Форматы цифровых изображений

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное  учреждение высшего  профессионального  образования

«Санкт-Петербургский  Государственный  Политехнический  Университет»

Механико-машиностроительный факультет 
 

Специальность 150407

Форма обучения: дневная 

Кафедра

Полиграфические машины 

РЕФЕРАТ

по дисциплине

«Оборудование и технология допечатных процессов» 
 

Тема работы : форматы цифрового изображения 
 

Студент                                                                                          Васильева Е.Н.                             

                (подпись)                                                                             (Ф.И.О.) 

гр. 30410/1 

Руководитель 

Зам. зав. кафедры  ПМ, профессор                                                 Ваганов В.В.

(должность, ученое звание, степень)  (подпись)                                              (Ф.И.О.) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2011 

 

Содержание

1. Введение………………………………………………………………………….3
2. История обработки изображений……………………………………………….3
3. Основные свойства цифровых изображений…………………………………..3
4. Яркость изображения и битовая разрядность (bit depth)……………………...5
5. Форматы файлов цифровых изображений…………………………………….10

5.1 Краткие характеристики форматов файлов…………………………....11

6. Список литературы……………………………………………………………..20

 
 
 
 
 

 

1. Введение

     Актуальность  изучения темы «Форматы цифрового изображения» состоит в том, что цифровое изображение  получает наибольшую популярность в современном технологичном компьютереризированном мире, а также является неотъемлемой частью допечатной подготовки. Многообразие форматов заставляет задуматься над несколькими вопросами: какой формат выбрать для хранения информации, какой для представления и как наиболее рационально использовать имеющиеся информационные ресурсы без потери качества изображения. Для этого необходимо изучить основные свойства цифровых изображений, а также определить что такое яркость изображения, а также его битовая разрядность. Далее следует определить характеристики наиболее распространенных форматов файлов изображений, что и было проделано в данной работе.

2. История обработки изображений

     Все природные явления мы видим как  непрерывные, или, иначе говоря, аналоговые. Несмотря на то что человеческий глаз по сути есть матрица светочувствительных  элементов - палочек и колбочек, воспринимаемое мозгом изображение не представляется нам состоящим из отдельных элементов. Самыми первыми предпосылками к  появлению изображений в цифровом формате ещё до изобретения компьютеров  стали типографские оттиски. Ещё в середине XX века обработка изображений была по большей части аналоговой и выполнялась оптическими устройствами. Подобные оптические методы до сих пор важны, в таких областях как, например, голография. Тем не менее, с резким ростом производительности компьютеров, эти методы всё в большей мере вытеснялись методами цифровой обработки изображений. Методы цифровой обработки изображений обычно являются более точными, надёжными, гибкими и простыми в реализации, нежели аналоговые методы. В цифровой обработке изображений широко применяется специализированное оборудование, такое как процессоры с конвейерной обработкой инструкций и многопроцессорные системы. В особенной мере это касается систем обработки видео. Обработка изображений выполняется также с помощью программных средств компьютерной математики, например, MATLAB, Mathcad, Maple, Mathematica и др. Для этого в них используются как базовые средства, так и пакеты расширения Image Processing.

3. Основные свойства цифровых изображений

     Натуральное изображение, снятое при помощи камеры, телескопа, микроскопа или другого  оптического устройства, отображает постоянно изменяемый массив оттенков и цветовых тонов. Фотографии, сделанные  на фотопленке, или видеоизображения произведенные видиконом, являются набором всех возможных изображений. Они содержат широкий спектр интенсивности  (от темного до светлого) а также спектр цветов, которые могут включать всевозможные оттенки и уровни насыщенности. Изображения такого типа принято называть полноцветными, потому что различные тональные оттенки и цвета смешиваются вместе без потерь и составляют достоверную репродукцию с исходной сцены. На рис.1 наглядно изображено создание цифрового изображения. 
 

     

     Рис.1 Создание цифрового изображения

     (a) Аналоговое изображение

     (b) Цифровая дискретизация

     (c) Квантование пикселей

     Полноцветные  изображения получаются при помощи аналоговых оптических и электронных  приборов, которые безошибочно записывают данные картинки. Существуют несколько  способов записи, таких как последовательность изменяющихся электрических сигналов или изменения в химическом составе  фоточувствительного слоя на фотопленке непрерывно по всему размеру изображения. Для того, чтобы полноцветное или  аналоговое изображение можно было обрабатывать или отобразить на компьютере, оно сначала должно быть преобразовано  в цифровой формат. Этот процесс  применяется к любым изображениям, независимо от источника и сложности, и от того, являются они черно-белыми (grayscale) или цветными. Из-за того, что  черно-белые изображения в некотором  роде проще для объяснения, они  будут браться за основу для последующего описания.

     Для преобразования аналогового изображения  в цифровой формат, его делят на участки с индивидуальными уровнями яркости. Это происходит в два  этапа, которые называются цифровая дискретизация и квантование, как  показано на рисунке 1. На первой картинке (рис.1,а) показано аналоговое изображение  миниатюрной молодой морской  звезды. На второй (рис.1,b) – результат  после дискретизации в двумерный массив. Далее (рис.1,c) мы видим, как уровни яркости в конкретных участках аналогового изображения записываются и преобразуются в целые числа. Этот процесс называется квантование. Целью является преобразование изображения во множество дискретных точек, которые содержат информацию о яркости или цветовых тонах, и могут быть описаны в виде цифровых данных в точном местоположении. В процессе дискретизации последовательно измеряется интенсивность участков изображения и формируется двумерный массив, содержащий маленькие прямоугольные блоки с информацией об интенсивности. После того, как процесс дискретизации закончен, преобразованные данные проходят квантование для определения цифровых значений яркости (от черного, через все оттенки серого, до белого) на каждом участке. В результате получается числовое представление интенсивности (которое часто называют элемент изображения или пиксель) для каждого участка изображения в матрице.

     Так как изображения в основном квадратных или прямоугольных размеров, то каждый пиксель, полученный после оцифровки, имеет определенные x и y координаты в декартовской системе координат. Координата x определяет горизонтальное положение или столбец, в котором  расположен пиксель, тогда как координата y определяет ряд или вертикальное положение. Принято, что пиксель  с координатами (0,0) находится в  левом верхнем углу матрицы, а  пиксель с координатами (158,350) будет  находиться на пересечении 158-го столбца  и 350-го ряда. Часто координату x называют номером пикселя, а координату y номером  ряда. Таким образом, цифровое изображение  является прямоугольной (или квадратной) матрицей из пикселей, которые отображают множество значений интенсивности  и структурированы в (x,y) системе  координат. В действительности изображение  существует только как большой ряд  цифр (или данных), которые воспринимаются компьютером и преобразуются  в цифровую картинку.

4. Яркость изображения и битовая разрядность (bit depth)

     Яркость (или световая яркость) цифрового  изображения – это величина уровней  интенсивности в пиксельной матрице  изображения, снятого цифровой камерой, или оцифрованного аналогово-цифровым преобразователем. Яркость нельзя путать с интенсивностью (более точный термин световая интенсивность), которая является величиной или количеством световой энергии, отраженной или переданной от объекта с помощью аналогового  или цифрового устройства. Яркость  – это величина уровней интенсивности  всех пикселей вместе, составляющих цифровое изображение, которое было снято, оцифровано и отображено на экране. Яркость  пикселей является очень важным элементом  цифровых изображений, так как это  единственная величина, которая используется техническими средствами обработки  изображений.

     После того, как объект был снят и разбит на части, каждый видимый элемент  представляется, как целое число (при условии, что изображение  было снято цифровой камерой) или  аналоговый уровень интенсивности  на пленке (или видео трубке). Независимо от метода съемки, изображение должно быть оцифровано, и непрерывная интенсивность, отображающая образец, преобразована  в числовые значения яркости. Точность цифровых значений на прямую зависит  от битовой разрядности устройства оцифровки. Если использовать только два  бита, то изображение будет представлено только четырьмя значениями яркости. Так  же, для трех и четырех бит, изображение  будет иметь соответственно 8 и 16 уровней яркости (см. рисунок 2). В любом случае, уровень 0 представляет черный цвет, тогда как верхние уровни (3, 7 или 15) относятся к белому, а каждый из средних – различные оттенки серого.

     

     Рис.2 Битовая разрядность в цифровых изображениях

     Черный, белый и серый уровни яркости  вместе составляют диапазон яркости  изображения. Чем больше уровней  серого цвета, тем больше битовая  разрядность и точность передачи сигнала в динамическом диапазоне (см. таблицу 1). К примеру, 12-битный цифровой преобразователь может отображать 4,096 оттенков серого и соответствует  динамическому диапазону в 72 дБ. В данном случае, динамический диапазон принято считать максимальным уровнем  сигнала с учетом шума, который  датчик CCD может передать изображению. Динамический диапазон также отражает вместимость сигнала и шумовые  характеристики датчика. Похожая терминология обычно используется, что бы описать  диапазон серых уровней, используемых для создания и отображения цифровых изображений, которые могут быть представлены гистограммой интенсивности. Цветные изображения состоят  из трех индивидуальных каналов (красный, зеленый и голубой), которые имеют  свои уровни яркости для каждого  цвета. Цвета комбинируются в  каждом пикселе, в результате чего получается готовое изображение.

     В компьютерной технологии, бит (bit –  сокращение от «binary digit») – это наименьшая единица измерения информации, работающий в двоичной системе исчисления (состоит  только из цифр 1 и 0). Байт состоит из последовательности 8 битов и может  хранить 256 целый значений (2*E8).  Аналогично, два байта (равны 16 битам или одному машинному слову) могут хранить 2*Е16 целых чисел в диапазоне от 0 до 65,535. Один килобайт (Kbyte или Кб) равен 1024 байтам, а в одном мегабайте (Mbyte или Мб) 1024 килобайт. В большинстве  электронных схем, бит относится  к состоянию транзистора или  конденсатора в ячейке памяти или  в магнитном домене на жестком  диске.

     Термин  битовая разрядность обозначает диапазон всех возможных уровней  яркости, используемых аналогово-цифровым преобразователем, что бы перевести  информацию в аналоговом изображении  к дискретному виду, в котором  компьютер смог бы ее считывать и  обрабатывать. К примеру, наиболее частые 8-битные цифровые преобразователи  имеют бинарный диапазон из 2*Е8 или 256 возможных значений (рисунок 2), тогда как 10-битный преобразователь имеет диапазон из 2*Е10 (1,1024) возможных значений, а 16-битный – 2*Е16 или 65,536. Битовая разрядность аналогово-цифрового преобразователя определяет размер шкалы яркости. При увеличении разрядности камера передает более широкий диапазон полезной информации.

     В таблице 1 изображена зависимость между  количеством бит, используемых для  хранения информации, количество уровней  яркости, и соответствующее значение динамического диапазона датчика (в децибелах; 1 бит приблизительно равен 6 дБ). Исходя из таблицы, при преобразовании 0.72 В видео сигнала в АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) с точностью в 1 бит, сигнал будет передан с двумя  значениями, 0 или 1 с напряжением 0 и 0.72 В. Большинство преобразователей в потребительских цифровых камерах  и простейших научных устройствах  используют 8-битный АЦП, который имеет 256 дискретных уровня яркости (от 0 до 255).  Максимальный сигнал в 0.72 В будет  поделен на 256 частей, каждая из которых  имеет значение в 2.9 мВ. 
 
 
 
 
 

Таблица 1. Битовая разрядность, уровни яркости и динамический диапазон датчика

      Количество  уровней яркости, необходимое для  достаточного визуального качества, должно быть таким, что бы человеческий глаз не смог различить соседние уровни. Как правило, глаз начинает отличать уровни яркости при уменьшении их на два процента от оптимального количества. В большинстве случаев, глаз может  различать около 50 дискретных оттенков серого на мониторе, поэтому предполагается, что минимальная разрядность  изображения должна быть от 6 до 7 битов (64 и 128 уровней яркости, см. рисунок 2).