• standardy, jak ukládat grafické a související informace do souboru nebo je přenášet v datovém toku, organizovat a znovu obnovovat grafická data efektivně a logicky
  • standardní struktura:
    • hlavička – informace nutné k interpretaci grafických dat definující informace nutné k interpretaci grafických dat definující: verzi grafického formátu, způsob uložení grafických dat, počet bitů, grafický mód nebo paletu barev, velikost obrazu, pozici obrazu, informace o kompresní metodě, datum
  • zakódovaná grafická data – bitmapová, vektorová, resp. obojí
    • číselné hodnoty příslušející jednotlivým pixelům obrazu, vyjadřující barvu každého pixelu, případně i jeho další vlastnosti
    • číselné hodnoty popisující elementární prvky obrazu – primitiva (body, přímky, křivky, n-úhelníky, text aj.), výplně a objekty složené
  • pata – např. barevná paletka (při nepřímém vyjádření barvy)

Druhy grafických formátů

  • podle způsobu uložení (zakódování) grafických dat
    • bitmapové (rastrové) – např. BMP (Bit Mapped Picture)
    • vektorové – např. SVG (Scalable Vector Graphics)
    • metaformáty – např. EMF (Enhacne MetaFile Windows)
  • podle vnitřní komprese
    • nekomprimované (s případnou vnější kompresí uživatelem)
    • komprimované (s vnitřní kompresí)
  • podle zachování informace (vztahu ke komprimovaným datům)
    • bezztrátové (reverzibilní komprese, lossless algorithm) – např. LZW (Lempel-Ziv-Welch)
    • ztrátové (ireverzibilní komprese, lossy algorithm) – např. Waveletová komprese (JPEG2000)
  • podle doby komprese (rychlosti zpracování)
    • použité symetrické, nebo asymetrické komprimační algoritmy
    • použité jednoprůchodové, nebo víceprůchodové algoritmy
  • podle velikosti výsledného souboru – určuje ji formát, metoda komprese, rozlišení a barevná hloubka
  • podle kvality zobrazení – určuje ji barevná hloubka, rozlišení, zvládání přechodů jasů a barev (gradienty, posterizace, banding – proužkování)
  • podle přenositelnosti mezi programy
    • pro využití v řadě programů v různých OS (TIF, AI, PDF)
    • pro využití obvykle jen v daném prostředí, např. ve Windows
    • pro využití jen v daném programu (např. CPT Corel PhotoPaint)
    • obecná možnost (nutnost) konverze formátu
    • význam metaformátů pro přenos a výměnu dat (metafile)

Komprese dat

  • komprese (komprimace) dat
    • proces převodu jedné reprezentace dat na druhou, která se vyznačuje nižším objemem dat
    • proces kódování dat, při kterém dochází k reverzibilnímu, nebo ireverzibilnímu odstraňování redundantních (nadbytečných) informací s cílem umožnit efektivnější reprezentaci původních dat
    • výsledkem komprese jsou komprimovaná data
  • dekomprese (dekomprimace) dat = opačný postup komprese dat, při němž jsou komprimovaná data dekomprimována
  • smysl komprese = zrychlení přenosu dat, snížení nároků na hardware, efektivnější načítání a ukládání dat
  • kompresní (komprimační) poměr (p) = poměr velikosti souboru před kompresí a velikosti souboru po kompresi v bajtech
    • vyjadřuje účinnost kompresního algoritmu
    • kompresní poměr nabývá hodnoty nejčastěji v intervalu <2-10> = 2 : 1 až 10 : 1, ale může dosáhnout až hodnoty 100 = 100 : 1, někdy i vyšší
    • kompresní poměr může být v daném algoritmu pevný, nebo může být volitelný (např. JPEG)
  • kompresní (komprimační) faktor (f) = převrácená hodnota kompresního poměru – udává, kolikrát je soubor po kompresi menší, např. 2×, 5,5×, 100×

Druhy kompresních algoritmů

  • podle vztahu ke komprimovaným datům
    • bezztrátové komprimační algoritmy (lossless algorithm)
      • umožňují úplnou rekonstrukci výchozího signálu zkomprimovaný soubor lze úplně obnovit =reverzibilní komprese
      • nedochází ke ztrátě informací – nižší kompresní poměr: do 10 :1
      • např.: RLE (Run-Length Encoding) komprese, Huffmanovo kódování, LZW (Lempel-Ziv-Welch) komprese aj.
    • ztrátové komprimační algoritmy (lossy algorithm)
      • umožňují pouze částečnou rekonstrukci výchozího signálu, algoritmus redukuje trvale určité informace – soubor po dekompresi již není stejný jako původní = ireverzibilní komprese
      • změny v obraze jsou obvykle nepozorovatelné
      • vyšší kompresní poměr: nad 10 :1
      • např.: JPEG (Joint Photographic Experts Group) komprese, JPEG 2000 komprese, wavelet komprese, fraktální komprese aj.
    • podle doby komprese a dekomprese
      • symetrické komprimační algoritmy
        • doba komprese i dekomprese je u nich (přibližně) stejná
        • např.: proudová komprese RLE, JPEG komprese
      • asymetrické komprimační algoritmy
        • doba komprese a dekomprese se liší – doba dekomprese je kratší
        • např.: fraktální komprese
      • podle počtu průchodů souboru
        • jednoprůchodové komprimační algoritmy
          • zpracuje vstupní soubor v jednom průchodu
          • nižší kompresní poměr
        • víceprůchodové komprimační algoritmy
          • pracuje postupně s opakovaným průchodem vstupního souboru
          • vyšší kompresní poměr
  • podle celkové charakteristiky lze za hlavní skupiny algoritmů používaných v počítačové grafice považovat:
    • sekvenční metody (potlačení či redukce sekvencí nul nebo znaků) – např.: proudová komprese RLE a její modifikace
    • statistické metody (délka kódu dle pravděpodobnosti výskytu) – např.: Huffmanovo kódování, aritmetické kódování aj.
    • slovníkové metody (užívání kódů z vytvářeného slovníku) – např.: LZ 77, LZ 78, LZW 84 aj.
    • transformační metody (geometrická nebo barevná transformace) – např.: JPEG, wavelet komprese, fraktálová komprese)

Sekvenční metody komprese

  • metoda potlačení nul = redukce sekvencí nul užitím identifikátoru komprese Ik a počtu nul
    • metoda bezztrátová, symetrická, jednoprůchodová
    • vstupní data: k a h – – – – m f f f g g g u u u d d – – – – – – –
    • výstupní data: k a h Ik4 m f f f g g g u u u d d Ik7
  • metoda proudového kódování RLE (Run Length Encoding) = redukce sekvencí znaků
    • proudová komprese – komprese datového proudu
    • metoda bezztrátová, symetrická, jednoprůchodová
    • princip: předpokládá výskyt opakujících se hodnot sousedních znaků (pixelů), např. více pixelů stejné barvy
      • vyhledávání opakujících se hodnot znaků (sekvencí znaků) a jejich nahrazování úsporněji užitím zástupných znaků
      • řetězce min. 3 opakujících se hodnot pixelů se zakódují jednou hodnotou za identifikátorem komprese Ik a údajem o délce řetězce
      • např. 218 218 218 218 218 = Ik 218 5 Ik
    • proudová komprese RLE (Run Length Encoding)
      • vstupní data, např.: 172 126 126 126 126 126 126 126 126 195 195 21 21 21 21
      • základní algoritmus určí počet výskytů > 2, vloží identifikátor komprese (např. Ik = 256 – v datech se nevyskytuje) a za něj danou hodnotu, počet jejich výskytů a nakonec opět identifikátor
      • výstupní data: 172 256 126 8 256 195 195 256 21 4 256 …
      • kompresní poměr: nízký (obvykle do 2,5 : 1), avšak účinnost komprese je silně závislá na charakteru vstupních dat a může být i vyšší, jsou-li zastoupeny v obraze delší sekvence stejných znaků
      • uplatnění: PCX, BMP, TGA – pouze pro data 1 – 8 bitů na pixel

Statistické metody komprese

  • Huffmanovo statické kódování CCITT (1952 David Huffman) – Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique
    • metoda bezztrátová, asymetrická, víceprůchodová =2
  • princip: použití různě dlouhých kódů pro znaky s různou frekvencí výskytu ve vstupním souboru = délka kódu podle pravděpodobnosti výskytu
    • analýza frekvence (pravděpodobnosti) výskytu znaků a produkce prefixového kódu různé délky
    • znaky, které se vyskytují nejčastěji, jsou konvertovány do bitových řetězců s nejkratší délkou a znaky, které se vyskytují velmi zřídka, jsou konvertovány do delších řetězců
    • nejfrekventovanější znak je konvertován do 1 bitu, nejméně časté znaky ≥8 bitů (obdobnou myšlenku má Morseův kód)
    • často používané symboly s nejkratšími kódy mají obecnou pravděpodobnost výskytu v textu přímo z tabulek CCITT
  • postup:
    • v prvé fázi vytvoří algoritmus statistiku četností (pravděpodobnosti) každého znaku v textu
    • ve druhé fázi se využije této statistiky pro vytvoření binárního stromu (tzv. Huffmanův strom) stavěného odzdola
    • hrany (větve) stromu nesou hodnotu 0 nebo 1 a v listech jsou jednotlivé znaky vstupní abecedy
    • algoritmus vezme první dva znaky s nejnižší pravděpodobností výskytu = první dva listy (též dva bratři)
    • dva první listy (bratry) spojí hranami a jejich uzel (otec) bude mít pravděpodobnost rovnající se součtu hodnot listů (synů)
    • tento postup se rekurzivně opakuje, dokud nezbude jediný prvek, který je kořenem Huffmanova stromu s pravděpodobností 1
  • vstupní data, např.: 172 126 126 126 126 126 126 126 126 195 195 21 21 21 21
    • algoritmus seřadí znaky podle pravděpodobnosti výskytu (∑ pi = 1)
    • začíná znaky s nejnižší pravděpodobností (první dva listy – bratři)
    • uzlu nad nimi (otci) přísluší součet jejich pravděpodobností
    • výstupní data: 111 0 0 0 0 0 0 0 0 110 110 10 10 10 + Huffmanův strom
    • dekomprese čte data odshora: 111=172, 0=126, 0=126, 0=126 atd.

82

 

Huffmanovo statické kódování

  • Huffmanovo adaptivní kódování FGK (Faller 1973, Gallager 1978, Knuth 1984)
    • metoda bezztrátová, symetrická, jednoprůchodová
    • princip – obdobný jako u standardního Huffmanova kódování
      • rozdíl je v symetrii a jednoprůchodovosti
      • algoritmus staví strom z jednoho uzlu (ZERO), nebo navrhne strom se všemi znaky a následně znaky kóduje
      • po každém zakódovaném znaku vzniká nová statistika a hodnotí se, zda nedošlo k porušení sourozenecké vlastnosti
      • jestliže ano – vzniká (opakovaně) přehodnocený strom
      • může být využit efektivně též pro kódování kódů pixelů
    • kompresní poměr: různé verze až 15 : 1 (FGK obecně lepší)
    • uplatnění: Huffmamovo kódování původně pro čb text (telefax), nyní je v různých variantách součástí TIFF, JPEG, MPEG, MP3; v kombinaci s LZ77 je užíváno kompresí ZIP, PKZIP a ARJ
  • aritmetické kódování (1990)
    • metoda bezztrátová, mírně asymetrická, víceprůchodová = 2
    • princip – kóduje celou textovou zprávu jako jedno kódové slovo
      • algoritmus nejprve vyhodnotí statistické zastoupení jednotlivých znaků v textu a stanovípravděpodobnost výskytu
      • interval <0,1> rozdělí v poměru pravděpodobností všech jednotlivých znaků a vzniklým podintervalům přiřadí znaky
      • následuje vlastní komprimace načtením prvého znaku (jeho podintervalu)
      • po načtení dalšího znaku je podinterval prvého znaku dále rozdělen podle statistického zastoupení načteného znaku atd.
      • takto postupuje až do konce souboru
      • konečné číslo se zapíše
    • vstupní data, např.: ACABACAC
      • (∑ pi = 1)
      • kóduje sekvenci vstupních dat ACAB

Slovníkové metody komprese

  • LZ77 (Lempel-Ziv) metoda, též LZ77 (1977)
    • metodu navrhli 1977 Abraham Lempel a Jacob Ziv
    • první z řady příbuzných LZ komprimačních metod
    • metoda bezztrátová, asymetrická, jednoprůchodová
    • princip: vyhledání dříve se vyskytujících sekvencí posuvným oknem
      • algoritmus se snaží nalézt ve vstupních datech opakující se sekvence symbolů a ty zakódovat odkazem na předchozí data
      • odkaz = údaj o pozici opakující se sekvence v předchozích datech
      • algoritmus pracuje se dvěma částmi souboru zároveň
      • první je již komprimované aktuální okno velikosti 8 192 bitů a druhé posuvné (sliding) 10 až 20 bitů, jímž pátrá v nezakódovaných datech po co nejdelším řetězci již obsaženém v aktuálním okně, na který se následně v aktuálním okně vytvoří odkaz
    • postup:
      • algoritmus analyzuje, zda se posloupnost znaků určité délky již nevyskytovala v předchozích vstupních datech
      • pokud ano, je na ní umístěn odkaz do aktuálního okna
      • nalezená posloupnost je tak zakódována pomocí trojice (i,j,X), kde i je vzdálenost řetězce od hranice mezi nezakódovanou a zakódovanou částí, j je délka nalezeného řetězce a X je první znak za řetězcem v nezakódované části (konec)
    • kompresní poměr: do 10 : 1
    • uplatnění: součástí komprimačních algoritmů formátů GIF, PNG a v kombinaci Huffmanovým kódováním je základem komprimačních programů ZIP a PKZIP
  • LZ78 (Lempel-Ziv) metoda (1978 Abraham Lempel a Jacob Ziv)
    • metoda bezztrátová, symetrická, jednoprůchodová
    • princip: vyhledávání opakujících se posloupností znaků (frází), ukládání těchto frází do dynamicky vytvářeného slovníku pro další použití a přiřazení kódu (indexu) těmto frázím
      • algoritmus ukládá nalezené posloupnosti znaků (fráze) do slovníku
      • fráze, která není ve slovníku, se zapíše celá, ale pokud se uložená fráze v textu objeví znova je na rozdíl od LZ77 (pozice, délka) zde zapsán jen index fráze ve slovníku a následující písmeno
      • výstupem komprimace je tedy soubor dvojic (i,a) – i je index do slovníku a a je znak následující bezprostředně za nalezenou frází
      • do slovníku je pak vložena stará fráze rozšířená o nové písmeno; slovník je tak při kompresineustále doplňován a rozšiřován
      • základní velikost slovníku je 512 položek (9b) a maximální velikost nejčastěji 4096 (12b). nestačí-li to, slovník se tvoří znova.
    • vstupní data, např.: AABABBBABAABABBBABBABB
      • blok A se kóduje jako (0,A)
      • blok AB se kóduje jako (1,B), kde 1 je odkaz na A
      • blok ABB se kóduje jako (2,B), kde 2 je odkaz na AB, atd.
      • A|AB|ABB|B|ABA|ABAB|BB|ABBA|BB
      • výstupní data = soubor dvojic (i,a) = odkaz a následující písmeno 0A1B2B0B2A5B4B3A70
    • LZW (Lempel-Ziv-Welch) metoda (1984)
      • 1977 navrhli LZ Abraham Lempel a Jacob Ziv, 1984 upravil Terry Welsch
      • metoda bezztrátová, symetrická, jednoprůchodová
      • základní princip obdobný jako LZ78 – algoritmus používá též dynamicky vytvářený slovník
      • ze vstupního souboru jsou načítány znaky, z nichž je složen řetězec, jehož předponu (prefix) tvoří fráze již uložená ve slovníku
      • řetězec je vždy o jeden znak delší než fráze = je tvořen frází + nově načteným znakem – nový řetězec se stává novou frází a je zapsán pouze indexem do slovníku
      • s rostoucí délkou frází jsou tak nahrazovány kódem stále delší řetězce a algoritmus dosahuje vyššího kompresního poměru
      • prvních 256 položek slovníku (tj. základní slovník) je vyhrazeno pro zobrazení samostatných znaků z abecedy s hodnotami 0 až 255
      • čísla nad 255 se pak přidělují jednotlivým nalezeným řetězcům
      • vstupní data, např.: A B C A B C A B C D A B C
        • výstupní data: 65 66 67 256 258 257 68 259
          •             A   B  C   AB    CA  BC   D ABC
  • kompresní poměr: do 10 : 1
  • uplatnění: součástí algoritmů formátů TIFF, GIF, PNG, PS, PDF

Transformační metody komprese

  • JPEG (Joint Photographic Experts Group) komprese (1988)sekvenční JPEG komprese
    • metoda ztrátová, symetrická, jednoprůchodová
    • princip
      • pracuje s geometrickou a barevnou transformací obrazu
      • založena na faktu, že na malé změny barvy je lidské oko méně citlivé než na malé změny jasu a že malých rozdílů mezi původním a rekonstruovaným obrazem si nevšimne
      • nevýznamné změny barev jsou odstraňovány, změny jasu jsou uchovávány
      • zpracování probíhá po jednotlivých řádcích tvořených submaticemi 8×8 pixelů
      • komprese je hybridní = kombinuje několik různých postupů pro zvýšení komprimačního poměru
  1. separace rastrového souboru na složky R, G, B – komprese se provádí po jednotlivých RGB kanálech
  2. rozdělení obrazů barevných složek na submatice 8×8 pixelů
  3. transformace barev – převod dat z modelu RGB do modelu YCBCR s oddělenou jasovou složkou a dvěma chrominančními
    • Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B
    • rozdílové barvové signály CB = 0,5643(B – Y) CR = 0,7133(R – Y)
    • transformace se prování pro možnost snížit počet barevných odstínů a zachovat přitom jas
  4. redukce barev = snížení počtu barevných odstínů průměrováním submatic = snížení množství informací
  5. diskrétní kosinová transformace DCT (Fourierova transformace), převod prostorových souřadnic pixelů do frekvencí s cílem oddělení informací s nízkými frekvencemi (pomalých změn jasu nebo barev) od vysokých (náhlých změn); v každém bloku se DCT provádí třikrát, pro jasovou složku a pro dvě barevné složky; dochází k transformaci původních hodnot f(x,y) do F(u,v) = koeficientů DCT
  6. kvantizace (váhování) – podkvantování DCT koeficientů = přepočítání koeficientů na hodnotě Q 75 s možností měnit tuto hodnotu v rozsahu 1 (nejvyšší komprese) až 100 (nejvyšší kvalita); přitom dochází k vynulování řady koeficientů vyšších frekvencí
  7. kódování tabulky kvantizačních koeficientů = uspořádání koeficientů do posloupností
  8. komprese prvků posloupností Huffmanovým kódováním
  • dělení rastru na submatice (8×8) negativně ovlivňuje kvalitu obrazu, při vyšším kompresním poměru jsou patrné artefakty submatic, tj. mřížky, skvrny a plochy pixelů stejných barevných odstínů
  • např. při vysokém kompresním poměru dochází k velké ztrátě dat
  • vedle základní sekvenční JPEG komprese se užívá též progresivní JPEG komprese
  • progresivní JPEG komprese se neprovádí po řádcích jako v případě sekvenční komprese, ale obrázek komprimuje po vrstvách
  • při dekompresi se nejprve zobrazují vrstvy s nižší kvalitou obrazu, která se postupně zlepšuje – využití v prostředí WWW
  • kompresní poměr: obě metody do 30 : 1 (může být i vyšší)

 

  • uplatnění: kompresní algoritmus JPEG ve formátech JFIF (JPG)
    • vhodný pro plynulé barevné přechody (barevné fotografie)
    • nevhodný pro souvislé plochy stejného barevného odstínu
    • zcela nevhodný pro technické výkresy či text, kde jsou ostré barevné přechody (rozostření spojené se ztrátou hran)
  • waveletová komprese (1989)
    • metoda ztrátová, symetrická, víceprůchodová
    • princip
      • komprese založená na vlnkové (wavelet) transformaci
      • obdobou DCT je zde DWT (Diskrétní Waveletová Transformace) v celé ploše najednou, nikoliv po 8×8 pixelech; nevznikají tak rušivé mřížky a skvrny na styku bloků
      • umožňuje zpracovávat obrázky větší než 64000 x 64000 pixelů a užívat i jiné módy než RGB (omezení současného JPEG)
      • vhodný též pro texty, výkresy, linie a počítačovou grafiku
      • progresivní transmise (možnost rychlého zobrazení náhledu)
    • kompresní poměr: do 50 : 1 (může být i vyšší)
    • uplatnění: komprese využívána ve formátu JPEG2000 (.J2K) nebo MPEG
  • fraktály – soběpodobné útvary v přírodě (částečně) či generované, jejichž části jsou zmenšeninami sebe – útvary nekonečně dělitelné

83

 

Fraktály

  • fraktálová komprese (1987)
    • metoda ztrátová, silně asymetrická, víceprůchodová
    • princip
      • fraktálová komprese je založena na soběpodobnosti různě velkých, různě umístěných i překrývajících se bloků obrazu
      • obraz rozdělen na submatice 4×4, 8×8, 16×16, 32×32 řadových bloků s předpokladem, že budou mít často podobné vzory
      • dále stanoveny 8×8, 16×16, 32×32, 64×64 doménové bloky
      • při kompresi je ke každému řadovému bloku dohledáván nejvíce podobný doménový blok (včetně jeho otáčení a překlápění)
      • algoritmus se tak snaží v obraze vyhledávat pro různé vzory, které se v něm různě transformovány opakují, určité modely
      • snahou je poskládat obraz z co nejméně definovaných vzorů
    • kompresní poměr: až do 300 : 1 (může být i mnohem vyšší)
    • uplatnění: komprese využívána ve formátu FIF (Fractal Image Format) a na algoritmu je založen i kodek pro QuickTime

Bitmapové grafické formáty

  • rastrové (bitmapové) grafické formáty jsou určeny pro ukládání bitmapových dat popisujících obraz jako bitovou mapu
  • rastrové (bitmapové) např.
    • TIF – TIFF (Taged Image File Format)
    • BMP (Bit Mapped Picture)
    • PCX (PC-PaintBrush)
    • GIF (Graphics Interchange Format)
    • PNG (Portable Network Graphics)
    • JFIF (JPEG File Interchange Format)
    • JPG – JPEG (Joint Photografic Experts group)
  • TIFF – TIF (Taged Image File Format) – Aldus Corporation
    • existuje několik podformátů (možné potíže v daném editoru)
    • bývá nekomprimovaný, ale může být i neztrátově komprimovaný LZW kompresí nebo dalšími druhy kompresí s poměrem 2 : 1 u fotografií a až 20 : 1 u čb dokumentů, popř. též ztrátově JPG kompresí
    • formát pracuje v barevné hloubce do 24 b – export též do 32 b CMYK
    • čtyři základní třídy (TIFF-Classes) určují barevnost obrázku: 1. černobílý, 2. odstíny šedé, 3. barevný z palety, 4. barevný ze složek RGB
    • může sestávat z několika obrazových stránek v různém rozlišení a nové verze podporují i zobrazování částí velkých obrazů
    • hlavní oblast aplikace – původně pro čb grafiku v typografii, DTP (DeskTop Publishing) grafika pro tisk, meziplatformní formát, výstupy z digitálních foto a scannerů
    • soubor obsahuje hlavičku, informační blok (popř. paletku) a vlastní obrazové údaje
      • hlavička H (Header) velikosti 8 bytů obsahuje údaje o verzi a kompatibilitě k HW
      • blok řídících dat IFD (Image File Directory) nese informace o způsobu interpretace dat = položky po 12 b = tagy (visačky) s identifikací datového typu, počtu dat a adresy počátku
      • obrazové údaje I (Image Data) jsou uložené ve formě bloků, starší verze pásy – strips <64 kB, novější dlaždice – tiles, které umožňují programu zpracovat jen část velkého obrazu
    • BMP (Windows Bit Mapped Picture) – Microsoft – IBM (OS2)
      • typicky nekomprimovaný, systém barev RGB (24b barevná hloubka)
      • možnost bezztrátové komprese RLE (Run-Length Encoding), a to pouze při 256 barvách (s barevnou paletkou)
      • obsahuje podformát DIB (Device-Independent Bitmap) umožňující Windows obrázek zobrazit na různých zobrazovacích zařízeních – předchůdce formátu BMP
      • hlavní oblast aplikace – nativní formát Windows
      • tradovaná „nevýhoda“ velké soubory a „nekorektnost“
  • soubor obsahuje hlavičku, informační blok, tabulku barev a pole bytů
    • hlavička souboru obsahuje informace o typu, velikosti a úpravě souboru
    • informační blok specifikuje rozměry, typ komprimace a barevný formát
    • tabulka barev obsahuje tolik 24 bitových položek, kolik je barev v bitmapě; barvy v tabulce by se měly objevit v pořadí jejich důležitosti
    • pole bytů, resp. „scan řádek“ tvořený z po sobě jdoucích bytů
  • PCX (PC-PaintBrush) – ZSoft
    • jeden z prvních standardních formátů bitmapové grafiky orientovaný především na IBM PC
    • je znám hlavně vzhledem k využití v program PaintBrush ve Windows – vyvinut však byl pro DOS
    • původně určen pro 4b barevnou hloubku (16 barev)
    • existuje 5 verzí, od 3. verze obsahuje paletu, 4 druhy RLE komprese a možnost práce s 256 barvami, nebo ve Truecolor
    • začíná úvodním blokem 128 bytu se základními informace o obrázku
    • za úvodním blokem následuje blok vlastní grafické informace v komprimovaném tvaru metodou RLC (varianta RLE)
  • TGA (TarGA) – TrueVision
    • jeden z prvních grafických formátů se systémem barev RGB; podporuje ukládání dat ve stupních šedi, nepřímé vyjádření barvy (paletka) i přímé vyjádření v modelu RGB
    • nekomprimovaný formát, nebo s RLE kompresí kombinovanou s Huffmanovým kódováním
  • IMG (Image) – firma Alias Research
    • jeden z prvních grafických formátů se systém barev RGB (24b barevná hloubka) a bezztrátovou kompresí typu RLE (Run-Length Encoding)
    • formát, který dokáže zpracovat většina grafických, textových či DTP programů
  • GIF (Graphics Interchange Format) – Compuserve 1989
    • komprimovaný bezztrátovou kompresí LZW
    • ukládá obrázky s max. velikostí 16384 na 16384 pixelů a s maximálně 256 barvami uloženými v adaptivní paletě
    • verze GIF 87a, GIF 89a – obě verze jako prokládané a neprokládané
    • možnost definovat jednu barvu jako průhlednou
    • možnost animace – pořadí a čas zobrazování fází – GIF editory
    • soubor může být zapisován a čten průběžně sériově (pro pomalý přenos)
    • hlavní oblast aplikace – grafika, WWW, animovaný GIF
  • PNG (Portable Network Graphics) – W3C Consortium – 1996
    • bezztrátová komprese LZW
    • podporuje barevnou hloubku až RGB 48b ve verzi prokládané a neprokládané
    • podporuje RGBA – alfakanál – umožňujícího 254 úrovní transparence
    • chybí podpora animací
    • nese metadata o gama-korekci pro správný jas a kontrast nezávisle
    • hlavní oblast aplikace – předpokládaný nástupce formátu GIF pro použití na WWW – 2003 se stává mezinárodní normou
  • JFIF (JPEG File Interchange Format) – JPEG (Joint Photographic Experts Group)
    • formát vyvíjen od 1982, navržen 1989 a specifikován 1992
    • JFIF je formát pro obrázky komprimované pomocí standardu JPEG
    • JPEG, JPG, JIF, JFIF nebo JPE jsou přípony pro ukládání souborů ve formátu JFIF
    • umožňuje zpracovávat obrazy do velikosti 64000 x 64000 pixelů
    • formát pracuje v barevné hloubce RGB 24 b – export též do 32 b CMYK
    • nastavitelný kompresní poměr – data, resp. detaily, které nelze vnímat, prostě zahazuje, redukuje počet barev, barvy průměruje …
    • ztrátová komprese dosahuje běžně komprimačního poměru až 30 : 1 (může být 50 : 1 i vyšší), přičemž při nižších kompresních poměrech je zkreslení obrazu prakticky neznatelné
    • nevhodný pro grafiku s velkými plochami jedné barvy, čb. obrazy, liniovou grafiku a texty
    • vnější komprese prakticky nemá smysl
    • hlavní oblast aplikace – výstup digitální fotografie, archivace, WWW
  • JPEG 2000 (.J2K) definován 1995, aplikován od 2000
    • definován pro překonání nedostatků JPEG komprese
    • může být nekomprimovaný, nebo komprimovaný účinnější, rychlejší a kvalitnější ztrátovou waveletovou kompresí s kompresním poměrem běžně až 50 : 1 (může být i 100 : 1)
    • vhodný pro
      • rozdílné typy statických obrazů, a to včetně práce s ostrými barevnými přechody (texty, výkresy, linie)
      • počítačově generovanou grafiku
      • komprimaci kombinovaných (compound) dokumentů obsahujících texty i grafiku
      • rozdílné účely – přenos obrazů i archivace
    • PhotoCD – Kodak
      • pro ukládání digitalizovaných fotografií ve vysokém rozlišení
      • formát poprvé nabídl škálovatelnost (způsob, jak obraz zobrazit v náhledu, aniž by bylo nutno načítat všechna data)
      • předlohy mohou být v souboru uloženy v několika velikostech
    • FIF – (Fractal Image Format) – Iteration Systems – poměrně nový formát sloužící k ukládání grafických dat komprimovaných pomocí fraktálové komprimace → vysoké kompresní poměry
    • FPX (FlashPix® File Format) – Kodak, Hewlett-Packard
      • moderní formát řešící rozdílné požadavky zobrazení (ICC) využitelný pro zobrazování rozsáhlých předloh
      • užívá se jako nekomprimovaný nebo s různou metodou JPEG komprese
      • obraz je v tomto formátu uložen v různých rozlišeních; editace probíhá na obrazu s nízkým rozlišením, ale promítá se do všech úrovní rozlišení
      • škálovatelnost umožňuje, že zobrazovací rozhraní načte právě jen ta data, která odpovídají zobrazenému výřezu a danému stupni zvětšení
      • problémy s licenčními podmínkami Kodaku
    • PSD – formát programu Adobe PhotoShop
      • nekomprimovaný, nebo s RLE kompresí pro RGB či CMYK
    • CPT – formát programu Corel PhotoPaint – smíšeně komprimovaný pro RGB či CMYK
    • PSP – formát programu Jasc PaintShopPro – komprimovaný pro RGB či CMYK
    • XCF – nativní formát grafického editoru GIMP – komprimovaný formát pro RGB či CMYK
    • formáty programů jsou optimalizovány pro program, s nímž byly uvedeny; jsou tím nejlepším způsobem, jak uložit rozdělanou práci, ale finální produkt je třeba uložit jinak

Bitmapový protoformát

  • formát RAW (raw – surový, nezpracovaný)
    • datový soubor obsahující digitalizované hodnoty načtené z A/D převodníku digitálního fotoaparátu
    • souhrn surových dat ze snímacího prvku, který je třeba přepočítat a převést do některého z grafických formátů
    • vlastní digitalizovaný obraz vzniká až výpočtem (interpolací) z těchto dat – vzájemným porovnáním hodnot ze sousedních pixelů a jejich formalizováním
    • vzájemné poměřování může provádět sám digitální fotoaparát, nebo lze shrnout syrové výsledky měření do jednoho souboru typu RAW, poslat je na počítač a poměřování hodnot vykonat až tam
    • soubor RAW zachová maximum informace získané ze snímacího prvku a výkonnější počítač může provést náročnější výpočty, než výpočetní element v digitálním aparátu (zaručuje tak nejlepší dosažitelnou kvalitu)
    • hlavní oblast aplikace – jeden z výstupních formátů z digitálních fotoaparátů, pro další využití třeba některý rawový konvertor (jako modul v grafickém editoru či dílně nebo jako samostatná aplikace)
      • jednoduché převedou mechanicky data do příslušného grafického formátu jako ve fotoaparátu
      • lepší umožní k syrovým datům přiřazovat soubor parametrů, které ovlivňují vygenerování obrázku v obrazovém formátu, např. provádět korekce expozice nebo vyvážení bílé

Další standardy spojené s digitální fotografií

  • DCF 2.0 – Design rule for Camera File system (2010) – mezinárodní specifikace (standard), která definuje souborový systém pro digitální fotoaparáty, včetně adresářové struktury, metody pojmenování souborů, znakové sady, formátu souboru a formátu metadat
  • EXIF 2.2 – Exchangeable Image File Format (2002) – specifikace pro formát metadat, vkládaných do souborů formátu JPEG a TIFF digitálním fotoaparátem (datum, čas, nastavení, náhled, GPS, komentář aj.)
  • DPOF – Digital Print Order Format (Canon, Kodak, Fuji – 1998)
    • způsob komunikace mezi digitálním fotoaparátem a tiskárnou, umožňující tisk z paměťové karty bez použití počítače
    • fotoaparát je vybaven editorem DPOF k označení snímků před uložením na kartu a tiskárna musí formát DPOF podporovat

Bitmapové formáty videa

  • AVI Audio Video Interleave
    • původně rastrový formát s kompresí RLE pro ukládání videosekvencí zvuku a obrazu při animaci ve Windows
    • AVI bylo určeno pro videosekvence s obrazem 160 x 120 bodů ve 256 barvách a osmibitově vzorkovaný zvuk
    • dnes se pod označením AVI užívá AVI multimediální kontejner pro různé kompresní metody, převážně MPEG 4, resp. DivX
  • M-JPEG Motion-JPEG
    • starší metoda pro kompresi digitálních video dat, kde se komprimuje každý snímek (frame) zvlášť pomocí komprese JPEG s diskrétní kosinusovou transformací (DCT)
    • používá se vzorkovací kmitočet 13,5 MHz, datový tok 25 Mb/s
    • různé varianty jednotlivých výrobců digitálních kamer a rekordérů → častá nekompatibilita či nepřenositelnost
  • MPEG (Motion Picture Expert Group) – 1988 – organizace definující standardy komprese multimediálních dat (dle těchto norem se vytvářejí kodeky Codec – COding-DECoding, COmpression-DECompression – algoritmy softwarové, hardwarově akcelerované nebo i čistě hardwarové sloužící ke zmenšení objemu multimediálních dat a jejich přehrávání, např. Microsoft, DivX)
    • algoritmus komprese videa a audia MPEG využívá ztrátovou kompresi a dosahuje kompresního poměru 1:10 až 1:200
    • největší rozdíl oproti M-JPEG – jednotlivé snímky nejsou zpracovávány odděleně, ale jako celé sekvence, a to v přímé souvislosti s následujícími
    • výhody této technologie jsou ve výrazně efektivnější kompresi
    • nevýhodou MPEG je vyšší technická náročnost střihu (některé snímky nejsou úplné a musí se pří střihu dodatečně kompletovat)
    • různé používané kompresní algoritmy ve formátech MPEG
      • interlacing – od MPEG-2 možnost záznamu jen lichých řádků lichého snímku a opačně; při 50 fps je použito střídavě 25 snímků z lichých řádků a 25 ze sudých (při snížení dat o 50% se obrazová plocha zmenší o 50%)
      • diskrétní kosinová transformace (DCT) jako v JPEG (MPEG-1,-2)
      • waveletová transformace (DWT) jako v JPEG 2000 (MPEG-4)
      • Variable Lengthle Coding (VLC) pro následné komprimování, umožňuje např. komprimovat více okraje než střed
    • struktura IPB – MPEG standart popisuje sekvence I-, P-, a B- snímků jako sekvence či skupiny obrázků (Group of Pictures – GOP)
      • základní snímky I (Intra Picture) – snímek s úplnou informací
      • snímky typu P (Predicted Picture) – rozdílový snímek mezi běžným a předchozím I nebo P snímkem
      • snímky B (Bidirectional Picture) – rozdílový snímek mezi dvěma nejbližšími I nebo P snímky
      • každý snímek se komprimuje zvlášť metodou JPEG a poměry jejich dat jsou po kompresi I : P : B = 15 : 5 : 2
      • obraz se kóduje se v posloupnosti I B B P B B P B B P B B I (každý 12. snímek a každé 0,4 sec je tak jeden I snímek)
      • protože B snímky potřebují informace z předchozího a následujícího snímku nezapisují se v dané posloupnosti, ale IPBBPBB atd.
    • MPEG-1 1992 (poslední aktualizace 2007) podporuje rozlišení až 4095 × 4095 (12-bitů), 30 fps a 100 Mb/s, ale běžně pracuje s obrazem 352 × 228 nebo 320 × 240 bodů při 25 fps a datovým tokem do 1,5 Mb/s (1150 kb/s obraz, 224 kb/s stereozvuk) CD, VCD
      • : mimo I- P- B- snímků zde ještě D- snímky = speciální samostatné I- snímky s vysokou kompresí pro možnost rychlého prohlížení záznamu
    • MPEG-2 1994 (poslední aktualizace 2011) pracuje běžně s obrazem při rozlišení až 720 × 576 bodů při 25 celých snímcích, nebo 50 půlsnímcích za sekundu = datový tok 10 Mb/s – pro DVD, HDV, nebo s rozlišením až 1280 × 720 či 1920 × 1080 a datovým tokem až 15 Mb/s pro HDTV, resp. obecně pro DVB-T, DVB-C, DVB-S
    • MPEG-3 1996 – původně pro HDTV, vylepšení MPEG-2. Nyní je součástí MPEG-2 a neexistuje jako samostatný standard
    • MPEG-4 1999 (poslední aktualizace 2011) – silná komprese Wavelet, následná VLC a struktura IPB snímků vede k nejvyšší kompresi vhodné pro nízké datové toky – Internet, telekomunikace a DVB-H(Handhelds PDA) a perspektivně HDTV
    • DivX (.DIVX ) – nový standard vycházejíc z normy MPEG-4 s proměnným kompresním poměrem; společnost DivX odstupuje od normy MPEG-4, neboť již disponuje algoritmy lepšími než připouští tato norma – stále však kompatibilní s kodekem MPEG-4
    • Quick Time (.mov) – formát videa QuickTime Movie v multimediálním kontejneru MOV a přehrávač QuickTime Player vyvinutý pro Apple; od verze 6 používá kodek MPEG-4
    • Windows Media Video (.wmv) – obvykle zapouzdřeno do kontejneru ASF (Advanced Systems Format) od Microsoft
    • RealVideo (.rm) – formát vyvinutý RealNetworks párovaný obvykle s RealAudio a zapouzdřený v kontejneru RealMedia

Vektorové grafické formáty

  • vektorové grafické formáty jsou určeny pro ukládání vektorových dat popisujících matematicky jednotlivé objekty tvořící obraz
  • formáty vektorových editorů např.
    • AI (Adobe Illustrator)
    • CDR (CorelDraw)
    • ZMF (Zoner Callisto)
  • formáty produktů Macromedia např.
    • SWF (Flash Player) – 1996 Macromedia Flash 1.0
    • FLA (Flash Movie) – formát vektorových Flash animací
  • formáty produktů DTP např.
    • SCT, CT (Scitex) ve vyšších DTP systémech (QuarkXpress, PageMaker)
  • formáty produktů typu CAD/CAM firmy Autodesk např.
    • DWG (DragWinG) –formát programu AutoCAD
    • DXF (Data eXchange Format) – formát s popisem obrazu v popisném jazyku pro přenos dat programů CAD/CAM
    • DXB (Data eXchange Bitmap) – binární obdoba formátu DXF
    • SLD (Slide) formát programu AutoCAD – jednoduchý formát s popisem čárových vektorových dat
  • formáty výměnné např.
    • HPGL (Hewlett-Packard Graphics Language) – původně jazyk pro obsluhu plotrů, nyní výměnný vektorový standard mnoha kreslících a CAD programů
    • SVG (Scalable Vector Graphics) – nový otevřený výměnný formát
      • slouží pro zobrazování vektorových grafických objektů a popisuje dvojrozměrnou vektorovou grafiku pomocí značkovacího jazyka XML (Extensible Markup Language)
      • definuje tři základní typy grafických objektů, a to vektorové tvary, rastrové obrazy a textové objekty
      • na libovolný grafický element lze aplikovat velmi flexibilní bitmapové efekty (průhlednost, interaktivita, animace aj.); element je přitom stále v původní vektorové podobě a teprve při vykreslování v prohlížeči je aplikován vytvořený efekt

Metaformáty

  • pro přenos různých dat nebo v situaci, že ani vektorové, ani bitmapové formáty nedokážou efektivně vykreslit daný objekt, resp. s ním pracovat
  • metaformáty jsou orientovány především na vektorová data, ale podle potřeby pracují i s bitmapovými daty
  • metaformáty (metafile, hybridní) např.
    • WMF (Windows MetaFile)
    • EMF (Enhacne MetaFile Windows)
    • CGM (Computer Graphics MetaFile)
    • CMX (Corel Presentation Exchange)
    • FMV (Frame Vector Metafile)

Metaformáty pro Pre-Press

  • vektorově orientované univerzální formáty užívané pro přenos či výměnu grafických dat a Pre-Press (digitální předtiskovou přípravu)
  • výměnné formáty grafiky pro přenos kvalitní grafiky nezávisle na konkrétní platformě či výstupním zařízení
    • PS (PostScript)
    • EPS (Encapsulated PostScript)
    • PDF (Portable Document Format)
    • PDF/X (Portable Document Format Exchange)
    • TIFF/IT (Taged Image File Format for Image Technology)
  • PS – EPS (PostScript – Encapsulated PostScript) – Adobe
    • původně jako textový interpretovaný jazyk pro popis stránek
    • je univerzálním editovatelným popisným jazykem typu PDL (Page Description Language) pro komunikaci grafických aplikací a pro tisk na tiskárnách podporujících PostScript (s jednotkou RIPRaster Image Processor pro rasterizaci postscriprového kódu)
    • Level 1 (1985), nekomprimovaný, pro černobílé tiskárny
    • Level 2 (1990), podpora barevných systémů, komprimace bitmap
    • Level 3 (1997), přechod\ a stínování, kódy dalších písem vč. CZ
    • hlavní oblast aplikace – jako finální výstup po všech úpravách před vlastním vytištěním obrázku nebo jeho předáním k publikaci
    • soubor EPS má dvě části, v první je textový popis určený tiskárně (32b), druhou část tvoří bitmapový obrázek (TIF 8b) k zobrazení na monitoru
  • PDF (Portable Document Format) – Adobe 1993
    • pro přenos dat mezi počítači nezávisle na platformě, na aplikaci, na fontech, nezávisle na výstupu a zařízení (Device Independent)
    • s dokumentem „cestuje“ vše, co je potřebné pro jeho interpretaci
    • problém je přílišná volnost, s jakou mohou nyní uživatelé soubory v PDF vytvářet – následné zpracování může působit potíže
    • pro prohlížení nebo výtisk slouží aplikace Acrobat Reader, pro úpravy výstupů Acrobat Exchange, pro distilaci (generování dat z PS souboru do PDF) Adobe Acrobat Distiler – do tisku přes RIP
    • PDF/X (Exchange – 1999) norma nastavení tisku (např. soutisk) pro tzv. slepou výměnu mezi pre-pressovými pracovišti
    • PDF/A (2005) je bezpečná archivační verze PDF (zúžená definice)
    • hlavní oblast aplikace
      • příprava tisku (pre-press) pro maloformátové technologie „Computer To Paper“ a „Computer To Plate“
      • pro vystavování dokumentů na internetu
      • pro přenos dokumentů do tiskárny i jako interní formát mezi jednotlivými fázemi zpracování