Форматы файлов растровых изображений

Битовая карта — это прямоугольный массив битов, соответствующих пикселам на графическом устройстве вывода. Битовая карта имеет определенную высоту и ширину, измеряемую в пикселах. Кроме того, она обладает определенной глубиной цвета (color depth), измеряемой числом битов на пиксел (bits per pixel, обычно сокращается как bpp}. Все пикселы битовой карты имеют одинаковое число бит, которое определяет количество уникальных цветов в изображении:

Число цветов = 2^{число бит на пиксель}

Число бит на пиксел может составлять от 1 до 32 (и более), при этом одни форматы распространены больше, другие — меньше.

В таких графических средах, как Windows, для представления цветов используются RGB-коды (red-green-blue, красный-зеленый-синий), где каждая составляющая занимает 1 байт, а полный код цвета RGB — 3 байта, т.е. 24 бита. Такая схема довольно точно отражает способность человеческого глаза различать цвета. Кроме того, она примерно соответствует возможностям современных мониторов отображать разные цвета. Дополнительный байт может определять уровни прозрачности, начиная полной непроницаемостью и кончая полной прозрачностью. И все же 32 бита на пиксел — это не верхний предел. Некоторые приложения, например, программы для работы с изображениями в медицине, требуют большего числа бит на пиксел для повышенного разрешения.

Растровые изображения с разрядностью 1 бит на пиксел являются двухуровневыми (bilevel) или монохромными (monochrome). Возможны лишь два цвета; обычно, но не всегда, это черный и белый. Такое растровое изображение, как правило, включает небольшую таблицу (или палитру) цветов, указывающую два цвета, связанных с двумя значениями битов.

На заре эпохи Windows были распространены изображения с разрядностью 4 бита на пиксел; их можно найти и сейчас. Например, значки зачастую являются 16-цветными изображениями. Эти 16 цветов представляют собой комбинации красного, зеленого и синего основных цветов в стандартной и темной версиях. Такое растровое изображение содержит таблицу цветов, указывающую точные цвета, соответствующие 16 возможным комбинациям битов.

Разрядность одного из самых распространенных форматов растровых изображений — 8 бит на пиксел. Зачастую изображение представляется в градациях серого (gray scale), и 8 бит соответствуют 256 или меньшему числу градаций серого, начиная черным и кончая белым. Цветные изображения также можно хранить в битовых картах с 8 битами на пиксел, тогда для изображения выбираются 256 или менее конкретных цветов. Отобранные цвета иногда называют оптимизированной палитрой (optimized palette) изображения.

В растровом изображении с разрядностью 16 бит на пиксел обычно используется по 5 бит для красной зеленой и синей составляющих; 1 бит остается незадействованным. Таким образом, код основного цвета может иметь 32 значения, что в целом дает 32 768 уникальных цветов. Иногда зеленому цвету выделяют дополнительный бит, так как именно к этому цвету наиболее чувствителен глаз человека. Такие растровые изображения иногда называют «5–6–5», указывая число бит для каждого из основных цветов. Разрядность в 15 или 16 бит на пиксел обычно называется средним качеством цветопередачи (high color) и недостаточна для представления градаций цвета на реалистичных изображениях.

Разрядность полноцветного (full-color, true-color) растрового изображения — 24 бита на пиксел. Каждый пиксел — это 24-битовый код цвета RGB. При использовании в растровом изображении точно 3 байтов на пиксел возможны проблемы производительности: обычно наиболее эффективная работа 32-разрядных процессоров обеспечивается при доступе к 32-разрядным значениям на 32-разрядных границах памяти.

Можно использовать растровые изображения с разрядностью 32 бита на пиксел, в которых реально используются 24 бита, а 1 байт добавлен только для оптимизации производительности. Этот дополнительный байт может также содержать сведения о прозрачности, называемые альфа-каналом (alpha channel). Альфа-значение определяет уровень прозрачности каждого конкретного пиксела.

Растровые изображения могут быть очень большими. Так, если разрешение монитора — 1 600 × 1 200 пикселов, растровое изображение с разрядностью 24 bpp и размером, равным размеру экрана, занимает около 5 Мб. Именно поэтому значительные усилия затрачивались на разработку методов сжатия изображений.

Один из простейших методов, известный практически всем, кто знает о сжатии изображений, — это кодирование длин серий (run-length encoding, RLE). Например, при наличии 12 последовательных голубых пикселов имеет смысл сохранить не повторяющиеся пикселы, а их количество. RLE обычно подходит для изображений с ограниченным количеством цветов, например мультипликационных.

Программа, использующая более сложные алгоритмы, должна проанализировать данные на наличие повторяющихся комбинаций. Значительный прогресс в сжатии изображений имел место в конце 1970-х, когда Джейкоб Зиф (Jacob Zif) и Абрахам Лемпель (Abraham Lempel) опубликовали методы сжатия LZ77 и LZ78. Эти алгоритмы на лету выявляют совпадающие последовательности данных и эффективно их используют. В 1984 г. Терри Уэлч (Terry Welch) из Sperry Research Center (в настоящее время — часть Unisys), основываясь на алгоритме LZ78, описал принципы алгоритма LZW. На LZW основаны несколько популярных форматов сжатия изображений ¹. Однако недавно Unisys запретила применять алгоритм LZW без лицензии. Учитывая, что LZW уже использовался в нескольких укоренившихся стандартах (включая GIF), большая часть программистов пренебрегла требованиями Unisys; кроме того, этот алгоритм намеренно перестали использовать в новых форматах сжатия.

Алгоритм RLE и все производные алгоритма LZ — это методы сжатия без потерь (loseless), позволяющие полностью восстановить исходную информацию из сжатых данных (доказать, что конкретный алгоритм сжатия без потерь работает не для всех файлов, очень просто: после сжатия размер некоторых файлов вырастает!). Сжатие без потерь полезно при работе с электронными таблицами и текстовыми документами. Гораздо реже его применяют для реалистичных изображений, например оцифрованных фотографий.

В связи с этим в последнее время, когда потребовалось сжатие фотографических изображений, стали популярны методы сжатия с потерями (lossy). Сжатие с потерями достигает лучших результатов, опуская незаметные или малозаметные глазу человека данные. Однако при сильном сжатии с потерями возможно заметное ухудшение качества изображения.

Форматы файлов растровых изображений, поддерживаемые классом Image, указываются в статических свойствах класса ImageFormat, определенного в пространстве имен System.Drawing.Imaging:

Статические свойства ImageFormat

Возможно, вам знакомо большинство этих форматов. На всякий случай ниже дано краткое описание каждого из них.

• Bmp Собственный формат файлов растровых изображений Windows, или аппаратно-независимый растр (device-independent bitmap, DIB). Формат DIB был создан на основе формата растровых изображений OS/2 1.1 и появился в Windows 3.0. До этого формат растровых изображений в Windows основывался на требованиях конкретных устройств вывода. И хотя некоторые приложения использовали старый формат для обмена файлами, он не предназначался для этой цели.

  Основная часть DIB определена в документации определенных структур используемых в Win32 API, в частности, BITMAPFILEHEADER, BITMAPINFO, BITMAPINFOHEADER и их производных. Подробнее о формате DIB см. главу 15 моей книги «Programming Windows», 5th ed. (Microsoft Press, 1999). DIB-файлы обычно хранятся без сжатия. Для некоторых цветовых форматов применяется малоиспользуемая схема сжатия RLE.

• MemoryBmp DIB в памяти — DIB без заголовка BITMAPFILEHEADER.

• Icon Формат файлов значков Windows, расширение формата Windows DIB.

• Gif Произносится «джиф». Был разработан в конце 1980-х для сети CompuServe (одной из первых интерактивных информационных служб) и остается одним из двух самых популярных форматов графики в World Wide Web. В формате GIF применяется LZW-сжатие. Документы Gif87a.txt и Gif98a.txt, описывающие данный формат файлов, широко распространены в Интернете. Спецификация GIF включает элементарную (но популярную) функцию анимации.

• Jpeg Произносится «джейпег» и расшифровывается как Joint Photographic Experts Group (Объединенная группа экспертов по фотоизображениям) — собрание представителей крупных промышленных предприятий, разработавшее набор методов сжатия (как с потерями, так и без потерь) полутоновых фотоизображений. Официальный Web-узел JPEG находится по адресу http://www.jpeg.org. Действующая спецификация JPEG доступна в виде стандарта ISO. Черновик стандарта, а также другую полезную информацию можно найти в книге Вильяма Пеннибэйкера (William B. Pennebaker) и Джоан Митчел (Joan L. Mitchell) «JPEG: Still Image Data Compression Standard» (New York: Van Nostrand Reinhold, 1993).

  Согласно стандарту JPEG не является форматом файлов. Правильное название того, что обычно называют форматом файлов JPEG — JPEG File Interchange Format (JFIF, формат обмена файлами JPEG). Подробнее о JFIF см. документ http://www.jpeg.org/public/jfif.pdf. JFIF включает метод сжатия JPEG с потерями и наряду с GIF стал одним из двух самых популярных форматов графики в Web (в спецификации HTML нет специального упоминания ни GIF, ни JPEG, и все же они стали стандартами Web-графики де-факто).

• Png Произносится «пинг». Portable Network Graphics — это формат сжатия без потерь, разработанный под протекцией World Wide Web Consortium (W3C) в качестве бесплатной и не требующей лицензирования альтернативы GIF. Большинство современных Web-браузеров поддерживают PNG, а также GIF и JPEG. Подробнее о формате PNG можно узнать по адресу http://www.w3c.org/Graphics/PNG. Если нужно сжимать нефотографические изображения и вы не хотите использовать GIF, лучшее решение — задействовать PNG.

• Tiff Формат Tag Image File Format разработан совместно компаниями Aldus (создателем популярной программы PageMaker) и Microsoft. Сейчас спецификация TIFF принадлежит Adobe, вы найдете ее по адресу http://partners.adobe.com/asn/developer/pdfs/tn/TIFF6.pdf.

• Exif Формат обмена изображениями (Exchangeable image format) разработан организацией, которая сейчас называется Japan Electronics and Information Technology Industries Association (JEITA, Японская ассоциация развития технологий электронной и информационной промышленности), для цифровых камер. Со спецификацией EXIF 2.2 можно ознакомиться по адресу http://www.exif.org/Exif2-2.PDF.

• Wmf He является форматом файлов растровых изображений! Это формат метафайлов, которые представляют собой набор функций построения графики (обычно векторной}, хранящихся в двоичной форме. WMF относится к старому формату метафайлов Windows, применявшемуся до 32-разрядных версий этой ОС.

• Emf Расширенный формат метафайлов Windows, появившийся в 32-разрядных версиях Windows. С метафайлами можно работать, как и с любыми другими изображениями, однако они относятся к отдельному классу. Подробнее о метафайлах рассказывается в главе 23 этой книги.

¹ Хороший источник сведений об истории, технологии и программировании методов сжатия данных — книга Марка Нельсона (Mark Nelson) и Жан-Лупа Гайли (Jean-Loup Gailly) «The Data Compression Book», 2-е издание (New York: M.T Books, 1985).