Владимир Вуль - Электронные издания
✓ возможность хранения нескольких изображений в одном файле и их представление в форме анимационного GIF-файла;
✓ малый размер файлов благодаря использованию мощного алгоритма сжатия без потерь.
Изображение записывается в этом формате с использованием RGB-цветовой модели и данных встроенной в файл палитры индексированных цветов. К сожалению, серьезным ограничением для этого формата является малая глубина цвета, не превышающая 8 бит на пиксел. Важное достоинство этого формата состоит в том, что он позволяет хранить в одном файле несколько изображений. Современная версия GIF89a решила проблему обработки таких изображений, размещенных в одном файле, с помощью дополнительно включенного в файл блока управления графикой. Этот блок позволяет программе просмотра организовать взаимодействие каждого последующего изображения с текущим, что и обеспечило создание широко распространенных анимационных GIF-файлов. Структура анимационного GIF-файла и взаимодействие хранимых в нем различных изображений подробнее рассмотрено в разд. 3.5.1. Там же мы остановимся на структурной организации файлов этого типа. Графические данные в формате GIF могут храниться как последовательно, строка за строкой, так и с различными вариантами чередования строк. В последнем случае рисунок первоначально может создаваться, например, на основе 1/8 части от общего описания, а в дальнейшем к нему добавляются все новые строки, и изображение постепенно "прорисовывается" все четче и четче.
Растровый формат с глубиной представления цвета до 48 бит и с использованием той же самой RGB-модели создан специальной группой разработчиков и получил название PNG (Portable Network Graphic – переносимый сетевой формат), что произносят как "пинг". Формат PNG изначально планировался как замена формату GIF, но с улучшенными возможностями представления цвета. Он, как и GIF, поддерживает чередование строк и ускоренную начальную загрузку файла. В нем используется еще более эффективный алгоритм сжатия информации. Кроме того, в формате поддерживается режим полупрозрачных корректирующих слоев, аналогичный используемым в векторном AI (Illustrator) и растровом PSD (Photoshop) форматах графических пакетов фирмы Adobe. Единственное ограничение формата PNG по сравнению с GIF состоит в его непригодности для хранения в одном файле нескольких изображений и, вследствие этого, отсутствии анимационных возможностей.
Рассмотренные выше графические форматы содержали внутреннюю компрессию без потерь информации. Еще один формат, который относят к числу наиболее употребительных, характеризуется регулируемой величиной сжатия в зависимости от допустимой потери качества изображения. Этот формат разработан объединенной группой экспертов в области фотографии JPEG (Joint Photographic Experts Group) и назван аббревиатурой JPEG (расширение файлов, созданных в этом формате – JPG) . Этот формат также растровый с глубиной цвета, равной 24 битам. Преимущественно используется цветовая модель HSL (Hue-Saturation-Lightness или ОттенокНасыщенность-Яркость). Алгоритм сжатия, используемый в таких файлах, носит названия "алгоритм сжатия JPEG". Он был описан ранее в этом же разделе в качестве примера технологии сжатия с потерями в графических файлах. Различные его варианты использованы также при организации сжатия видеоданных (см. разд. 3.5).
Графические программы, которые позволяют хранить данные в этом формате, обычно выводят специальную линейку, на которой устанавливается значения параметра качества, изменяющегося в пределах от 0 до 10 (см. рис. 3.6). Одновременно с непрерывным изменением коэффициента качества на линейке появляется дискретный параметр качества в форме целого числа в поле ввода Качество , а рядом в раскрывающемся списке расположена соответствующая характеристика этого параметра. При значении от 0 до 4 качество "Низкое", от 5 до 7 – "Среднее", 8 и 9 – "Высокое" и от 10 до 12 – "Максимально". На рисунке значение коэффициента качества равно 6 и качество "Среднее". При сохранении изображения можно установить переключатель Разновидность формата в положение Progressive , при котором величина чередования строк устанавливается в пределах от 3 до 5, что обеспечивает быструю начальную загрузку изображения низкого качества в сетевых структурах.Рис. 3.6. Диалоговое окно для установки параметров файла в формате JPEG
Используемый в формате JPEG подход "сжатие с потерями" частично идентифицирует и удаляет ту информацию, которая несущественна для восприятия изображения. Лишь при сжатии изображения с резко выраженными контурами линии начинают "дрожать". При высоких значениях коэффициента качества изображения этот эффект не проявляется. Возможно, в дальнейшем появится вариант формата с избирательной установкой коэффициента качества для различных фрагментов изображения, что позволит достигнуть высокого качества при очень высоких коэффициентах сжатия. В заключение этого раздела следует отметить последовательность графических форматов в порядке убывания их популярности (или частоты применения) для электронных изданий и документов: GIF, JPEG, PNG, TIFF.
3.4. Форматы представления аудиофайлов
В этом разделе речь пойдет о цифровых форматах файлов, предназначенных для хранения звука. Иначе говоря, – о хранении оцифрованного звука. Напряжение, передаваемое по телефонным каналам и несущее звук, представляет собой аналоговый сигнал достаточно сложной формы. Чтобы преобразовать такой сигнал в цифровую форму необходимо выполнить последовательно две операции: дискретизацию и квантование. Дискретизация состоит в периодическом измерении значений напряжения (на рис. 3.7 дискретизация сигнала производится в моменты времени t1,.., t4,..), а квантование – в преобразовании аналоговых значений в дискретный цифровой код. На рисунке показан пример 3-разрядного квантования аналогового сигнала, при котором имеется 23 = 8 уровней квантования. Соответственно на качество оцифрованного звукового сигнала оказывают влияние 2 фактора: частота дискретизации и разрядность цифрового кода, получаемого при квантовании. При увеличении частоты дискретизации и разрядности кода качество оцифрованного звука улучшается, но пропорционально возрастает объем информации, которая должна хранится в файле. Таким образом необходимо найти компромиссное решение между качеством и размерами файла.
Рис. 3.7. Дискретизация и квантование аналогового звукового сигнала
Частоту дискретизации определить достаточно просто. В соответствии с теоремой Котельникова частота дискретизации должна быть вдвое больше максимальной частоты спектра звукового сигнала. Принятая в настоящее время частота дискретизации для аудио-CD составляет 44100 Гц, т. е. максимальная воспроизводимая частота звукового спектра составляет 20050 Гц, что превышает диапазон звуков, воспринимаемых ухом человека. Это обеспечивает идеальное звучание таких устройств. Частота дискретизации в телефонных сетях составляет 8000 Гц, что более чем в 2 раза превышает полосу пропускания телефонного канала, равную 3000 Гц.
Количество уровней или разрядность квантования характеризует точность передачи уровня звукового сигнала. Действительно, при 256 уровнях квантования или представлении уровня звука с помощью 8 бит информации, величина погрешности квантования равна половине расстояния между соседними уровнями, так как именно с этой точностью значение электрического напряжения может быть преобразовано в цифровой код (при том условии, что наименьшему уровню сигнала, обозначенному min на рис. 3.7, соответствует цифровой код 000000002 или 00h, а наибольшему, обозначенному max, – 111111112 или 0ffh в 16-ричной форме представления), т. е. отнесено к одному из двух соседних уровней, между которыми находится реальное значение сигнала.
Нетрудно сообразить, что при частоте дискретизации в 44100 Гц и квантовании каждого такого уровня 16 двоичными разрядами (65536 уровней квантования) хранение 1 минуты цифрового аудио потребует около 5 Мбайт информационного пространства, а 30 минут стереозвучания – около 300 Мбайт.
Закодированные описанным способом цифровые аудио-данные характеризуются значительной избыточностью, т. е. они могут быть упакованы, а затем восстановлены без всякой потери качества. Однако применение для сжатия цифрового аудио архиваторов обычного типа, таких как ARJ или ZIP позволяет сжать исходный файл лишь приблизительно на 20%, т. е. такое сжатие является неэффективным.
Основная идея сжатия аудиосигнала с потерями – пренебрежение теми фрагментами звука, которые лежат вне пределов восприятия человеческого уха. Первая такая возможность определяется маскирующим эффектом, в соответствии с которым сильные звуки приводят к невосприимчивости уха к слабым звукам в том же самом частотном диапазоне. Поэтому слабые звуки можно кодировать с малым количеством уровней, в результате чего сокращается количество информации, используемое при кодировании звука.
