Индексированные цвета в цифровых изображениях

Введение

Индексный цвет – это техника управления цветами цифровых изображений ограниченным образом, для экономии памяти компьютера и места для хранения файлов, а также для ускорения обновления изображения на экране и передачи файлов. Это разновидность векторного квантования при сжатии. При кодировании изображения таким способом, информация о цвете не передается непосредственно в данных пикселей изображения, а хранится в отдельном блоке данных, называемом таблицей соответствия цветов (CLUT) или палитрой – массиве цветовых характеристик. Каждый элемент массива представляет собой цвет, индексированный по его позиции в массиве. Каждый пиксель изображения содержит не полную спецификацию своего цвета, а только его индекс в палитре. Эта техника иногда называется псевдоцветом или непрямым цветом, так как доступ к цветам осуществляется косвенно.

История

Ранние графические системы отображения, использовавшие 8-битный индексированный цвет с буферами кадров и таблицами подстановки цветов, включают SuperPaint от Shoup (1973) и видеобуфер кадра, описанный в 1975 году Кадзией, Сазерлендом и Чидлом. Эти системы поддерживали палитру из 256 цветов RGB. SuperPaint использовал буфер кадров на основе сдвигового регистра, а система Кадзии и др. использовала буфер произвольного доступа. Ранее существовали системы, использовавшие 3-битный цвет, но обычно они рассматривали биты как независимые каналы красного, зеленого и синего, включающие или выключающие цвет, а не как совместный индекс в таблице CLUT.

Цвета и палитра

Способ кодирования цветов в цветовой палитре заданного индексированного изображения зависит от целевой платформы.

Ранние цветовые методы

Многие ранние персональные и домашние компьютеры имели очень ограниченную аппаратную палитру, способную воспроизводить лишь небольшой набор цветов. В таких случаях значение каждого пикселя напрямую соответствовало одному из этих цветов. Хорошо известные примеры включают Apple II, Commodore 64 и IBM PC CGA, все из которых имели аппаратное обеспечение, способное генерировать фиксированный набор из 16 цветов. В этих случаях изображение могло кодировать каждый пиксель 4 битами, напрямую выбирая используемый цвет. Однако в большинстве случаев аппаратное обеспечение дисплея поддерживало дополнительные режимы, в которых в одном изображении можно было использовать только подмножество этих цветов, что было полезным способом экономии памяти. Например, режим 320×200 у CGA мог отображать одновременно только четыре из 16 цветов. Поскольку палитры были полностью проприетарными, изображение, созданное на одной платформе, не могло быть правильно отображено на другой. Другие машины той эпохи могли генерировать больший набор цветов, но обычно разрешали использовать лишь их подмножество в любом одном изображении. Примерами служат 256-цветная палитра на 8-битных машинах Atari или 4096 цветов терминала VT241 в графическом режиме ReGIS. В этих случаях часто изображение позволяло отображать одновременно лишь небольшое подмножество общего количества цветов, до 16 одновременно на Atari и VT241. В целом, эти системы работали аналогично своим менее красочным аналогам, но ключевое отличие заключалось в том, что в палитре было слишком много цветов для непосредственной кодировки данных пикселей, учитывая ограниченный объем видеопамяти. Вместо этого они использовали таблицу соответствия цветов (CLUT), где данные каждого пикселя указывали на запись в CLUT, а CLUT настраивался программно. Это означало, что данные CLUT изображения должны были храниться вместе с исходными данными изображения для правильного воспроизведения.

Красный свет

Аппаратные палитры, основанные на компонентных видеосигналах, таких как YPbPr и подобные, к середине 1980-х годов в основном были заменены более гибкой цветовой моделью RGB, в которой любой цвет можно получить, смешивая различные количества трех основных цветов: красного, зеленого и синего. Хотя общее количество различных цветов зависит от количества уровней для каждого основного цвета и от конкретной аппаратной реализации (9-битный RGB обеспечивает 512 комбинаций, 12-битный RGB – 4096 и так далее), в этой модели цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) могут генерировать цвета, упрощая аппаратную конструкцию, а программное обеспечение может абстрактно обрабатывать количество используемых уровней и управлять цветами RGB независимо от устройства. Благодаря хранению цветов в формате RGB в палитрах индексированных файлов изображений, любое изображение может быть отображено (с помощью соответствующих преобразований) в любой системе, независимо от глубины цвета, используемой в аппаратной реализации. Сегодня аппаратное обеспечение для отображения и форматы файлов изображений, работающие с индексированными цветными изображениями, почти исключительно управляют цветами в формате RGB, а фактическим стандартом кодирования является так называемый truecolor или 24-битный RGB, с 16 777 216 различными возможными цветами. Однако индексированные цветные изображения не ограничиваются 24-битным кодированием RGB; палитры изображений могут содержать любой тип цветового кодирования. Например, формат файла PDF поддерживает индексированный цвет в других цветовых пространствах, в частности CMYK, и Adobe Distiller по умолчанию преобразует изображения в индексированный цвет, когда общее количество цветов в изображении равно или меньше 256. При использовании RGB форматы файлов TIFF и PNG могут опционально хранить RGB-тройки с точностью 16 бит (65 536 уровней на компонент), что дает в общей сложности 48 бит на пиксель. Предлагаемое расширение стандарта TIFF допускает использование цветовых палитр, отличных от RGB, но оно так и не было реализовано в программном обеспечении по техническим причинам. Таблица цветовой карты индексированного цветового режима формата файла BMP хранит свои записи в порядке BGR, а не RGB, и имеет (в текущей версии) дополнительный неиспользуемый байт для заполнения, чтобы соответствовать 32-битному выравниванию слов при обработке, но по сути это все еще 24-битное кодирование RGB. (Более ранняя версия формата BMP использовала три байта на 24-битную запись в таблице цветовой карты, и многие файлы в этом формате до сих пор используются, поэтому многие современные программы, читающие файлы BMP, поддерживают оба варианта.)

Hardware palettes based on component video colors such as YPbPr or the like were generally replaced in the mid 1980s by the more flexible RGB color model, in which a given color can be obtained by mixing different amounts of the three primary colors red, green, and blue. Although the total number of different colors depends on the number of levels per primary, and on a given hardware implementation (a 9 bit RGB provides 512 combinations, a 12 bit RGB provides 4,096, and so on), in this model digital to analog converters (DAC) can generate the colors — simplifying the hardware design — while the software can treat the number per levels used abstractly and manage the RGB colors in a device independent fashion. With colors stored in RGB format within the palettes of indexed image files, any image can be displayed (through appropriate transformations) on any such system, regardless of the color depth used in the hardware implementation. Today, display hardware and image file formats that deal with indexed color images almost exclusively manage colors in RGB format, the de facto standard encoding being the so called truecolor or 24 bit RGB, with 16,777,216 different possible colors. However, indexed color images are not genuinely constrained to a 24 bit RGB color encoding; image palettes can hold any type of color encoding. For example, the PDF file format does support indexed color in other colorspaces, notably CMYK, and Adobe Distiller by default will convert images to indexed color whenever the total number of colors in an image is equal to or less than 256. When using RGB, the TIFF and PNG file formats can optionally store the RGB triplets with a precision of 16 bit (65,536 levels per component) yielding a total of 48 bits per pixel. A proposed extension to the TIFF Standard allows non RGB color palettes, but this was never implemented in software due to technical reasons. The color map table of the BMP file format indexed color mode stores its entries in BGR order rather than RGB, and has (in the current version) an additional unused byte for padding to conform to 32 bit word alignment during processing, but it is essentially still a 24 bit RGB color encoding. (An earlier version of the BMP format used three bytes per 24 bit color map table entry, and many files in that format are still in circulation, so many modern programs that read BMP files support both variations.)

Преимущества

Индексированный цвет позволяет значительно экономить память, дисковое пространство и время передачи: при использовании truecolor каждому пикселю требуется 24 бита, или 3 байта. Типичное несжатое изображение VGA с разрешением 640×480 в формате truecolor требует 640×480×3 = 921 600 байт (900 КиБ). Если ограничить количество цветов изображения до 256, каждому пикселю потребуется всего 8 бит, или 1 байт, поэтому для примера изображения потребуется только 640×480×1 = 307 200 байт (300 КиБ), плюс 256×3 = 768 дополнительных байт для хранения самой палитры (при использовании RGB), что составляет примерно одну треть от первоначального размера. Меньшие палитры (4 бита – 16 цветов, 2 бита – 4 цвета) позволяют еще плотнее упаковывать пиксели (в шесть или двенадцать раз), но, очевидно, за счет точности цветопередачи. Индексированный цвет широко использовался в ранних персональных компьютерах и аппаратном обеспечении видеоадаптеров для снижения стоимости (в основном за счет уменьшения количества дорогостоящих на тот момент микросхем RAM), а также для удобства управления изображениями на компьютерах с ограниченной вычислительной мощностью процессоров (порядка 4–8 МГц) и при хранении файлов (на кассетных лентах и дискетах низкой плотности). К заметным компьютерным графическим системам 1980-х годов, активно (или даже исключительно) использовавшим псевдоцветные палитры, относятся CGA, EGA и VGA (для IBM PC-совместимых), Atari ST, а также OCS и AGA Amiga. Файлы изображений, которыми обменивались в сети CompuServe в начале 1990-х годов, были заключены в формат GIF. Впоследствии веб-страницы HTML использовали GIF вместе с другими форматами файлов, поддерживающими индексированный цвет, такими как PNG, для быстрой передачи изображений с ограниченной палитрой и их хранения в ограниченном объеме памяти. Большинство форматов файлов изображений, поддерживающих индексированный цвет, также обычно поддерживают различные схемы сжатия, что повышает их эффективность при хранении изображений в небольших файлах. Интересные художественные эффекты и цветовые манипуляции можно легко добиться, изменяя цветовую палитру индексированных изображений, например, для создания изображений в сепии. Благодаря отдельной структуре палитры в индексированных изображениях, они идеально подходят для переназначения оттенков серого в псевдоцветные изображения с использованием специальных цветовых палитр. Простую видеонакладку можно легко реализовать с помощью техники прозрачного цвета. Манипулируя аппаратными цветовыми регистрами (таблицей соответствия цветов, или CLUT) видеоадаптера в графических режимах с индексированным цветом, можно добиться полноэкранной цветной анимации без перерисовки изображения, то есть с минимальной нагрузкой на процессор; изменение значений регистра влияет на весь экран одновременно. Анимация цветовой карты, также известная как цветовое циклирование, широко используется в демосцене. Экран загрузки Microsoft Windows в Windows 95, 98, ME и 2000 Professional (использующий режим отображения VGA 320x200x256, поскольку он является наибольшим общим делителем для всех ПК) использует эту технику для прокрутки градиентной полосы в нижней части экрана; изображение статично и не требует перерисовки пикселей после первоначального отображения. Пользовательские экраны загрузки могли использовать циклические цвета для анимации других частей изображения.

Indexed color saves a lot of memory, storage space, and transmission time: using truecolor, each pixel needs 24 bits, or 3 bytes. A typical 640×480 VGA resolution truecolor uncompressed image needs 640×480×3 = 921,600 bytes (900 KiB). Limiting the image colors to 256, every pixel needs only 8 bits, or 1 byte each, so the example image now needs only 640×480×1 = 307,200 bytes (300 KiB), plus 256×3 = 768 additional bytes to store the palette map in itself (assuming RGB), approximately one third of the original size. Smaller palettes (4 bit 16 colors, 2 bit 4 colors) can pack the pixels even more (to one sixth or one twelfth), obviously at cost of color accuracy. Indexed color was widely used in early personal computers and display adapters' hardware to reduce costs (mainly by requiring fewer of the then expensive RAM chips) but also for convenient image management with limited power CPUs (of the order of 4 to 8 MHz), file storage (cassette tapes and low density floppy disks). Notable computer graphics systems extensively (or even exclusively) using pseudocolor palettes in the 1980s include CGA, EGA, and VGA (for IBM PC compatibles), the Atari ST, and Amiga's OCS and AGA. Image files exchanged over the CompuServe net in the early 1990s were encapsulated in the GIF format. Later, the HTML web pages used the GIF along with other indexed color supporting file formats such as PNG, to exchange limited color images quickly and store them in limited storage space. Most image file formats that support indexed color images also commonly support some compression scheme, enhancing their ability to store the images in smaller files. Interesting colorized and artistic effects can be easily achieved by altering the color palette of indexed color images, for example to produce colorized sepia tone images. Due to the separate nature of the associated palette element of the indexed color images, they are ideal to remap grayscale images into false color ones through the use of false color palettes. Simple video overlay can be achieved easily through the transparent color technique. By manipulating the color hardware registers (Color look up table or CLUT) of the display adapter in the indexed color graphic modes, full screen color animation effects can be achieved without redrawing the image that is, at low CPU time cost; a single change of the register values affects the whole screen at once. Color map animation, also known as Color cycling, is extensively used in the demoscene. The Microsoft Windows boot logo screen in Windows 95, 98, ME, and 2000 Professional (which uses VGA 320x200x256 color display mode because it is the greatest common denominator on all PCs) employs this technique for the scrolling gradient bar across the bottom of the screen; the picture is a static image with no pixels rewritten after it is initially displayed. Custom boot screen images could tap the cycled colors to animate other parts of the images.

Форматы файлов изображений, поддерживающие индексированный цвет

Это одни из наиболее репрезентативных форматов файлов изображений, поддерживающих индексированные цветовые режимы. Некоторые из них поддерживают другие режимы (например, truecolor), но здесь перечислены только индексированные цветовые режимы. ПРИМЕЧАНИЕ: большинство форматов также поддерживают цветовую таблицу с меньшим количеством цветов, чем максимальное количество, которое может предложить заданная битовая глубина.

Сокращение Полное название Разработчик Расширение DOS 1 бит (2) 2 бита (4) 3 бита (8) 4 бита (16) 5 бит (32) 6 бит (64) 7 бит (128) 8 бит (256) Сжатие
PCX PC Paintbrush Image File ZSoft Corporation pcx RLE
ILBM InterLeaved BitMap Electronic Arts lbm, iff Без сжатия, RLE
GIF Graphics Interchange Format Compuserve gif LZW
TGA TARGA File format Truevision tga, vda, icb, vst Без сжатия, RLE
TIFF Tag(ged) Image File Format Aldus tif Без сжатия, DEFLATE, LZW, PackBits, CCITT Group 3 fax, CCITT Group 4 fax, JPEG, другие менее распространенные (**)
BMP Device independent Bitmap Microsoft bmp, dib, rle Без сжатия, RLE (***)
PSD Photoshop Document Adobe Systems psd PackBits
PNG Portable Network Graphics PNG Development Group png DEFLATE

* 64 (истинно, не EHB), 128 и 256 цветовых режимов доступны только для чипсета AGA Amiga. ** Встроенная поддержка проприетарных схем сжатия. *** RLE с опциональными проприетарными дельта-прыжками.