ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ OBOR GEODÉZIE A KARTOGRAFIE KATEDRA MAPOVÁNÍ A KARTOGRAFIE FORMÁTY PRO RASTROVOU GRAFIKU semestrální práce Linda Křikavová Ondřej Vala editor: Miroslav Ott V Praze dne 27. 3 2011 Kartografická polygrafie a reprografie
Úvod Tato práce se zabývá jednotlivými formáty rastrové grafiky, jejich rozdělením, vlastnostmi, možnostmi použití v různých typech softwaru a úlohami, ve kterých lze dané typy aplikovat. V následujících kapitolách popíšeme rastrovou grafiku obecně, porovnáme její výhody a nevýhody oproti vektorové grafice, seznámíme se s nejznámějšími rastrovými formáty a rovněž zmíníme i ty méně známé. Na závěr pak uvedeme dvojici programů, které s danou grafikou pracují. 1 Rastrová grafika 1.1 Obecné informace Rastrová grafika je jeden ze dvou způsobů, jakým počítače ukládají a dále pak zpracovávají obrazové informace (tedy obrázky). Obraz je tvořen strukturou bodů (pixelů) uspořádanou do mřížky, kde každý bod je charakterizován svou polohou a barvou. Pixel (z anglického picture element, neboli obrazový prvek) je tím pádem nejmenší jednotka digitální rastrové grafiky (viz obr. 1). Jeho barvu lze zadávat ve formátu RGB (barevný model červené, zelené a modré) nebo CMYK (barevný model azurové, purpurové, žluté a černé). Obrázek 1: Obrázek rozložený na jednotlivé pixely Kvalitu rastrového obrázku tak především ovlivňuje rozlišení a barevná hloubka. Rozlišení je udáváno jako maximální počet pixelů, který jsme schopni ještě zobrazit. V nynější době se jako měrná jednotka rozlišení používá DPI (dots per inch), volně přeloženo jako počet bodů na palec. Hodnota DPI se pro jednotlivé úlohy lišší, obecně ale platí, že při vyšším rozlišení je obrázek jemnější a jsou lépe zobrazeny jeho detaily, ale rovněž roste jeho velikost v kilobytech (popř. megabytech). Barevnou hloubkou pak lze rozumět počet barev, který může každý bod obrázku nabývat. Hodnoty barevné hloubky se tak liší pro daný účel použití obrázku. Například v geodézii se setkáváme jak s 1bitovou barevnou hloubkou (představovanou bílou a černou 1
barvou) při naskenované katastrální mapě, tak i s 24bitovou barevnou hloubkou (která čítá okolo 16,8 milionů barev) známou z barevné fotografie z fotogrammetrie. 1.2 Výhody a nevýhody použití oproti vektorové grafice Za největší výhodu lze považovat to, že pořízení rastrového obrázku je velmi snadné. Postačí nám k tomu skener, nebo i obyčejný digitální fotoaparát. Oproti tomu u vektorové grafiky obrazec vzniká vektorizací či samotnou kresbou. Další výhodou je, že složité obrazce se v rastrové formě zobrazují podstatně rychleji, než je to u vektorové kresby. Rovněž rastrová grafika poskytuje základ pro zobrazení videí a animací, a je snáze přenositelná na výstupní zařízení (obrazovka, tiskárna). Nemalou výhodou je, že většina freeware softwaru je zaměřena spíše než na práci s vektorovou, tak na práci s rastrovou grafikou. Za sporný by se dal vzít i argument, že práce s rastrovou grafikou je snazší než s vektorovou. Mezi nevýhody však musíme počítat skutečnost, že při velkém rozlišení a barevné hloubce obrázku může jeho velikost dosahovat i několika megabytů. Tento problém lze ovšem vyřešit výběrem vhodného formátu a jeho kompresí (viz kap. 2). Taktéž při změně velikosti dochází ke zhoršení obrazové kvality obrázku. Obecně zvětšování obrázku je možné u rastrových dat jen do určité míry, neboť při větším zvětšení je patrný rastr s pixely (viz obr. 2). Obrázek 2: Skutečná velikost obrázku, vpravo několikrát zvětšená část 2
2 Formáty rastrové grafiky 2.1 Běžné formáty Zde popíšeme nejběžnějších formáty rastrových obrázků, k nimž patří formát BMP (bitová mapa), GIF (Graphics Interchange Format), JPEG (Joint Photographic Experts Group), PNG (Portable Network Graphics) a TIFF (Tagged Image File Format). 2.1.1 Formát BMP Tento formát byl poprvé představen v roce 1988, a to jako součást nového operačního systému OS/2 firmy IBM. O něco později firma Microsoft rozšířila jeho definici a zahrnula ho do svého tehdy nejprodávanějšího 16bitového grafického operačního prostředí Microsoft Windows 3.0. Ve formátu BMP jsou jednotlivé pixely zaznamenány přesně tak, jak jdou za sebou a pro každý z pixelů je zaznamenána barevná informace až do hloubky 24 bitů. BMP ovšem taktéž podporuje tzv. Alfa kanál, tedy dodatečnou grafickou informaci, uloženou v odděleném souboru o 256 úrovních šedé, která barevnou hloubku zvyšuje na 32 bitů. Výhodou bitového formátu nepoužívajícího žádnou kompresi je uložení grafické informace v maximální kvalitě, která je identická s předlohou. Formát BMP se tak hodí k ukládání jakýchkoliv rastrových grafických informací a jeho velikost záleží pouze a jenom na počtu pixelů. Typickým editorem pro formát BMP je Malování v operačním systému Windows. 2.1.2 Formát GIF GIF byl vyvinut společností CompuServe v roce 1987 (tehdy označován jako GIF87). V letech 1995 2003 byl tento formát vázán patentem a výrobci programů, kteří s ním pracovali, museli platit společnosti licenční poplatky. V dnešní době je spolu s formátem JPEG nejpoužívanějším formátem pro zobrazování webové grafiky. Nemalou zásluhu má na tom to, že díky své bezztrátové kompresi se hodí na ukládání vektorové grafiky v rastrové podobě. Rovněž se v současné době jedná o prakticky jediný z obrázkových formátů, do kterého jsou ukládány animace. Není však vhodný pro ukládání fotografií, pro které má GIF nedostatečnou maximální barevnou hloubku. Formát GIF tak podporuje pouze 8bitovou grafiku, což znamená, že obrázek může nabývat maximálně 256 barev. Pro své vlastnosti se nejlépe hodí pro jednoduché barevné objekty, ikony, loga a obrázky s velkými plochami stejné barvy. 2.1.3 Formát JPEG Formát JPEG je o něco mladším kolegou formátu GIF. Jeho počátky se datují kolem roku 1990, kdy byl standardizován normou ISO, a roku 1991, kdy začal být hojně používán. Tento formát podporuje 24bitovou grafiku, obrázek tedy může obsahovat až 16,8 miliónů barev. Veškeré informace o jednotlivých barvách ukládá v RGB složkách (viz kap. 1.1). 3
Obdobně jako GIF, i JPEG využívá kompresi, která je ovšem ztrátová. Vzhledem k tomu, že byl navržen jako formát pro ukládání obrázků, umožňuje účinně zkomprimovat velké fotografie vysoké kvality do velmi malých souborů. Čím je však výsledný soubor menší, tím více informací ztrácí a tím více klesá kvalita obrázku. Soubory JPEG se doporučuje používat v případech digitálních fotografií, obrázků s přirozeným vzhledem a tam, kde chceme dosáhnout vysoké věrnosti v detailech. 2.1.4 Formát PNG Jedním z nejmladších rastrových formátů je formát PNG. Konsorcium W3C vydalo jeho specifikaci (resp. doporučení) v říjnu roku 1996. Tento formát je tak dnes jediným oficiálním formátem pro bitmapovou grafiku na internetu, často bývá označován jako nástupce formátu GIF. Ve srovnání s formátem GIF má však lepší podporu barev (až 24 bitů), větší možnosti transparence (například u průhledného pozadí) a více typů prokládání. Ovšem vzhledem k tomu, že se jedná o nový formát, je v současné době podporován menším počtem prohlížečů (ačkoliv jeho podpora se rychle rozšiřuje). Formát PNG také využívá bezztrátovou kompresi, navíc si lze vybrat z několika typů. Rovněž implementuje řadu metod pro lepší zobrazování obrázků, například automatickou detekci poškození. Tento rastrový formát tak lze použít od jednoduchých ikon, až po fotografie. 2.1.5 Formát TIFF TIFF je jeden z nejsložitějších rastrových formátů. Původně byl vytvořen jen na zkoušku (firmou Aldus, rok 1986) za účelem získání jednotného formátu pro tehdejší stolní skenery. Tento formát měl být shodný pro většinu naskenovaných obrazových dat, aby se zamezilo problémům s vývojem různých formátů podléhajícím autorským právům jednotlivých tvůrců. I dnes mu nelze upřít hlavní využití pro tradiční tiskovou grafiku. Formát TIFF zaručuje vysokou kvalitu obrázků, a proto se taky častou používá k tisku publikací. Umožňuje zobrazit milióny barev (jeho barevná hloubka je od 1 do 24 bitů) a soubory v tomto formátu jsou tak obvykle větší než soubory ve formátu GIF či JPEG. Formát TIFF lze doporučit pro snadný export dat do jiných programů pro práci s rastrovými daty, tvorbu obrázků nejvyšší kvality (již zmiňované tištěné publikace) a zachování kvality obrázků i při mnohonásobném uložení. 2.2 Méně známé formáty Za méně známé rastrové formáty pak lze pokládat formát APNG (což je zkratka pro Animated Portable Network Graphics), který je grafickým formátem rozšiřující PNG o podporu animací, podobně jako u formátu GIF. Tento formát byl navržen vývojáři prohlížeče Mozilla, avšak jeho standardizace byla zamítnuta. Další z méně známých rastrových formátů je formát JPEG 2000, jehož soubory mají příponu.jp2 nebo.j2c. Tento nástupce klasického JPEG s možností ukládání bezztrátové 4
komprese dosahuje barevné hloubky až 48 bitů a hodí se proto výhradně pro ukládání fotografií. Mluvíme-li o ukládání fotografií, byla by chyba nezmínit rastrový formát RAW. Tento formát má zcela specifický způsob ukládání grafických dat, které tečou přímo ze záznamového čipu digitálního fotoaparátu. Data z čipu nejsou nijak upravována a jsou uložena v přesném sledu, jak z čipu vycházejí. Obrázek je následovně skládán až v počítači, pomocí specializovaného grafického editoru. Výhodou tohoto ukládání je zachování té nejvyšší kvality, kterou po snímacím čipu fotoaparátu již neovlivňuje žádná další elektronika, až do jeho zpracování. Formát RAW ovšem nemá jedinou příponu a liší se podle výrobce daného digitálního fotoaparátu (Olympus.orf, Canon.crw a.cr2, Nikon.nef apod.). Mezi posledními uvedenými rastrovými formáty by bylo dobré zmínit soubory Corel- DRAW (s příponou.crd), který slouží k ukládání dokumentů z programu CorelDRAW, a to s maximální barevnou hloubkou 32 bitů. Dále pak formát se jménem Paint Shop Pro (přípona.psp) s maximální barevnou hloubkou 48 bitů, pro bezztrátové ukládání dokumentů ve stejnojmenném programu. A formát s názvem Photoshop, jehož soubory s příponou.psd dokáží uložit obrazová data s barevnou hloubkou až 64 bitů. Tento formát se používá v softwaru Adobe Photoshop. 3 Grafické editory Stejně, jako se liší typy grafiky, i zde můžeme grafické editory rozlišit na dva základní druhy, editory bitmapové (rastrové) a vektorové (objektové). Vzhledem k tomu, že tato práce se zabývá formáty rastrové grafiky, řekneme si něco více o prvně jmenovaných. Rastrové grafické editory lze rozdělit do dvou základních množin, a to podle typu licence, na freeware a placený software. Zatímco freeware můžeme stáhnout zadarmo z internetu, za placený software jsme nuceni dát i tisíce korun. Zdarma dostupných bitmapových grafických editorů není mnoho, tento druh aplikací míří především do komerční sféry, i přesto se zde dá najít pár programů, které nabízí příjemné uživatelské prostředí a spousta funkcí. Jedním z nich je GIMP (viz obr. 3), ten je dostupný jak pod Windows, tak i pro Linux, odkud de facto vzešel. Pracovat v něm můžeme s klasickou škálou nástrojů, od tahů štětcem, až po výřezy a další nezbytnosti. Nechybí zde možnosti úpravy fotografií, tvorba vlastních uživatelských skriptů a v neposlední řadě třeba práce ve vrstvách. Na poli komerčního softwaru pak kraluje program s názvem Adobe Photoshop, vytvořený firmou Adobe System, jíž můžeme znát díky aplikaci pro tvorbu souborů typu PDF, Adobe Acrobat. Tento program nabízí světový standard pro editaci rastrových obrázků v nejvyšší kvalitě. Jeho použití už přesahuje klasické úpravy fotografií a je tedy ideální i pro tvorbu webové grafiky, animovaných GIFů, import informací z databáze či tabulkového procesoru, a další prvky spojené s rastrovou grafikou. 5
Obrázek 3: The Gimp prostředí programu Závěr Cílem této práce bylo přiblížení jednotlivých typů rastrových formátů a prvků s nimi souvisejícími. Denně se s těmito typy dat setkáváme, používáme je a často jsme nuceni k výběru jednoho určitého formátu. Tento text by měl pomoci odkrýt podstatu jednotlivých rastrových formátů a usnadnit tak jejich výběr. V rámci této práce samozřejmě nejsou obsaženy veškeré dnešní rastrové formáty a používané bitmapové editory. Daný rozsah nám umožnil uvést jen ty nejpoužívanější z nich. I přesto by měl být jejich výběr postačující. Literatura [1] STRAKOŠ, Roman. Rastrová (bitmapová) grafika. Informatika - seminář IVT [online]. 2008 [cit. 2009-04-14]. Dostupný z WWW: <sportgym-ostrava.cz/ucitele/files/ informatika/rastrova_grafika.pps>. [2] MIKUŠ, Ľudovít, IVANIGA, Petr. Rastrová grafika. Svet komunikácie [online]. 2007 [cit. 2009-04-14]. Dostupný z WWW: <http://www.svet-komunikacie.sk/index. php?id=3071>. [3] SKŘIVAN, Jaromír. GIF, JPEG a PNG - jak a kdy je použít?. Interval.cz [online]. 2002 [cit. 2009-04-14]. Dostupný z WWW: <http://interval.cz/clanky/ gif-jpeg-a-png-jak-a-kdy-je-pouzit/>. [4] ČECH, Nikola. Grafické formáty II - BMP, GIF, RAW a ostatní. EMAG technologický magazín [online]. 2007 [cit. 2009-04-14]. Dostupný z WWW: <http://www.emag.cz/ graficke-formaty-ii-bmp-gif-raw-a-ostatni/>. [5] Microsoft Office Online. Výběr nejvhodnějšího formátu grafiky pro daný úkol [online]. 2009 [cit. 2009-04-14]. Dostupný z WWW: <http://office.microsoft.com/cs-cz/ help/ha010563051029.aspx>. [6] SEDLÁK, Jan. Neplaťte, stahujte : GIMP. Computer. 12.2.2009, roč. 09, č. 3, s. 6-13. 6