Komprimace grafických dat, formáty počítačové grafiky

Transkript

1 Komprimace grafických dat, formáty počítačové grafiky Kapitola poskytuje čtenáři základní přehled formátů používaných v počítačové grafice, základní údaje o možnostech přenositelnosti dokumentů mezi aplikacemi. Dále se čtenář seznámí s některými metodami komprimace, použitelnými v počítačové grafice. Po přečtení kapitoly by měl čtenář umět správně vybrat aplikaci pro zpracování grafických dat, vybrat optimální metodu pro komprimaci dat, uložit soubor pro výsledné použití nebo další zpracování. Podle přípony souboru by měl být schopen správně zvolit software pro prohlížení, tisk nebo další úpravu obrázku. Klíčové pojmy: Nativní formát, ztrátová a bezztrátová komprimace, koherence, kvantování, vzorkování, aliasing. Formáty grafických dat, formáty pro tisk Při vytváření grafického dokumentu jej ukládáme většinou do nativního (původního, vlastního) formátu použitého programu. Výhodou těchto nativních formátů, že uchovávají všechna data, související se vznikem a úpravou dokumentu, tj. např. vrstvy, kanály, cesty, filtry, prolnutí a jiná data. Tato data jsou jakýmsi know-how grafika (uživatele), který dokument vytvořil. Vzhledem k množství informací, které tyto dokumenty v nativním formátu uchovávají, bývají grafické dokumenty uložené v nativním formátu (zejména v případě rastrové grafiky) relativně velké, navíc chceme-li s dokumentem pracovat v jiné aplikaci, pak je přenesení informací souvisejících se vznikem výsledného dokumentu často nemožné nebo alespoň velmi omezené. Z těchto důvodů se pro další zpracování grafických souborů (např. v software pro sazbu) většinou volí některý z formátů TIFF, EPS nebo PDF. TIFF (Tagged-Image File Format) byl navržen jako flexibilní a otevřený grafický formát, dokáže kombinovat různé obrázky uvnitř jednoho souboru, dokáže používat různé barevné hloubky, různé způsoby komprese atp. Aplikace jej nejen načítají, ale současně mohou formát i upravovat. Při importu obrázku si sázecí program obrázek sám zpracovává, např. si vytvoří náhled obrázku, což může trvat kratší či delší dobu podle velikosti a rozlišení. Ve formátu TIFF lze dodatečně ( v sázecím programu) vytvořit drobné úpravy, např. barevné korekce nebo převod obrázku do černobílého režimu. TIFF je Formáty grafických dat 1

2 určen především pro bitmapová data (např. fotografie). Tisknout z formátu TIFF lze na jakékoliv tiskárně, lze v něm optimalizovat rozlišení pro tisk a tisk tak výrazně zrychlit. TIFF je navíc schopnost pracovat s jinou než jen 24bitovou barevnou hloubkou (8 bitů/kanál). TIFF dokáže uložit obrázky kde na každý pixel je pouhý 1 bit (černá/bílá), kde na každý pixel je 8 bitů (tj. 1 byte typické pro černobílé obrázky), kde na každý pixel je 24 bitů (typické barevné RGB obrázky s 24bitovou hloubkou), kdy na každý pixel je reservováno 48 bitů (RGB barevné obrázky s 48bitovou barevnou hloubkou) atd. Dokáže uložit RGB, CMYK i L*a*b i jiné barevné prostory specifické pro konkrétní zařízení. Ne každá aplikace nicméně dokáže s těmito soubory pracovat. EPS (Encapsulated Post Script) soubor obsahuje "sbalená" grafická data v postscriptovém formátu určená pro přímé přesunutí do tiskárny nebo osvitové jednotky. Sázecí programy nemají možnost soubory v tomto formátu dále upravovat, např. nemohou snížit rozlišení pro tisk oproti nastavenému rozlišení dokumentu. Výhodou tohoto formátu je rychlý import do sázecího programu, soubor načte a zobrazí pouze obrazovkový náhled dokumentu, který je v EPSu přímo uložen. Tento formát se používá zejména pro vektorová data, ale může obsahovat i data vektorová. Lze v něm tisknout i přímé barvy. Pro tisk formátu EPS je zapotřebí postscriptová tiskárna (např. Adobe Distiller nebo GhostScript). PDF (Portable Document Format) Flexibilní formát, schopný přenášet vektorová i rastrová data, nepřekonatelný v souborech, obsahující velké množství textu. Prozatím není v oblasti sazby více využíván, protože ne všechny sázecí programy jej umí importovat a korektně s informacemi, které obsahuje pracovat. Jde o proprietální formát, určený ryze pro publikování (neexistuje editor pdf, pouze prohlížeče). Nejčastější formáty rastrové grafiky BMP (Microsoft Windows Bitmap) univerzální rastrový formát pro obrázky s malou barevnou hloubkou (max. 24 b/pixel). Obrázky s nižší bitovou hloubkou (1, 4 nebo 8 bitů) jsou ukládány s barevnou paletou. Většinou nekomprimovaný formát, lze použít bezeztrátovou kompresi (RLE). Obrázky uložené ve formátu BMP mají velkou paměťovou velikost, jsou tedy zcela nevhodné pro webovou grafiku. Orientační velikost obrázku formátu BMP v bajtech = šířka (v pixelech) x výška (v pixelech) x počet bitů na pixel / 8. GIF (Graphics Interchange Format) rastrový formát pro obrázky s menším počtem barev (maximální počet současně použitých barev je 256). Vhodný Formáty grafických dat 2

3 pro uložení nápisů, plánků, log, webovou grafiku, umožňuje i jednoduché animace a průhlednost. Používá bezeztrátovou kompresi LZW. Lze použít prokládané zobrazování řádků (pro rychlý náhled na internetu). PNG ( Portable Graphics Network) alternativa formátu GIF, vznikla po právních problémech s formátem GIF, kdy vývojáři sw musí platit za používání formátu GIF ve svých programech. Vyvinut konsorciem W3C. Umožňuje uložit obrázky s volitelnou barevnou hloubkou 1, 2, 4 a 8 bitů (tzn. 2, 4, 16 a 256 barev) i True Color. Nabízí průhlednost (alfa kanál), prokládané zobrazování. Je nezávislý na použité platformě (os, hw, sw). Používá bezztrátovou kompresi, založenou na algoritmu deflate (kombinace LZ77 algoritmu a Huffmanova kódování). Obsahuje i metainformace určené pro vyhledávání (textová pole standartní i uživatelsky definovaná). Použití na internetu, pro bezeztrátové uložení obrázků v True Color kvalitě, v předtiskové přípravě. JPG, přesněji JFIF (JPEG File Interchange Format) - formát vhodný pro fotografie a malby s velkou barevnou paletou a hladkými přechody mezi barvami. Naopak nevhodný je pro obrázky s malým počtem barev a s hranami (ostré přechody mezi barvami), ve kterých vytváři viditelné šumy a artefakty. Používá ztrátovou kompresi dat. Použití pro fotografie, obrázky pro web. TIFF (Tag Image File Format) velmi univerzální a variabilní formát, založený na velkém množství různých typů visaček (tags). Používá různé typy bezeztrátové komprese (CCITT pro obrázky černobílé nebo v šedé barevné škále, RLE pro obrázky RGB, LZW pro obrázky s barevnou paletou). Jeden soubor může obsahovat více obrázků. Použití pro pre-press (tisk true color obrázků), přenos obrázků mezi platformami (Linux, Macintosh). RAW formát používaný v digitální fotografii, zachovává maximum informace získané ze snímacího prvku fotoaparátu, tyto informace mohou být dále zpracovávány ve vhodném programu, dají se odstranit některé chyby, vzniklé při fotografování (délka expozice, nastavení bílé barvy, nastavení kontrastu, rozlišení, korekční funkce). Formát je potřeba nejprve konvertovat (vyvolat) do formátu, který lze zpracovávat běžným rastrovým programem. Nevýhodou formátu je chybějící standardizace (rozdíly mezi jednotlivými výrobci), přípony RAW formátu jsou např..raf,.kdc,.dng (otevřený formát Adobe),.nef,.mrw,.orf a další. Použití u fotografií, kde nám maximálně záleží na výsledné kvalitě snímku, pro archivaci snímků v nejvyšší možné kvalitě. další formáty PSD (formát aplikace Adobe Photoshop), DICOM (standardní formát pro přenos biomedicínských obrazových dat a doplňkových informací v medicíně, umožňující spolupráci různých zobrazovacích zařízení, systémů pro archivaci a komunikaci apod.) a další Formáty grafických dat 3

4 Nejčastější formáty souborů vektorové grafiky V oblasti vektorové grafiky dosud neexistuje jednotný formát dat, který by byl univerzálně přenositelný mezi všemi vektorovými aplikacemi. Průmyslovým standartem pro přenos vektorové grafiky mezi jednotlivými aplikacemi a platformami se snaží být formát SVG, který data (grafické objekty i doplňujícíc informace) ukládá v podobě XML. Formáty PDF a EPS jsou také obecně použitelnými formáty, nicméně slouží primárně k exportu hotového dokumentu do formátu pro tisk, nikoli pro editaci dokumentu. AI nativní formát Adobe Illustratoru, použitelný pro vektorovou i rastrovou grafiku. Používá jak ztrátovou tak bezeztrátovou kompresi, umožňuje zvolit různou barevnou hloubku obrázku, různé barevné modely (RGB, CMYK), barevné palety, průhlednost. Podporuje více vrstev), nepodporuje více stran dokumentu ani animace. CDR nativní formát aplikace CorelDRAW, funkcemi podobný formátu AI, navíc umožňuje uložit i vícestránkové dokumenty. Nízká vzájemná kompatibilita formátů. ODG - Draw balíku OpenOffice.org, otevřený formát založený na XML SVG (Scalable Vector Graphics) - otevřený formát využívající XML, umožňuje v dokumentu využívat text, vektorovou i rastrovanou grafiku, interaktivitu a animace. Kódování UNICODE, podporuje kaskádové styly, propracovaná správa barev (pomocí XML lze definovat i barvy mimo gamut zařízení), objektům lze přiřadit obslužný skript. Možnost komprese ztrátovou metodou GZIP. Použití ve webové grafice, mobilních zařízeních, kartografii, navigaci. Má šanci stát se formátem pro cross-media publishing (tentýž obrázek zpracovávaný různými výstupními zařízeními). DXF, DWG - formáty CAD aplikací firmy AutoDesk WMF (Windows Metafile), EMF (Enhanced Windows Metafile) metaformáty navržené pro OS Windows. Jedná se o formáty, ve kterých mohou být uloženy jak vektorové objekty (úsečky, oblouky, elipsy, výplně, texty), tak i bitmapy a dokonce vybrané příkazy určené pro změnu stavu takzvaného kontextu zařízení (device context), přes který je vykreslování obsahu souboru prováděno. Koprimace grafických dat Základní dva typy komprimace dat jsou bezztrátová a ztrátová komprimace. Oba tyto typy komprimace mají v grafických formátech své místo a použití. Komprimace Formáty grafických dat 4

5 se uplatní zejména u dokumentů rastrové grafiky, které jsou paměťově náročnější než ekvivalentí obrázky vytvořené vektorovými editory. Bezeztrátová komprimace dat Pro graficky orientovanou bezeztrátovou kompresi můžeme využít koherence obrázku. Koherence znamená spojitost mezi pixelem a jeho sousedy (pixel a jeho sousedé mají identickou nebo alespoň velmi blízkou hodnotu). Metoda RLE vychází z předpokladu, že v obrázku existují plochy větší než jeden pixel, které mají stejnou barvu. RLE zpracovává obrázek po řádcích a namísto posloupnosti stejných hodnot pixelů v řádku použije zápis, kdy první číslo je počet opakování a druhé číslo hodnota pixelu. Kompresní poměr závisí na obrázku samotném (kolik pixelů vedle sebe nese identickou hodnotu) a také na směru zpracování obrázku (standardně po řádcích, je možné komprimovat i po sloupcích nebo po úhlopříčce). Metoda je vhodná pro kódování obrázků s nízkým barevným rozlišením (1 nebo 8 bitů na pixel), nejčastěji se používá pro náčrtky, skicy a ilustrace s většími stejně barevnými plochami. Je-li použita na nevhodný obrázek, může být výsledný soubor větší než soubor původní (záporná komprese). RLE komprese se uplatňuje např. ve formátu PCX. Př.: Zpracováváme metodou RLE tento obrázek: => Čísla 12 a 13 jsou čísla barvy v barevné paletě, 04, 01, 03 vždy počet opakování následující barvy. Pokud bychom použili ztrátovou kompresi a jediný pixel s barvou 13 nahradili hodnotou sousedních pixelů, dostali bychom kód Metoda kvadrantového stromu využívá plošnou (rovinnou) koherenci, kdy zpracovávaný obrázek rekurzivně dichotomicky dělí a snaží se najít co největší takto vzniklé plochy s identickou hodnotou barvy pixelu. Př.: Zpracováváme metodou kvadrantového stromu tento obrázek: Formáty grafických dat 5

6 4 Obrázek se rozdělí na kvadranty, pokud má celý kvadrant stejnou barvu, zapíše se tato barva, jinak se kvadrant dále dělí. Pořadí zpracování kvadrantů je od levého horního kvadrantu po směru hodinových ručiček. Kvadrantový strom odpovídající obrázku je tento: * * * * * 0 * * 0 * 0 0 * * 0 1 * Znak * odpovídá dělení na kvadranty, 0 a 1 jsou hodnoty barevné palety (zde např. bílá, černá). Řádkový zápis výsledného kvadratického stromu by vypadal takto: **0*0111*01100**101100*1001*100*1110*01*11010 LZW slovníkové kódování bezztrátová komprimace, použitelná zejména pro obrázky s velkými plochami stejné barvy nebo opakujícími se rastry. Algoritmus prochází soubor po řádcích po jednotlivých pixelech, u každého zkontroluje, zda se nachází ve slovníku, pokud ne, pak jej do slovníku přidá. Pokračuje prohledáváním po dvojicích, trojicích atd. Nové záznamy se algoritmus snaží skládat se starších slovníkových záznamů. Algoritmus tedy vyhledává a mapuje do slovníku opakující se posloupnosti barev. LZW algoritmus zmenší objem dat relativně málo, přitom ale zpomalí práci s obrázkem (obrázek je potřeba nejprve dekomprimovat). Tímto algoritmem můžeme komprimovat formát GIF, PNG, používá jej formát ZIP, ARJ. Huffmanovo kódování (CCITT) - původně určeno pro přenos textů faxem (tj. přenos černobílých obrázků, zpracovávaných po řádcích). Princip spočívá v náhradě symbolů bitovým kódem s variabilní délkou. Čím častěji se nějaký symbol (slovo, barva...) v dokumentu opakuje, tím nižší bitový kód je mu přiřazen (tj. největší komprimace je u symbolů nejčastěji se vyskytujících). Nejjednodušší varianta této metody prochází soubor dvakrát, poprvé vytvoří statistiku četností jednotlivých Formáty grafických dat 6

7 symbolů, ve druhé fázi pak podle této statistiky vytvoří binární strom symbolů a data komprimuje podle vytvořeného stromu. Existuje několik variant této metody, např. G31D využívá RLE kódování, opakovače jsou nahrazeny Huffmanovým kódem, zvláštní kód je vyhrazen pro konec řádku, výplň do konce řádku apod. Varianta G32D zapisuje informace o pixelech, ve kterých nastává změna oproti sousedům (i vzhledem k předchozímu řádku). Tento způsob kódování používá např. formát TIFF. Př.: Přiřaďte barvám obrázku bitový kód podle Huffmanova kódování. Máme obrázek, ve kterém se vyskytují barvy modrá M, hnědá H, zelená Z a bílá B. Statistika četností výskytu barev v obrázku je: M:0,12, H:0,25, Z:0,16, B:0, Uspořádáme zdrojové barvy podle výskytu sestupně 2. Sečteme nejnižší dvě četnosti, výsledek zařadíme podle velikosti 3. Sčítáme tak dlouho, až dostaneme součet Posledním dvěma znakům přiřadíme hodnoty 1(nejvyšší četnost) a Zpětným postupem přiřazujeme vždy dvěma sčítancům hodnoty 1 a 0 dokud neohodnotíme všechny vstupní barvy. 6. Každé barvě přiřadíme bitový kód odpovídající cestě ke zdrojové barvě od kořene binárního stromu B 0,46 B 0,46 ZMH 0,56 1 H 0,26 ZM 0,28 1 B 0,46 0 Z 0,16 1 H 0,26 0 M 0,12 0 Výsledný bitový kód jednotlivých barev:m=110,h=10,z=111,b= Formáty grafických dat 7

8 Ztrátová komprimace dat Při ztrátové kompresi využíváme faktu, že lidské oko není schopné rozpoznat jistou míru redukce informace, kterou obrázek nese, např. zmenšení barevné palety, odstranění vysokých frekvencí vytvořeného spektra. Ztrátová komprese se děje dvěma základními mechanismy, a to: Hrubším kvantováním Hrubším vzorkováním obrázku Kvantování je proces, při kterém se původně spojitá obrazová funkce rozdělí na intervaly, kterým je přidělena jedna zástupná hodnota (obvykle průměr hodnot celého intervalu). Šířka intervalu a jejich počet pak udávají velikost ztráty informace a také zda bude tato ztráta vnímatelná lidským okem nebo nikoli. Jednou z důležitých aplikací kvantování je snížení počtu barev v obrázku s původně velkým barevným rozlišením. Vzorkování se děje zaznamenáváním hodnot (vzorků) obrazové funkce v předem daných intervalech. Vzdálenost mezi vzorky se nazývá perioda vzorkovacího signálu, její převrácená hodnota je nazývána vzorkovací frekvencí. Čím je větší vzorkovací frekvence, tím věrněji je obraz zachycen, současně se ale zvyšuje velikost výsledného souboru. Pro komprimaci musíme tedy vhodně snížit vzorkovací frekvenci. Při příliš nízké vzorkovací frekvenci dochází ke zkreslení obrazu, nazývanému aliasing. Diskrétní kosinová transformace DCT - při transformacích se provádí převod zpracovávaného signálu z časové (prostorové) oblasti do oblasti frekvenční. Cílem transformace je nalezení korelace mezi sousedními, popř. i vzdálenějšími pixely. Transformace je prováděna odděleně pro jednotlivé barvové složky. Podrobný popis DCT přesahuje rámec tohoto textu, můžete jej najít např. zde: JPEG nejde o jeden algoritmus komprimace, ale o posloupnost několika dílčích procesů. Tato komprimační metoda je vhodná zejména pro fotografie, jejichž sousední pixely mají odlišné, ale podobné barvy. Metoda naopak není vhodná pro obrázky s velkými plochami jedné barvy, u kterých dochází ke vzniku optických čtverců nebo pruhů, ani pro černobílé obrázky, které rozostřuje Formáty grafických dat 8

9 Postup při JPEG komprimaci je následující: 1. převod z modelu RGB do barevného modelu YCBCR se třemi byty na pixel (Y - jasová složka,cbcr barevné složky). Jednotlivé složky jsou v další fázi zpracovávány odděleně. Důvodem je, že tyčinky v lidském oku jsou mnohem citlivější než čípky, proto je oko velmi citlivé na změny jasu, ale velice málo na změny barvy. 2. redukce počtu barev např. metodou průměrování sousedních dvojic, čtveřic. Složka Y, která nese informaci o světlosti jednotlivých pixelů, není podvzorkována, protože světlost lidské oko rozpoznává ve větším rozlišení. Naproti tomu barvonosné složky Cb a Cr mohou být podvzorkovány, a to tak, že se jejich hodnota vypočítá jako průměr buď ze dvou sousedních pixelů na řádku, nebo ze čtyř pixelů tvořících čtverec 2 2 pixely. Při výpočtu průměru ze dvou sousedních pixelů dochází ke zmenšení objemu dat (pro tyto dva pixely) ze 6 bytů na 4 byty, tj. na cca 66%. Větší úspory objemu se dosáhne při použití čtyř pixelů tvořících informaci o barvě, kde se původních 12 bytů sníží na 6 bytů, tj. na 50%. 3. diskrétní kosinová transformace - DCT se provádí odděleně pro jednotlivé barvové složky barvového modelu YCbCr. Pro každou barvovou složku je nejprve provedeno rozdělení celého obrázku na pravidelné bloky o velikosti 8 8 hodnot. První vypočtený koeficient představuje průměrnou hodnotu celého vstupního bloku. V dalších transformovaných koeficientech jsou uloženy amplitudy střídavých kosinových složek celočíselných frekvencí. 4. kvantování koeficientů (určuje míru komprimace a tím stupeň ztráty informace) 5. kódování získaných DCT koeficientů - (např. Huffmanovým kódováním) 6. uložení získaných dat do formátu JFIF (přípona.jpg,.jpeg). Jde o ztrátovou komprimaci, míru komprimace nastavujeme kompresním poměrem. Kompresní poměr udává, jak velkou plochu algoritmus frekvenčně analyzuje (např. 10 x 10 obrazových bodů) a jaké množství detailu z obrazu zahodí. V praxi se ukazuje, že snížení kvality komprimovaného obrazu na 75 % je pro většinu uživatelů nepozorovatelné, přitom kompresní poměr v takovém případě může být 20:1 až 25:1. Ve standardu JPEG jsou definovány celkem čtyři režimy činnosti, které může kodér i dekodér podporovat: sekvenční, progresivní, bezeztrátový, hierarchický. Nejvíce používané je sekvenční kódování, které má nejmenší nároky na použitou operační paměť. Fraktálová komprese funguje na principu vyhledávání podobných útvarů (fraktálů) v obraze, vychází z předpokladu, že všechny přirozené a většina umělých obrazů tyto útvary obsahuje. Hledá se přibližný matematicky popsatelný model Formáty grafických dat 9

10 nalezených útvarů v obrazu, tím dochází ke ztrátě přesnosti informace. Míra komprese není závislá na barevné hloubce obrázku, při zvětšování obrázku se obraz nerozostřuje (dopočítávají se nové podrobnosti a detaily obrázku, předtím neviditelné). Fraktální komprese dosahuje lepších výsledků u přirozených obrazů (fotografie), než obrazů umělých (kresba, náčrtek). Tuto kompresní metodu používá např. formát FIF. Shrnutí: Při tvorbě grafického dokumentu ukládáme soubor pro archivaci a případnou další editaci v nativním formátu aplikace, kterou je soubor zpracováván. Nativní formát zachová všechna data, související se vznikem dokumentu (vrstvy, kanály, cesty, ořezy, masky...). Pro další publikaci souboru volíme formát vhodný pro příslušný typ média. Pro publikování na internetu jsou nejvhodnějšími formáty PNG (zejména pro obrázky s menším počtem barev, s průhledností) nebo JPEG (fotografie), pro vektorovou grafiku se postupně prosazuje otevřený formát SVG. Chceme-li obrázky zpracovat některým programem pro sazbu, je vhodným formátem TIFF nebo EPS. Je-li zapotřebí sdílet dokument s uživateli, kde nevíme, jaký software mají k dispozici, na jaké platformě pracují, musíme zvolit některý z univerzálních formátů, jako je PDF, případně SVG. Obrazová data, zejména dokumenty rastrové grafiky s větší barevnou hloubkou jsou poměrně paměťově náročná a zabírají na disku hodně místa. Pro zmenšení velikosti dokumentu jsou k dispozici kompresní algoritmy, a to algoritmy bezeztrátové i ztrátové. Vhodný kompresní algoritmus, případně kompresní poměr volíme tak, aby vizuálně nebyl poznat rozdíl v kvalitě původního a zmenšeného obrázku. Bezeztrátové kompresní metody, použitelné v počítačové grafice jsou RLE, LZW, Huffmanovo kódování, Metoda kvadrantového stromu. Pro ztrátovou kompresi se nejčastěji používá Diskrétní kosinová transformace (např. JPEG), Vlnková transformace nebo Fraktálová komprese. Ztrátová komprese používá pro zmenšení objemu dat dva postupy hrubší kvantování a hrubší vzorkování Formáty grafických dat 10

11 Použité zdroje informací: Grafické formáty v pre-pressu [online], dostupné z: , [cit. 02/2012] Pavel Tišnovský : Seriál grafické formáty [online], dostupné z: , [cit. 02/2012] Mudrová Martina: Grafické formáty [online], dostupné z: , [cit. 02/2012] Roman Pihan: Vše o formátu RAW, [online], dostupné z: , [cit. 02/2012] Fraktálová komprese obrazu [online], dostupné z:, [cit. 02/2012] Roman Pihan: Formáty pro ukládání fotografií - 11.díl: Vektorové formáty a PDF [online], dostupné z: , [cit. 02/2012] Pavel Tišnovský : Grafické metaformáty WMF a EMF [online], dostupné z: , [cit. 02/2012] Formáty grafických dat 11