 4, 8, 16, 24, 32, 48 бит на пиксель, максимальные размеры изображения 65535×65535 пикселей. Однако, глубина 2 бит официально не поддерживается.

Формат BMP является примером хранения полноцветных изображений. В этом случае, цвета пикселей можно определять, явно задавая несколько параметров цвета. Например, в RGB-модели конечный цвет каждого пикселя определяется тремя слагаемыми для трех основных цветов.

В формате BMP есть поддержка сжатия по алгоритму RLE. Алгоритм RLE или алгоритм кодирования повторов оперирует сериями данных, то есть последовательностями, в которых один и тот же символ встречается несколько раз подряд. При кодировании строка одинаковых символов, составляющих серию, заменяется строкой, которая содержит сам повторяющийся символ и количество его повторов.

Рассмотрим изображение, состоящее из строки белых и черных пикселей. Опишем эту строку как:

WWWWBWWWWBBBWWWWBWWWW

Здесь B представляет чёрный пиксель, а W обозначает белый. Если мы применим RLE кодирование к этой строке, то получим следующее:

4W1B4W3B4W1B4W

Файлы формата BMP могут иметь расширения .bmp, .dib и .rle. DIB означает аппаратно-независимый растр (Device Independent Bitmap). При использовании этого формата программист может получить доступ ко всем элементам структур, описывающих изображение, при помощи обычного указателя. Но эти данные не используются для непосредственного управления экраном, так как они всегда хранятся в системной памяти, а не в специализированной видеопамяти. Формат пикселя в оперативной памяти может отличаться от того формата, который должен заноситься в видеопамять для индикации точки такого же цвета. Например, в DIB-формате может использоваться 24 бита для задания пикселя, а графический адаптер в этот момент может работать в режиме HighColor с цветовой глубиной 16 бит. При этом ярко-красная точка в аппаратно-независимом формате будет задаваться тремя байтами 0x0000ff, а в видеопамяти — словом 0xF800.

DDB означает аппаратно-зависимый растр (Device Dependent Bitmap, DDB). Этот формат всегда содержит цветовые коды, совпадающие с кодами видеобуфера, но храниться он может как в системной, так и в видеопамяти. В обоих случаях он содержит только коды цвета в том формате, который обеспечит пересылку изображения из ОЗУ в видеопамять при помощи простого копирования.

Таким образом, достоинством формата BMP является простота обращения к отдельным пикселям на изображении, что может быть использовано при написании демонстрационных программ по компьютерной графике. К недостатком нужно отнести сравнительно большие размеры файлов, хранящих изображения в формате BMP, вследствие не совершенства алгоритма RLE.

Кроме поддержки полноцветных изображений формат BMP может обеспечивать хранения изображений с использованием индексированной палитры. Второй подход заключается в том, что в первой части файла, хранящего изображение, хранится «палитра», в которой с помощью одной из цветовых моделей кодируются цвета, присутствующие на изображении. А вторая часть, которая непосредственно описывает пиксели изображения, фактически состоит из индексов в палитре.

Формат BMP может использовать режим индексирования цветов при следующих значениях глубины цвета: 1 бит (2 цвета), 2 бита (4 цвета), 4 бита (16 цветов), 8 бит (256 цветов).

Благодаря использованию палитры имеется возможность адаптировать изображение к цветам, присутствующим на изображении. В таком случае изображение ограниченно не заданными цветами, а максимальным количеством одновременно используемых цветов.

Достоинством палитры является возможность существенно сократить размер файла с изображением. Недостатком является возможность потери цветов при ограниченном размере палитры.

3.2.TIFF

TIFF (англ. Tagged Image File Format) — формат хранения растровых графических изображений. Изначально был разработан компанией Aldus в сотрудничестве с Microsoft. TIFF был выбран в качестве основного графического формата операционной системы Mac OS X. В настоящее время авторские права на спецификации формата принадлежат компании Adobe.

Принцип хранения данных в TIFF основан на использовании специальных маркеров (тэгов) в сочетании с битовыми последовательностями кусков растра.

Формат TIFF поддерживает большую глубину цвета: 8, 16, 32 и 64 бит на канал при целочисленном кодировании, а также 32 и 64 бит на канал при представлении значения пикселя числами с плавающей запятой.

Структура формата гибкая и позволяет сохранять изображения в режиме цветов с палитрой, а также в различных цветовых пространствах: бинарном (двуцветном), полутоновом, с индексированной палитрой, RGB, CMYK, YCbCr, CIE Lab. Помимо традиционных цветов CMY формат поддерживает цветоделение с большим числом красок, в частности систему Hexachrome компании Pantone. В систему Hexachrome, известную как CMYKOG, добавлены оранжевые и зеленые краски для лучшего представления цветов при печати.

Помимо прочих достоинств формат TIFF позволяет сохранять растровые изображения с компрессией без потери качества. Этот формат поддерживает сжатие без потери качества по алгоритму LZW-компрессии.

Алгоритм Лемпеля — Зива — Велча (Lempel-Ziv-Welch, LZW) — это универсальный алгоритм сжатия данных без потерь данных. Алгоритм на удивление прост. Если в двух словах, то LZW-сжатие заменяет строки символов некоторыми кодами. Это делается без какого-либо анализа входного текста. Вместо этого при добавлении каждой новой строки символов просматривается уже существующая таблица строк. Сжатие происходит, когда код заменяет строку символов. Коды, генерируемые LZW-алгоритмом, могут быть любой длины, но они должны содержать больше бит, чем единичный символ. Первые 256 кодов (когда используются 8-битные символы) по умолчанию соответствуют стандартному набору символов. Остальные коды соответствуют обрабатываемым алгоритмом строкам. Простой метод может работать с 12-битными кодами. Значения кодов 0 - 255 соответствуют отдельным байтам, а коды 256 - 4095 соответствуют подстрокам.

Приведем пример LZW кодирования применительно к изображению. Так, если в изображении имеются наборы из розового, оранжевого и зелёного пикселей, повторяющиеся 50 раз, LZW выявляет это, присваивает данному набору отдельное число (например, 7) и затем сохраняет эти данные 50 раз в виде числа 7. Метод LZW, так же, как и RLE, лучше действует на участках однородных, свободных от шума цветов, он действует гораздо лучше, чем RLE, при сжатии произвольных графических данных, но процесс кодирования и распаковки происходит медленнее.

Кроме LZW-компрессии формат TIFF поддерживает следующие алгоритмы сжатия:

• 
  RLE;
  
• 
  LZ77;
  
• 
  ZIP;
  
• 
  JBIG;
  
• 
  JPEG;
  
• 
  CCITT Group 3, CCITT Group 4.
  

При этом JPEG является просто инкапсуляцией формата JPEG в формат TIFF. Формат TIFF позволяет хранить изображения, сжатые по стандарту JPEG, без потерь данных (JPEG-LS).