Kinga DudzicAgata Wajda

Agnieszka Gurgul

Kompresja Stratna i Bezstratna

Przegląd Najważniejszych Formatów Graficznych

Idea KompresjiKompresja danychKompresja danych - polega na zmianie sposobu zapisu informacji w taki sposób, aby zmniejszyć redundancję czyli nadmiarowość w stosunku do tego, co konieczne, nie zmieniając przy tym przenoszonych informacji. Innymi słowy chodzi o wyrażenie tego samego zestawu informacji, lecz za pomocą mniejszej liczby bitów.

Zastosowanie kompresji

KompresjaKompresja znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie przetwarzane są spore ilości danych – między innymi w multimediach (dźwięk i obraz), przy przesyle danych (modemy), a także ich archiwizowaniu (np. składowanie danych geograficznych).

Rodzaje kompresjiWyróżnia się dwa typy kompresji: bezstratną - bezstratną - w której z postaci

skompresowanej można odzyskać identyczną postać pierwotną,

stratną - stratną - w której takie odzyskanie jest niemożliwe,

Kompresja bezstratna Kompresja bezstratnaKompresja bezstratna (lossless

compression) jest metodą przedstawiania danej informacji w postaci zawierającej mniejszą liczbę bitów tak, aby całą informację można było z tej postaci dokładnie odtworzyć. Najczęściej stosowane metody kompresji bezstratnej dzielą się na słownikowe i statyczne, przy czym wiele metod korzysta z obydwu technik.

Metoda słownikowa polega na zamianie Metoda słownikowa polega na zamianie często powtarzającego się w danych źródłowych często powtarzającego się w danych źródłowych słowa (ciągu znaków) na specjalne, krótsze słowo, słowa (ciągu znaków) na specjalne, krótsze słowo, w metodzie statystycznej zaś – używa się mniejszej w metodzie statystycznej zaś – używa się mniejszej liczby bitów dla częściej występujących symboli.liczby bitów dla częściej występujących symboli.

Zastosowanie kompresji bezstratnej

Kompresję bezstratnąKompresję bezstratną wykorzystuje się między innymi w następujących algorytmach: BZIP2, Deflate, HuffmanHuffman, GIF, Kodowanie arytmetyczne, LZ-77LZ-77, LZWLZW, Move To Front, PCX, PNG, RLE, Transformata Burrowsa-Wheelera.

Kompresja stratna Kompresja stratnaKompresja stratna (loosy compression)

opiera się na zmniejszeniu liczby bitów niezbędnych do wyrażenia danej informacji w sposób nie gwarantujący odtworzenia informacji identycznej z oryginalną.

Metoda ta jest możliwa dzięki odrzuceniu prze zmysły najmniej istotnych danych o dźwięku, obrazie, pozostawiając dane o wyższej wartości, potrzebne do rozpoznania informacji. W tym celu wykorzystywane są specjalne modele psychozmysłowe.

Zastosowanie kompresji stratnejMetoda stratna wykorzystywana jest do kompresji:

obrazuobrazu (np. format JPEG, kompresja fraktalna),

obrazu ruchomegoobrazu ruchomego (DivX, MPEG, Real Video),

dźwięku dźwięku (MP3, OGG Vorbis, Real Audio).

Oszukać mózgWidzimy to, na co jesteśmy przygotowani.

Jak algorytmy oszukują nasze okoRys. 1 przedstawia dwukrotnie powiększony środek spirali. Na Rys. 2a widzimy nałożony na niego efekt "wykrywanie krawędzi". Filtr wykrywa krawędzie tylko na przejściach między kolorami.

Rys. 2 przedstawia dwukrotnie powiększony środek spirali, która wcześniej została silnie skompresowana. Na Rys. 2a nałożony zostaje na niego efekt "wykrywanie krawędzi". Filtr zaczyna się gubić, wykrywa krawędzie wszędzie tam, gdzie zachodzi podział na kwadraty, działanie filtra ujawnia także zwiększoną liczbę przekłamań w kolorach.

Rys. 1

Rys. 2aRys. 2

Rys. 1a

Podstawowe formaty grafiki rastrowejJPGGIFPNGBMP TIF PCX

KKoolloorr 1 bit - kolor czarnobiały, 8 bitów - pseudokolor (256 kolorów), 16 bitów - kolor pełny (32768 kolorów),24 bity - kolor wierny, prawdziwy (16.8 M

barw),32 i 48 bitów - spotyka się w

zastosowaniach profesjonalnych.

Format JPGJPG, JPEGJPG, JPEG - jest skrótem od organizacji, która

po raz pierwszy przedstawiła jego definicję, Joint Photographic Experts Group. Jego podstawową zaletą jest duży stopień kompresji - nawet 150%. Jednak kompresja ta jest stratna, oznacza to, że po otworzeniu pliku JPEG otrzymamy obraz o jakości gorszej od oryginału. Pogorszenie jakości jest wprost proporcjonalne do stopnia kompresji, czym bardziej skompresujemy grafikę, tym większe będzie pogorszenie jej jakości. Jednak format JPEG pozwala na zapisanie pełnej gamy kolorów RGB. Wadą tego formatu jest to, że nie można w nim zachować animacji, ani też zdefiniować kolorów “przezroczystych”.

Rozszerzenie: *.jpe, *.jpg, *.jpeg,Rozszerzenie: *.jpe, *.jpg, *.jpeg,

Kompresja Kompresja stratnastratna JPEG JPEG, to w istocie stworzenie pochodnego obrazu, który jest uproszczony w tak wyszukany sposób, by dla ludzkiego oka owo uproszczenie było niezauważalne lub nieznaczne, stanowiąc jednak znaczną oszczędność z punktu widzenia komputerowego zapisu.

81,8 KB 56,1 KB

Kompresja JPGKompresja JPG dzieli obraz na kwadraty różnej wielkości i układu - zależnie od lokalnego zróżnicowania pikseli.

Różne stopnie kompresji JPG oryginału o objętości 47 KB Różne stopnie kompresji JPG oryginału o objętości 47 KB

50%50% 85%85% 95%95% 99%99% Powiększenie Powiększenie twarzy 99%twarzy 99%

3,96 KB3,96 KB 2,17 KB2,17 KB 1,23 KB1,23 KB 0,96 KB 0,96 KB

Format GIFFormat Format GIFGIF (Graphics Interchange Format)

jest dość szeroko stosowany. Został stworzony na zamówienie CompuServe INC. w 1987 roku (GIF87a). Format GIF był opracowany, z myślą o przesyłaniu na duże odległości za pomocą urządzeń transmisyjnych. Powoduje on stopniowe wyświetlanie linii poziomych obrazka (co ósmej, co czwartej, co drugiej i pozostałych). Dzięki czemu można się zorientować, co się na nim znajduje bez konieczności oczekiwania, aż wczyta się cały.

Rozszerzenie: *.gif,Rozszerzenie: *.gif,

Zalety i wady formatu GIFZalety:Zalety:umożliwia zapis w jednym pliku wielu

obrazów GIF w celu późniejszym ich prezentacji w postaci animacji,

możliwość ustawienia dla każdego piksela przezroczystości (jedynie dwie wariancje - albo jest, albo nie jest przezroczysty),

obsługiwany przez większość dobrych programów,

Wady:Wady:nie obsługuje trybów o 24-bitowych

kolorze.

Porównanie formatów JPEG i GIFrys 1. – ilustracja zapisana w formacie rys 1. – ilustracja zapisana w formacie JPGJPG o małym stopniu kompresji. Widoczne są o małym stopniu kompresji. Widoczne są nieznaczne przekłamania kolorów. Plik ma nieznaczne przekłamania kolorów. Plik ma dużą objętość.dużą objętość.Wielkość pliku: 9 474 KB Wielkość pliku: 9 474 KB

rys 2. – ilustracja zapisana w formacie rys 2. – ilustracja zapisana w formacie JPGJPG o znacznym stopniu kompresji. Widoczne o znacznym stopniu kompresji. Widoczne są wyraźne przekłamania kolorów.są wyraźne przekłamania kolorów.

Wielkość pliku: 7 979 KBWielkość pliku: 7 979 KB

rys 3. – ilustracja zapisana w formacie rys 3. – ilustracja zapisana w formacie GIFGIF – duże jednokolorowe płaszczyzny – duże jednokolorowe płaszczyzny prezentują się idealnie, wielkość pliku jest prezentują się idealnie, wielkość pliku jest trzy razy mniejsza niż pliku JPG o podobnej trzy razy mniejsza niż pliku JPG o podobnej jakości.jakości.

Wielkość pliku: 3 135 KBWielkość pliku: 3 135 KB

Porównanie formatów JPEG i GIFRys. 1Rys. 1 - obrazek JPG o

słabej jakości prezentuje się zupełnie dobrze jako miniaturka, zajmuje jednak aż 7 355 KB.

Rys. 2Rys. 2 - ten sam obrazek zapisany w formacie GIF jest praktycznie takiej samej jakości, lecz zajmuje znacznie mniej: 6 762 KB.

Rys. 1

Rys. 2

Format PNGFormatFormat PNG PNG (Portable Network

Graphics) został opracowany jako następca GIF w 1995 roku, po ogłoszeniu przez Unisys oraz CompuServe roszczeń patentowych dotyczących kompresji LZW używanej w formatach GIF oraz TIFF. Grupa ekspertów poleca metodę PNG, jako alternatywę dla formatu GIF, dla którego stosowania producenci oprogramowania muszą posiadać licencję. Specyficzna budowa PNG spowodowała, że nadaje się on znacznie lepiej do użytkowania w sieci niż inne istniejące formaty (m.in. GIF, JPEG).

Rozszerzenie: *.png,Rozszerzenie: *.png,

Zalety i wady formatu PNGZalety:Zalety:umiejętność zapisu grafiki truecolor (aż do 48

bitów na piksel) oraz grafiki grayscale (aż do 16 bitów na piksel),

uwzględnianie współczynnika przezroczystości (alpha channel) na każdy piksel,

efektywna, bezstratna kompresja (o ok. 10-30 proc. bardziej wydajna niż stosowana w GIF-ie),

Wady:Wady:Efekt ziarnistości przy dużej kompresji,

Kompresja PNGPrzy użyciu 24-bitowej kompresji PNG, Przy użyciu 24-bitowej kompresji PNG, wzdłuż krawędzi pojawiają się wzdłuż krawędzi pojawiają się zniekształcenia "schodkowe". Pogarsza zniekształcenia "schodkowe". Pogarsza to znacznie jakość zdjęcia, a to znacznie jakość zdjęcia, a oszczędność pamięci o 53%, nie jest oszczędność pamięci o 53%, nie jest robi zbyt dużego wrażenia. robi zbyt dużego wrażenia.

Efekt ziarnistości jest jeszcze Efekt ziarnistości jest jeszcze wyraźniejszy przy zastosowaniu 256 wyraźniejszy przy zastosowaniu 256 kolorów (8-bitowa kompresja). kolorów (8-bitowa kompresja). Dodatkowo, na obszarach o Dodatkowo, na obszarach o jednorodnych kolorach, pojawiają się jednorodnych kolorach, pojawiają się punkty o odmiennych barwach. Rozmiar punkty o odmiennych barwach. Rozmiar pliku zmniejszony jest o 77%, ale obraz pliku zmniejszony jest o 77%, ale obraz zyskuje wygląd plakatowy. zyskuje wygląd plakatowy.

Format BMPFormat Format BMPBMP to jeden z popularniejszych

formatów przechowywania obrazu w pamięci komputera. Format obecnie jest używany w systemie Windows. Pliki formatu bmp mogą zawierać obrazy o głębi kolorów do 32 bitów, a więc ok. 22,2 milionów kolorów. Obraz jest przechowywany w pliku bmp jako bitmapa. Nie jest on w żaden sposób skompresowany, co powoduje duży rozmiar pliku w standardzie BMP w porównaniu do formatów takich jak GIF czy JPG.

Rozszerzenie: *.bmp,Rozszerzenie: *.bmp,

Porównanie formatów BMP i JPEG

Obraz bitowy

1,37 MB

Obraz JPEG

36,0 KB

Format TIFFTIFFTIFF (Tagged Image File Format) - to jeden z

najbardziej rozpowszechnionych i uniwersalnych formatów plików graficznych. Został on opracowany w 1986r. z myślą o programach służących do składu publikacji, tak by mógł być obsługiwany przez wszystkie aplikacje do edycji grafiki. Obraz zapisany w tym formacie może być modyfikowany i drukowany niemal ze wszystkich programach służących do obróbki grafiki. Jest on niezależny od platformy sprzętowej i może być używany w systemach MS-DOS, MAC, Windows, Unix.

Rozszerzenie: *.tif, *.tiff,Rozszerzenie: *.tif, *.tiff,

Porównanie formatów TIFF i JPEG

Obraz TIF

918 KB

Obraz JPEG

59,0 KB

Format PCXPCXPCX to format przechowywania i

kompresji obrazków, używający algorytmu kompresji bezstratnej RLE. PCX był dość popularny we wczesnych latach DOS i Windows, lecz współcześnie jest już rzadki, zastąpiony przez formaty oferujące lepszą kompresje i dodatkowe możliwości - GIF, JPEG i PNG.

Rozszerzenie: *.pcx, Rozszerzenie: *.pcx,

Porównanie formatów PCX i JPEG

Plik PCX

1 MB

Plik JPEG

86,7 KB

Podsumowanie:Kompresja danychKompresja danych innymi słowami to wyrażenie tego samego zestawu informacji, lecz za pomocą mniejszej liczby bitów. Wyróżniamy kompresję stratną i bezstratną.Podstawowe formaty grafiki rastrowej to: Podstawowe formaty grafiki rastrowej to: JPG, GIF, PNG, BMP, TIF, PCX.

Bibliografia: http://www.ii.uni.wroc.pl/~grazyna/

alDlaPraktykow/SAdP-WdKD.pdf http://netdesign.wroclaw.pl/graf_format.shtml http://www.phys.uni.torun.pl/~duch/Wykłady/

komput/w10/grafika.html http://pl.wikipedia.org/wiki/Jpeg http://www.bg.pwr.wroc.pl/download/

rozszerzenie.htm http://www.e-graphic.net/articles.php?id=107 http://www.juliusz.lo-zywiec.pl/pliki/lepik/

grafika_www/strony/formaty.html