Введение

Стандартные средства организации и хранения цифровых изображений.
Форматы цифровых изображений, используемые для хранения фотографий и других изображений.

Формат файла изображения – это формат файла для цифрового изображения. Существует множество форматов, которые можно использовать, например JPEG, PNG и GIF. Большинство форматов до 2022 года предназначались для хранения 2D-изображений, а не 3D-изображений. Данные, хранящиеся в формате файла изображения, могут быть сжатыми или несжатыми. Если данные сжаты, то сжатие может быть с потерями или без потерь. Для приложений графического дизайна часто используются векторные форматы. Некоторые форматы файлов изображений поддерживают прозрачность. Растровые форматы предназначены для 2D-изображений. 3D-изображение может быть представлено в 2D-формате, как, например, в стереограмме или автостереограмме, но такое 3D-изображение не будет являться истинным световым полем и, следовательно, может вызывать конфликт между вергенцией и аккомодацией. Файлы изображений состоят из цифровых данных в одном из этих форматов, чтобы данные можно было отобразить на цифровом (компьютерном) дисплее или распечатать на принтере. Исторически распространенным методом отображения информации о цифровых изображениях была растризация.

Сжатие файлов изображений

Существует два типа алгоритмов сжатия файлов изображений: без потерь и с потерями. Алгоритмы сжатия без потерь уменьшают размер файла, сохраняя при этом точную копию исходного несжатого изображения. Сжатие без потерь обычно, но не всегда, приводит к файлам большего размера, чем сжатие с потерями. Сжатие без потерь следует использовать при редактировании изображений, чтобы избежать накопления этапов повторного сжатия. Алгоритмы сжатия с потерями сохраняют представление исходного несжатого изображения, которое может казаться точной копией, но ею не является. Часто сжатие с потерями позволяет достичь меньшего размера файла, чем сжатие без потерь. Большинство алгоритмов сжатия с потерями допускают переменный уровень сжатия, позволяющий обменивать качество изображения на размер файла.

Основные форматы графических файлов

Включая проприетарные типы, существует сотни типов файлов изображений. Форматы PNG, JPEG и GIF наиболее часто используются для отображения изображений в интернете. Некоторые из этих графических форматов перечислены и кратко описаны ниже, разделенные на два основных семейства графики: растровые и векторные. Растровые изображения дополнительно подразделяются на форматы, ориентированные главным образом на распространение в сети (то есть поддерживающие относительно сильное сжатие), и форматы, предназначенные главным образом для разработки или обмена (несжатые или со слабым сжатием). Помимо форматов изображений, метафайлы – это переносимые форматы, которые могут содержать как растровую, так и векторную информацию. Примеры – независимые от приложений форматы, такие как WMF и EMF. Формат метафайла является промежуточным форматом. Большинство приложений открывают метафайлы, а затем сохраняют их в собственном нативном формате. Языки описания страниц – это форматы, используемые для описания макета печатной страницы, содержащей текст, объекты и изображения. Примеры включают PostScript, PDF и PCL.

JPEG

JPEG (Joint Photographic Experts Group) — это метод сжатия с потерями; сжатые изображения JPEG обычно хранятся в формате JFIF (JPEG File Interchange Format) или Exif (Exchangeable image file format). Расширение имени файла JPEG — JPG или JPEG. Практически любой цифровой фотоаппарат может сохранять изображения в формате JPEG, который поддерживает 8-битные изображения в оттенках серого и 24-битные цветные изображения (по 8 бит на красный, зеленый и синий каналы). JPEG применяет сжатие с потерями к изображениям, что может значительно уменьшить размер файла. Приложения могут задавать степень сжатия, и величина сжатия влияет на визуальное качество результата. При умеренном сжатии качество изображения заметно не ухудшается, однако при многократном редактировании и сохранении файлы JPEG подвержены накоплению дефектов. (JPEG также поддерживает бесcпотерйное хранение изображений, но эта версия не получила широкого распространения.)

GIF (англ.)

GIF (Graphics Interchange Format) в обычном использовании ограничен 8-битной палитрой, или 256 цветами (хотя технически возможна 24-битная глубина цвета). GIF наиболее подходит для хранения графики с небольшим количеством цветов, такой как простые диаграммы, фигуры, логотипы и изображения в стиле мультфильма, поскольку он использует LZW-сжатие без потерь, которое наиболее эффективно при больших одноцветных областях и менее эффективно для фотографий или изображений с дизерингом. Благодаря своей простоте и распространенности, GIF получил практически универсальную поддержку программного обеспечения. Несмотря на низкую степень сжатия по сравнению с современными видеоформатами, он до сих пор широко используется для создания анимированных изображений благодаря своим возможностям анимации.

PNG (немецкая)

Формат файла PNG (Portable Network Graphics) был создан как бесплатная альтернатива GIF с открытым исходным кодом. Формат файла PNG поддерживает 8-битные (256 цветов) палитрованные изображения (с опциональной прозрачностью для всех цветов палитры) и 24-битные truecolor (16 миллионов цветов) или 48-битные truecolor с альфа-каналом и без него, в то время как GIF поддерживает только 8-битные палитры с одним прозрачным цветом. По сравнению с JPEG, PNG превосходит, когда изображение содержит большие однородные области цвета. Даже для фотографий – где JPEG часто выбирают для окончательного распространения, поскольку его сжатие с потерями обычно обеспечивает меньший размер файла – PNG все еще хорошо подходит для хранения изображений в процессе редактирования благодаря сжатию без потерь. PNG предоставляет замену GIF, свободную от патентных ограничений (хотя сам GIF теперь также свободен от патентов), и может заменить многие распространенные области применения TIFF. Поддерживаются изображения с индексированными цветами, в оттенках серого и truecolor, а также опциональный альфа-канал. Интерлисинг Adam7 позволяет получить предварительный просмотр изображения даже при передаче лишь небольшого процента данных. PNG может хранить данные о гамме и цветовой гамме, а также профили ICC для точного сопоставления цветов на различных платформах. Анимационные форматы, основанные на PNG, – это MNG и APNG, которые обратно совместимы с PNG и поддерживаются большинством браузеров.

JPEG 2000

JPEG 2000 — это стандарт сжатия, обеспечивающий как сжатие без потерь, так и с потерями. Методы сжатия, используемые в JPEG 2000, отличаются от методов, применяемых в стандартах JFIF/JPEG; они улучшают качество и степень сжатия, но также требуют больших вычислительных ресурсов для обработки. JPEG 2000 также добавляет функции, которых нет в JPEG. Он значительно менее распространен, чем JPEG, но в настоящее время используется в профессиональном редактировании и дистрибуции кинофильмов (например, некоторые цифровые кинотеатры используют JPEG 2000 для отдельных кадров фильмов).

WebP

WebP — это открытый формат изображений, выпущенный в 2010 году, который использует как сжатие без потерь, так и с потерями. Он был разработан Google для уменьшения размера файлов изображений и ускорения загрузки веб-страниц: его основная цель — заменить JPEG в качестве основного формата для фотографий в интернете. WebP основан на внутрикадровом кодировании VP8 и использует контейнер на основе RIFF. В 2011 году Google добавил «Расширенный формат файла», обеспечивающий поддержку анимации, профилей ICC, метаданных XMP и Exif, а также тайлинга. Поддержка анимации позволила конвертировать старые анимированные GIF в анимированные WebP. Контейнер WebP (то есть RIFF-контейнер для WebP) позволяет расширить функциональность за пределы базового использования WebP (то есть файла, содержащего одно изображение, закодированное в виде ключевого кадра VP8). Контейнер WebP обеспечивает дополнительную поддержку:

Сжатие без потерь — Изображение может быть сжато без потерь с использованием формата WebP Lossless.
Метаданные — Изображение может содержать метаданные в форматах EXIF или XMP.
Прозрачность — Изображение может иметь прозрачность, то есть альфа-канал.
Цветовой профиль — Изображение может содержать встроенный профиль ICC, как определено Международным консорциумом по цвету.
Анимация — Изображение может состоять из нескольких кадров с паузами между ними, что делает его анимацией.

Растровые форматы HDR

Большинство типичных растровых форматов не могут хранить данные HDR (32-битные значения с плавающей точкой для каждого цветового компонента), поэтому некоторые относительно старые или сложные форматы до сих пор остаются основными и заслуживают отдельного упоминания. Однако появляются и новые альтернативы. RGBE — это формат для HDR-изображений, разработанный Radiance и поддерживаемый Adobe Photoshop. JPEG HDR — формат файлов от Dolby Labs, аналогичный кодированию RGBE, стандартизированный как JPEG XT Part 2. JPEG XT Part 7 включает поддержку кодирования HDR-изображений с плавающей точкой в базовом 8-битном JPEG-файле с использованием расширяющих слоев, закодированных четырьмя профилями (A–D); профиль A основан на формате RGBE, а профиль B — на формате XDepth от Trellis Management.

HEIF

Высокоэффективный формат файлов изображений (HEIF) — это формат-контейнер для изображений, стандартизированный MPEG на основе формата основных медиафайлов ISO. Хотя HEIF может использоваться с любым форматом сжатия изображений, стандарт HEIF определяет хранение изображений, закодированных HEVC с внутрикадровым кодированием, и последовательностей изображений, закодированных HEVC, с использованием межкадрового прогнозирования.

АВИФ

Формат файлов изображений AV1 (AVIF), стандартизированный видеоконсорциумом Alliance for Open Media (AOMedia) – разработчиком видеоформата Av1 – для использования современных алгоритмов сжатия и обеспечения полностью свободного от роялти формата изображений. Он использует формат изображения с кодированием AVIF и рекомендуется использовать контейнер HEIF, см. AV1 в HEIF.

JPEG XL

JPEG XL — это бесплатный от роялти растровый графический формат файлов, поддерживающий как сжатие с потерями, так и без потерь. Он обеспечивает обратимую перекомпрессию существующих файлов JPEG, а также высокоточную обработку HDR (до 32-битных чисел с плавающей точкой для каждого цветового канала). Он разработан для использования как в задачах доставки контента, так и в задачах его создания.

ТИФФ

Формат TIFF (Tag Image File Format) — это гибкий формат, обычно использующий расширение имени файла TIFF или TIF. Структура тегов была разработана с возможностью легкого расширения, и многие производители добавили собственные теги специального назначения, в результате чего ни один просмотрщик не поддерживает все варианты файлов TIFF. Файлы TIFF могут быть с потерями или без потерь, в зависимости от выбранного метода хранения данных пикселей. Некоторые обеспечивают относительно хорошее сжатие без потерь для двухтональных (черно-белых) изображений. Некоторые цифровые камеры могут сохранять изображения в формате TIFF, используя алгоритм сжатия LZW для хранения без потерь. Формат изображения TIFF не широко поддерживается веб-браузерами, но он по-прежнему широко используется в качестве стандарта для фотофайлов в полиграфии. TIFF может обрабатывать цветовые пространства, специфичные для устройств, такие как CMYK, определенные конкретным набором печатных красок. Программные пакеты OCR (оптическое распознавание символов) часто генерируют изображения TIFF (обычно монохромные) для отсканированных текстовых страниц.

BMP

Формат файла BMP (Windows bitmap) — это растровый, не зависящий от устройства тип файла, разработанный на заре компьютерной графики. Он предназначен для работы с графическими файлами в операционной системе Microsoft Windows. Обычно файлы BMP не сжимаются, поэтому они имеют большой размер и не теряют качество при сохранении; их преимущество заключается в простой структуре и широкой поддержке в программах Windows.

PPM, PGM, PBM и PNM

Формат Netpbm — это семейство форматов, включающее портативный формат файла pixmap (PPM), портативный формат файла graymap (PGM) и портативный формат файла bitmap (PBM). Это файлы в чистом ASCII или необработанные двоичные файлы с ASCII-заголовком, обеспечивающие очень базовую функциональность и служащие самым простым форматом для обмена файлами pixmap, graymap или bitmap между различными платформами. Некоторые приложения объединяют их под общим названием PNM ("Portable aNy Map").

Форматы векторов

В отличие от растровых форматов изображений, где данные описывают характеристики каждого отдельного пикселя, векторные форматы изображений содержат геометрическое описание, которое позволяет плавно масштабировать изображение до любого желаемого размера. В конечном итоге, вся векторная графика должна быть растрирована для отображения на цифровых мониторах. Векторные изображения также могут отображаться с использованием аналоговой ЭЛТ-технологии, применяемой в некоторых электронных измерительных приборах, медицинских мониторах, радарных дисплеях, лазерных шоу и старых видеоиграх. Пло́ттеры — это принтеры, использующие векторные данные, а не пиксельные, для создания графики.

СГМ

CGM (Computer Graphics Metafile) — это формат файла для 2D векторной, растровой графики и текста, стандартизированный ISO/IEC 8632. Все графические элементы могут быть описаны в текстовом исходном файле, который можно скомпилировать в бинарный файл или представить в одном из двух текстовых форматов. CGM предоставляет возможность обмена графическими данными для компьютерного представления двумерной графической информации, не зависящей от конкретного приложения, системы, платформы или устройства. Он нашел некоторое применение в технической иллюстрации и профессиональном дизайне, но в значительной степени уступил место таким форматам, как SVG и DXF.

Формат Gerber (RS-274X)

Формат Гербера (также известный как Расширенный Гербер, RS 274X) — это формат описания двухслойного 2D-изображения, разработанный компанией Ucamco. Он является фактическим стандартом для программного обеспечения для проектирования печатных плат (PCB).

СВГ

SVG (Scalable Vector Graphics) — открытый стандарт, созданный и разработанный консорциумом World Wide Web Consortium для решения задачи (и попыток нескольких корпораций) создания универсального, поддерживающего скрипты и многоцелевого векторного формата для веб и других целей. Формат SVG не имеет собственной схемы сжатия, но благодаря текстовой природе XML, графику SVG можно сжать с помощью программы, такой как gzip. Благодаря своим возможностям скриптинга, SVG является ключевым компонентом веб-приложений: интерактивных веб-страниц, которые выглядят и функционируют как приложения.

Стереоформаты

MPO Формат Multi Picture Object (.mpo) состоит из нескольких JPEG-изображений (Камера и ассоциация продуктов обработки изображений) (CIPA). PNS Формат PNG Stereo (.pns) состоит из изображения "бок о бок" на основе PNG (Portable Network Graphics). JPS Формат JPEG Stereo (.jps) состоит из изображения "бок о бок" на основе JPEG.