«национальный исследовательский томский политехнический университет»

3.3.GIF

Первая версия формата GIF (Graphics Interchange Format, «Формат для обмена графической информацией») была разработана в 1987 г. специалистами компьютерной сети CompuServe. Этот формат сочетает в себе редкий набор достоинств, неоценимых при той роли, которую он играет в WWW. Сам по себе формат содержит уже достаточно хорошо упакованные графические данные.

Формат GIF использует для хранения изображений индексированную палитру, ограничивающую количество цветов 256 значениями. Размер палитры может быть и меньше. Если в изображении используется, скажем, 64 цвета (2⁶), то для хранения каждого пикселя будет использовано ровно шесть бит и ни битом больше.

Поскольку GIF использует для сжатия LZW алгоритм, то степень сжатия графической информации сильно зависит от уровня ее повторяемости и предсказуемости, а иногда еще и от ориентации картинки. Так как LZW метод 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.

Изменив порядок следования данных в файле, создатели GIFa заставили картинку рисоваться не только сверху вниз, но и, если можно так выразиться, «с глубины к поверхности», – то есть становиться все четче и детальнее по мере подхода из сети новых данных.

Для этого файл с изображением тасуется при записи так, чтобы сначала шли все строки пикселей с номерами, кратными восьми (первый проход), затем четырем (второй проход), потом двум и, наконец, последний проход – все оставшиеся строки с нечетными номерами. Во время приема и декодирования такого файла каждый следующий проход заполняет «дыры» в предыдущих, постепенно приближая изображение к исходному состоянию. Поэтому такие изображения были названы чересстрочными (interlaced).

Другой полезной возможностью формата является использование прозрачности и поддержка анимационных изображений. Для создания анимации используется нескольких статичных кадров, а также информация о том, сколько времени каждый кадр должен быть показан на экране.

3.4.PNG

PNG (portable network graphics) - растровый формат хранения графической информации, использующий сжатие без потерь по алгоритму Deflate.

PNG поддерживает три основных типа растровых изображений:

• 
  Полутоновое изображение (с глубиной цвета 16 бит);
  
• 
  Цветное индексированное изображение (палитра 8 бит для цвета глубиной 24 бит);
  
• 
  Полноцветное изображение (с глубиной цвета 48 бит).
  

Формат PNG спроектирован для замены устаревшего и более простого формата GIF, а также, в некоторой степени, для замены значительно более сложного формата TIFF. Алгоритм сжатия Deflate является свободным в отличие от защищенного патентами и соответственно платного LZW, используемого в GIF. В отличии от LZW кодирования, которое позволяет эффективно сжимать горизонтальные одноцветные области, с Deflate сжатием можно забыть про эти ограничения.

В формате GIF один из цветов в палитре может быть объявлен «прозрачным». В этом случае в программах, которые поддерживают прозрачность GIF (например, большинство современных браузеров) сквозь пиксели, окрашенные «прозрачным» цветом будет виден фон. Однако создатели PNG пошли еще дальше, разработав технологию альфа-канала. Альфа-канал позволяет добиться эффекта частичной прозрачности пикселей. Также, в PNG поддерживается гамма-коррекция. Гамма-коррекция - коррекция функции яркости в зависимости от характеристик устройства вывода. Повышение показателя гамма-коррекции позволяет повысить контрастность, разборчивость тёмных участков изображения, не делая при этом чрезмерно контрастными или яркими светлые детали снимка.
Кроме этого PNG формат имеет следующие преимущества перед GIF:

• 
  практически неограниченное количество цветов в изображении (GIF использует в лучшем случае 8-битный цвет);
  
• 
  двумерная чересстрочная развёртка;
  
• 
  возможность расширения формата пользовательскими блоками.
  

К недостатком формата, можно отнести, что PNG изначально был предназначен лишь для хранения одного изображения в одном файле. Поэтому данный формат не поддерживает анимацию. Для решения этой проблемы создана модификация формата APNG.

3.5.JPEG

JPEG (Joint Photographic Experts Group, по названию организации-разработчика) - один из популярных графических форматов, основанный на алгоритме сжатия JPEG и применяемый для хранения фотоизображений и подобных им изображений.

Алгоритм JPEG разработан группой экспертов из Международной организации по стандартизации (ISO) специально для сжатия полноцветных 24-битовых изображений.

Процесс сжатия по схеме JPEG состоит из нескольких шагов. На первом шаге производится преобразование изображения из цветовой модели RGB в модель YUV, основанной на характеристиках яркости и цветности.

В модели YUV, Y-компонента – светлота (яркость). Компоненты U и V содержат информацию о цвете.

На следующем после преобразования шаге изображение разделяется на квадратные участки размером 8х8 пикселей. После этого над каждым участком производится дискретное косинус-преобразование (ДКП). При этом выполняется анализ каждого блока, разложение его на составляющие цвета и подсчет частоты появления каждого цвета.

Если говорить научным языком, то JPG использует для сохранения ряды Фурье и при больших степенях сжатия просто отбрасывает члены ряда высшего порядка.

Можно сказать, что JPEG хранит скорость изменения цвета от пикселя к пикселю. Лишнюю с его точки зрения цветовую информацию он отбрасывает, усредняя некоторые значения. Чем выше уровень компрессии, тем больше данных отбрасывается и тем ниже качество

На следующем этапе изображение представляется строками чисел, которые можно сжимать дальше. Поскольку в результате предыдущей обработки строки содержат много нулей, последняя стадия кодирования выполняется по алгоритму Хаффмана, что дает хорошие результаты и позволяет получить файл в 10–500 раз меньше, чем ВМР.

В дополнении к стандарту JPEG, ориентированным прежде всего на сжатие с потерями, был разработан стандарт на сжатие без потерь — JPEG-LS (в котором, однако, предусмотрен также режим сжатия с ограниченными потерями).

Алгоритм сжатия, лежащий в основе JPEG-LS, использует адаптивное предсказание значения текущего пикселя по окружению, включающему уже закодированные пиксели.

К недостаткам сжатия по стандарту JPEG следует отнести появление на восстановленных изображениях при высоких степенях сжатия характерных артефактов (заметных искажений изображения).