Slajd 1

Formaty grafiki rastrowej

BMP (Bit MaP) - format BMP jest standardowym formatem

bitmap                          w  środowisku  Windows  i  w  systemie  OS/2.  Po
rozejściu  się  firm  Microsoft      i  IBM  powstały  osobne  standardy.
Zachowując pliki w „starym” formacie, istnieje możliwość wyboru
głębi  bitowej  koloru  od  1,  4,  8  lub  24  bitów.            W  „nowym”
formacie kolor zapisywany może być w systemie RGBA (tu: BGRA
- 32 bity). W trybach poniżej 8 bitów występuje paleta kolorów.

Zapis obrazu zawiera informację o kolorze, a następnie obszar

danych pikseli opisywanych od lewego dolnego do prawego
górnego rogu.

W przypadku obrazów BMP można skorzystać z bezstratnej

kompresji Run-Length-Encoding (RLE). Wersja 5 została
wyposażona w możliwość obsługi kompresji stosowanej w JPEG i
PNG.

Zaletą tego formatu jest fakt, iż jest on rozpoznawany przez

wszystkie wersje systemu Windows. Podstawową wadą są duże
rozmiary plików.

Grafika komputerowa

– wykład 11

Do  kompresji  grafiki  szczególnie  nadaje  się  algorytm  RLE  (Run-Leght
Encoding).  Jeśli  znak  (lub  w  tym  przypadku  wartość  piksela)  powtórzy
się  więcej  niż  trzy  razy  z  rzędu,  to  jest  zapisywany  tylko  ten  znak  i
liczba powtórzeń. Można objaśnić to na przedstawionym schemacie.
Łańcuch danych do przetwarzania:
DDDDDDBBNNNNKKKKKOOO
po skompresowaniu:
6^DBB4^N5^KOOO
Przed znakiem ^ pojawia się liczba powtórzeń piksela o danej wartości.
W przytoczonym przykładzie oszczędność miejsca sięga 30%.
Algorytm  jest  wysoce  efektywny  w  stosunku  do  obrazów  o  dużych
obszarach  wypełnionych  jednolitą  barwą,  a  szczególnie  o  długich
ciągach poziomych pikseli.

Kompresja RLE

Grafika komputerowa

– wykład 11

Formaty grafiki rastrowej

GIF (Graphics Interchange Format) - definiuje protokół, który

umożliwia niezależną sprzętowo transmisję grafiki on-line. GIF
składa się z sekwencji bloków, wśród których można
wyróżnić 3 grupy: kontrolne, informacyjne oraz specjalne.

• Bloki kontrolne (np.: nagłówek czy opis ekranu logicznego)

zawierają informacje dla ustawienia parametrów sprzętu.

• Bloki informacyjne, np.: opis obrazu i rozszerzenie tekstowe,

mieszczą dane używane do wyświetlenia obrazu na ekranie
komputera.

• Bloki specjalne, np.: komentarze i rozszerzenie aplikacyjne,

służą jedynie ogólnej informacji.

Grafika komputerowa

– wykład 11

Formaty grafiki rastrowej

GIF (Graphics Interchange Format)
Zaletami formatu są małe rozmiary plików oraz możliwość

obsługi przez wszystkie przeglądarki internetowe. Nadaje się do
publikacji grafiki           w Internecie (w tym tworzenia obrazów
animowanych).  Mimo  swego  podeszłego  wieku  wciąż  cieszy  się
popularnością,  chociaż  jest  ostatnio  wypierany  przez  animacje
Flasha. Umożliwia zastosowanie przezroczystości oraz interlacing
(przeplot).

Nie ma on jednak możliwości wykrywania błędów. Głębia barw

ograniczona jest do 8 bitów (256 kolorów). Paleta kolorów może
być optymalizowana. Do 2006 roku licencjonowany, ponieważ
obrazy są kompresowane bezstratną metodą LZW. Dlatego
stworzono konkurencyjny format PNG.

Grafika komputerowa

– wykład 11

Nazwa  algorytmu  LZW  pochodzi  od  pierwszych  liter  nazwisk  jego
autorów: Jacob Ziv, Abraham Lempel i Terry A.Welch. Pierwsza wersja
algorytmu  pochodzi  z  1977  roku  i  znana  jest  jako  LZ77.  Rok  później
pojawił się nieco zmieniony algorytm LZ78. Po publikacji w 1984 roku
przez  Terrego  Welcha  praktycznej  realizacji  LZ78,  algorytm  otrzymał
ostateczna  nazwe  LZW.  W  pliku  GIF  stosowana  jest  jego
implementacja o nazwie Variable Length Code LZW.
Uwaga: Algorytm LZW jest chroniony patentem.
Właścicielem  patentu  jest  firma  Unisys  Corporation.  Od  1995  roku
producenci,  którzy  chcą  sprzedawać  oprogramowanie,  używające
algorytmu  LZW  do  przetwarzania  danych  muszą  mieć  licencję  od
Unisys Corporation i licencja ta jest płatna. Zwolnieni od opłat są tylko
użytkownicy końcowi i organizacje nie komercyjne.

Kompresja bezstratna
LZW

Grafika komputerowa

– wykład 11

Idea algorytmu LZW jest stosunkowo prosta i polega na zastępowaniu
znalezionych  ciągów  danych  specjalnymi  kodami.  W  trakcie
przeglądania zbioru wejściowego program zapamiętuje w tablicy (lub
innej strukturze danych) znalezione ciągi danych i odpowiadające im
kody.  Algorytm  jest  jednoprzebiegowy  i  nie  wymaga  zapisu  tablicy  z
kodami do zbioru wynikowego.
W  zależności  od  konkretnej  implementacji,  algorytm  może  operować
na  bajtach  bądź  na  danych  o  innej  długości.  Taka  elastyczność  ma
szczególne  znaczenie  przy  kompresji  grafiki,  w  której  opis  jednego
piksela może być kodowany różną ilością bitów.

Kompresja LZW

Grafika komputerowa

– wykład 11

Podczas  procesu  dekompresji  danych,  program  odtwarza  tablice
kodów  na  podstawie  odczytanych danych.  Do poprawnego  odczytu
dekompresor  musi  znać  największy  możliwy  kod  danych  oraz  kody
specjalne.

Dekompresja przeprowadzana jest w oparciu o kody zawarte w
tabeli i prowadzi do uzyskania ciągu analogicznego z
wejściowym.

Dekompresja danych

Grafika komputerowa

– wykład 11

Formaty grafiki rastrowej

TIFF (Tagged Image File Format) – został opracowany do druku

postscriptowego. Znajduje zastosowanie w wymianie plików
między aplikacjami i platformami komputerowymi. Jest czytany
przez większość systemów operacyjnych.

Format TIFF może posługiwać się algorytmem kompresji

bezstratnej  LZW.  Oparty  jest  on  na  koncepcji  tagów,  które
dostarczają  informacji  na  temat  obrazu  (typ  kompresji,  rozmiar,
kolejność bitów oraz autor, data                   i oprogramowanie
źródłowe).  TIFF  5.0  definiuje  45  tagów.  Ze  względu  na  wysoką
jakość  obrazu  TIFF  jest  używany  w  poligrafii,  fotografii,
profesjonalnym przetwarzaniu i analizie obrazu. Jego podstawową
wadą jest duży rozmiar plików.

W przypadku zastosowania pewnych metod kompresji mogą

występować trudności z rozpoznawaniem przez różne programy
graficzne.

Grafika komputerowa

– wykład 11

Formaty grafiki rastrowej

PNG (Portable Network Graphics - "ping") – elastyczny,

przenośny format opracowany jako alternatywa dla standardu
GIF. Nie zawiera żadnych rozwiązań patentowanych.

Podobnie jak GIF, jest on używany do wyświetlania obrazów na

stronach WWW i w serwisach interaktywnych. Jest niezależny od
platformy. PNG zawiera pełną informację o kolorze (do 48 bitów);
w celu zmniejszenia rozmiaru plików posługuje się algorytmem
kompresji bezstratnej DEFLATE, który łączy LZ77 i kodowanie
Hufmanna, co zapewnia wydajniejszą kompresję niż GIF.

Jego zaletą jest pełna kontrola poprawności pliku i trójstopniowa

korekcja błędów.

Wyświetlanie może odbywać się z przeplotem w obu kierunkach,

co daje lepszy efekt niż jednokierunkowy przeplot w formacie GIF.

Grafika komputerowa

– wykład 11

Formaty grafiki rastrowej

PNG (Portable Network Graphics - "ping")
PNG nie daje możliwości zastosowania animacji. Umożliwia za to

wyświetlanie

barw

zadanym,

dowolnym

stopniu

przezroczystości oraz dodatkowych informacji o obrazie. Jego
wadą jest brak obsługi przez niektóre przeglądarki. Uwzględnia
także korekcję gamma.

Plik PNG składa sie z serii bloków (chunk). Po bloku PNG file

signature,  który  rozpoczyna  plik  PNG,  obowiązkowo  występują:
IHDR  (nagłówek),  IDAT  (dane  obrazu)  oraz  IEND  (zakończenie).
Wszystkie  pola  liczbowe            w  pliku  PNG  zapisywane  są  w
układzie  Big-Endian,  czyli  poszczególne  bajty  zapisywane  są  od
najstarszego do najmłodszego.

Grafika komputerowa

– wykład 11

Formaty grafiki rastrowej

Kompresja LZ77

Algorytm LZ77 jest metodą bezstratnej kompresji słownikowej,

opracowanej    w  1977  roku  przez  Abrahama  Lempela  i  Jacoba
Ziva.  Opiera  się  on  na  zasadzie,  iż  poszczególne  słowa  lub  ich
fragmenty  powtarzają  się  w  danym  tekście.  W  słowniku  jest
zatem  zapamiętywana  pewna  liczba  ostatnio  kodowanych
danych, następnie w przypadku  powtórzenia się jakiegoś ciągu
znaków,  jest  on  zastępowany  dwiema  liczbami,  z  których
pierwsza  określa  jego  pozycję  w  słowniku,  a  druga  długość
ciągu.

Grafika komputerowa

– wykład 11

Kodowanie Huffmana

Dla danego zbioru symboli S = {x

, …, x

} istnieje zbiór

stowarzyszonych z nim prawdopodobieństw P = {p

, …, p

Symbolami są najczęściej bajty, lecz mogą nimi być np.: pary znaków.
Prawdopodobieństwa mogą zostać z góry określone dla danego
zestawu

danych,

np.:

poprzez

wyznaczenie

częstotliwości

występowania  znaków  w  tekstach  danego  języka.  Częściej  jednak
wyznacza się je indywidualnie dla każdego zestawu danych.
Kodowanie  Huffmana  polega  na  utworzeniu  słów  kodowych  (ciągów
bitowych),  których  długość  jest  odwrotnie  proporcjonalna  do
prawdopodobieństwa p

. Tzn. im częściej dane słowo występuje (może

wystąpić) w ciągu danych, tym mniej zajmie bitów.

Kompresja JPEG

Grafika komputerowa

– wykład 11

Kodowanie Huffmana

Własności kodu:
• kod Huffmana jest kodem prefiksowym - żadne słowo kodowe nie
jest początkiem innego słowa;
• jeśli prawdopodobieństwa są różne, tzn. p

> p

, to długość kodu dla

symbolu x

jest nie większa od kodu dla symbolu x

;

• słowa kodu dwóch najmniej prawdopodobnych symboli mają równą
długość;
• dwa najdłuższe symbole różnią się tylko jednym, ostatnim bitem.
Kompresja polega na zastąpieniu symboli otrzymanymi kodami.

Kompresja JPEG

Grafika komputerowa

– wykład 11

Drzewo Huffmana

0.1

Mamy symbole A,B,C,D
o prawdopodobieństwach
wystąpienia odpowiednio [0.1,
0.2, 0.3, 0.4].

Łączymy węzły odpowiadające
symbolom (A) i (B). Teraz
mamy (A + B) = 0.3, (C) =
0.3, (D) = 0.4

0.2

0.3

0.4

0.1

0.2

0.3

0.4

0.3

0.1

0.2

0.3

0.4

0.3

Łączymy węzły
odpowiadające drzewku (A +
B) oraz (C). Teraz mamy ((A
+ B) + C)=0.6 i (D) = 0.4

0.6

Grafika komputerowa

– wykład 11

Drzewo Huffmana

0.1

0.2

0.3

0.4

0.3

Łączymy węzły
odpowiadające drzewku ((A
+ B) + C) oraz (D). Teraz
mamy tylko jeden wolny
węzeł - drzewko (((A + B) +
C) + D) = 1.0
Obliczamy kody znaków:
A = lewo, lewo, lewo= 000
B = lewo, lewo, prawo = 001
C = lewo, prawo = 01
D = prawo = 1

0.6

1.0

Grafika komputerowa

– wykład 11

Formaty grafiki rastrowej

JPEG (Joint Photographic Expert Group) - umożliwia

zastosowanie stratnej kompresji danych o regulowanym stopniu.
Algorytm  zastosowany  w  formacie  JPEG  opiera  się  o  DCT
(Discrete  Cosinus  Transformation).  Przy  wyborze  wysokiego
poziomu  kompresji  pliki  mają  niewielkie  rozmiary,  co  umożliwia
ich publikację na stronach www. Są odczytywane przez wszystkie
przeglądarki.  Podstawową  wadą  jest  pogorszenie  jakości  obrazu
(różnice na granicach bloków, zakłócenia na granicach obszarów)
przy dużym stopniu kompresji oraz brak przezroczystości.

Format pozwala na zapis plików o rozdzielczości barw do 24

bitów  (16,7  mln  kolorów)  w  systemach  CMYK  i  RGB,  nadaje  się
zatem  do  prezentacji  zdjęć  i  obrazów  ciągłotonalnych.  Nie
zapewnia  dobrych  efektów                              w  przypadku  koloru  1-
bitowego  oraz  obrazów zawierających wyraźne linie czy granice
między obszarami.

Grafika komputerowa

– wykład 11

JPEG jest

najpowszechniejszym algorytmem kompresji obrazów.

Wiele rozwiązań tu zastosowanych jest używanych także w innych
algorytmach.

Kolejne kroki algorytmu JPEG to:
•  zamiana  przestrzeni  kolorów  z  RGB  na  kanał  jasności  i  dwa  kanały
koloru.  Ludzie znacznie dokładniej postrzegają drobne różnice jasności
od  drobnych  różnic  barwy,  a  więc  użyteczne  jest  tutaj  użycie  różnych
parametrów kompresji. (Krok nie jest obowiązkowy)
• obniżenie rozdzielczości kanałów koloru, zwykle odrzuca się co drugą
wartość wzdłuż osi poziomej, i każdą na pionowej, choć możliwe są też
inne  ustawienia.  Tak  radykalne  cięcie  danych  nieznacznie  wpływa  na
jakość, ponieważ rozdzielczość postrzegania kolorów przez ludzkie oko
jest słaba. (Krok nie jest obowiązkowy)

Kompresja JPEG

Grafika komputerowa

– wykład 11

•  Podzielenie  każdego  kanału  obrazka  na  bloki  8x8.  W  przypadku
kanałów  kolorów,  jest  to  8x8  aktualnych  danych,  a  więc  zwykle
16x8.
•  Transformata  kosinusowa  każdego  z  bloków.  Zamiast  wartości
pikseli  mamy  teraz  średnią  wartość  wewnątrz  bloku  oraz
częstotliwości  zmian  wewnątrz  bloku,  obie  wyrażone  przez  liczby
zmiennoprzecinkowe.  Transformata  DCT  jest  odwracalna,  więc  na
tym etapie nie ma utraty żadnych danych.
•  Zastąpienie  średnich  wartości  bloków  przez  różnice  wobec
wartości  poprzedniej.  Poprawia  to  w  pewnym  stopniu  współczynnik
kompresji.
•  Kwantyzacja,  czyli  zastąpienie  danych  zmiennoprzecinkowych
przez  liczby  całkowite.  To  właśnie  tutaj  występują  straty  danych.
Zależnie  od  parametrów  kompresora,  odrzuca  się  mniej  lub  więcej
danych.  Zasadniczo  większa  dokładność  jest  stosowana  do  danych
dotyczących niskich częstotliwości niż wysokich.
Kompresja algorytmem bezstratnym, w tym przypadku algorytmem
Huffmana.

Kompresja JPEG

Grafika komputerowa

– wykład 11

Formaty grafiki rastrowej

Opcje

BMP

GIF

PNG

JPEG

Liczba

kolorów

(bity)

Przezroczysto

ść

NIE

TAK

(jest-nie ma dla

kolorów)

TAK

(256 stopni dla

każdego piksela)

NIE

Przeplot/

Progresja

NIE/NIE

TAK/NIE

TAK/TAK

NIE/TAK

Animacja

NIE

TAK

NIE

Kompresja

NIE

(z małym wyjątkiem)

TAK

(bezstratna, LZW)

TAK

(bezstratna, LZ77)

TAK

(stratna)

Rozmiar pliku

BARDZO DUŻY

ŚREDNI

MAŁY

BARDZO MAŁY

Zastosowanie

Zdjęcia do dalszej

obróbki

Ozdobniki graficzne,

przyciski, bannery

Ozdobniki graficzne,

przyciski

Zdjęcia do prezentacji

w Internecie

Grafika komputerowa

– wykład 11

Optymalne formaty grafiki rastrowej dla publikacji na

stronach www

Obiekt graficzny Cechy charakterystyczne

Optymalny format

Banery reklamowe Animacje z napisami, niewielką liczbą

kolorów

GIF 32 kolory

Przyciski,

odnośniki

Napisy, różna liczba kolorów

W zależności od cech:
GIF, JPG 40% jakości

Animacje

Średnia liczba kolorów, mała

rozdzielczość

GIF

Galerie

internetowe

Duża liczba kolorów, łagodne przejścia

tonalne, wysokie rozdzielczości

JPG 40% - 50%

Miniatury
(thumbnails)

Duża liczba kolorów, niskie

rozdzielczości
funkcja podglądu

GIF, JPG 30% jakości

Tła

Mała liczba kolorów

GIF

Tła

Duża liczba kolorów, mała jakość

JPG 20% - 40%

Grafika komputerowa

– wykład 11

Budowa pliku rastrowego na przykładzie

formatu BMP

Nagłówek pliku BMP (BITMAPFILEHEADER) zajmuje 14
bajtów:

— bfType/usType - pole identyfikacji rodzaju pliku ( „BM”),
— bfSize/cbSize - liczba określająca długość pliku (w
bajtach),
— bfReserved1/xHotspot oraz bfReserved2/yHotspot –
każdorazowo po cztery bajty zarezerwowane i nie używane
w bitmapach (wartość 0),
— bfOBits/oBits - liczba określająca położenie obszaru
danych względem początku pliku.

Grafika komputerowa

– wykład 11

Budowa pliku BMP

Struktura BITMAPCOREHEADER (w starym formacie BMP,
bezpośrednio po nagłówku, zawiera informacje o obrazie
zapisanym w pliku):

— bcSize/cbFix - liczba zawierająca wielkość struktury
(definicja wersji; w starej wersji wartość ta wynosi 12),
— bcWidth/cx - liczba określająca szerokość obrazu (w
pikselach),
— bcHeight/cy - wysokość obrazu (w pikselach),
— bcPlanes/cPlanes - liczba określająca ilość płatów
urządzenia docelowego, wartość 1,
— bcBitCount/cBitCount - liczba bitów na piksel obrazu,
dopuszczalne wartości to: 1, 4, 8 i 24.

Grafika komputerowa

– wykład 11

Budowa pliku BMP

Struktura BITMAPINFOHEADER (w nowym formacie BMP,
bezpośrednio po nagłówku, tylko dla Windows):

— bcSize - liczba zawierająca wielkość struktury (numer
wersji);
w „nowym” formacie BMP dla Windows wynosi 40,
— bcWidth - liczba określająca szerokość obrazu (w
pikselach),
— bcHeight - wysokość obrazu (w pikselach),
— bcPlanes - ilość płatów urządzenia docelowego (wartość
1),
— bcBitCount - ilość bitów na piksel obrazu (1, 4, 8, 16, 24
lub 32),
— biCompression – sposób kompresji obrazu:
0 - brak kompresji,
1 - kompresja RLE8 (ang. Run Length Encoding 8-Bits),
2 - kompresja RLE4 (ang. Run Length Encoding 4-Bits),
3 - brak kompresji,
4 - obraz jest w formacie JPEG,
5 - obraz jest w formacie PNG;

Grafika komputerowa

– wykład 11

Budowa pliku BMP

Struktura BITMAPINFOHEADER (c.d.):

— biSizeImage - liczba określająca wielkość obszaru danych
obrazu (w bajtach),
— biXPelsPerMeter – rozdzielczość pozioma obrazu (w
punktach na metr),
— biYPelsPerMeter – rozdzielczość pionowa (w punktach na
metr),
— biClrUsed - liczba określająca, ile kolorów z mapy kolorów
jest wykorzystywanych w obrazie (0, gdy wykorzystywana jest
cała mapa kolorów),
— biClrImportant - liczba określająca, ile kolorów wystarcza,
aby możliwie poprawnie wyświetlić obraz zawarty w pliku.

Grafika komputerowa

– wykład 11

Budowa pliku BMP

Mapa kolorów
„Stary format”:
Mapa kolorów składa się z trzybajtowych struktur nazywanych
w Windows RGBTRIPLE (trójka RGB). Struktury te
zawierają definicje składowych barw w układzie BGR
(niebieski, zielony i czerwony).
Mapa ta nie występuje w obrazach o głębokości bitowej
koloru24.
„Nowy” format:
Każda pozycja mapy kolorów opisywana jest czterobajtowymi
strukturami nazywanymi w Windows RGBQUAD. Struktury te
zawierają
definicje składowych barw w układzie BGRA (niebieski, zielony,
czerwony oraz nieużywany atrybut).
Jeżeli pole biClrUsed struktury BITMAPINFOHEADER jest
większe od zera, to jego wartość wyznacza ilość definicji
kolorów zawartych
w mapie kolorów. W przeciwnym wypadku o wielkości mapy
kolor decyduje ilość bitów na piksel. Mapa kolorów nie
występuje w obrazach o głębokości bitowej barwy 16, 24 i 32.

Grafika komputerowa

– wykład 11

Budowa pliku BMP

Dane obrazu
W pliku BMP po palecie kolorów następuje obszar danych
poszczególnych pikseli obrazu. Piksele są zapisywane
wierszami od najniższego do najwyższego i w kolejności od
lewej do prawej, zatem lewy dolny róg obrazu jest zapisany na
początku obszaru danych, a prawy górny - na końcu.

Kolejne wersje plików BMP (4 oraz 5) zawierają odpowiednio
struktury
BITMAPV4HEADER oraz BITMAPV5HEADER, które pojawiają się
bezpośrednio po nagłówku pliku (BITMAPFILEHEADER). Dają
one nie tylko możliwość zastosowania korekcji gamma dla
poszczególnych kanałów koloru, ale także zapisu barwy w
niezależnym sprzętowo systemie CIE XYZ.

Grafika komputerowa

– wykład 11

Document Outline