Алгоритмы сжатия изображений
Вопросы для самоконтроля
- В чем разница между алгоритмами с потерей информации и без потери информации?
- Приведите примеры мер потери информации и опишите их недостатки.
- За счет чего сжимает изображения алгоритм JPEG?
- В чем заключается идея фрактального алгоритма компрессии?
- В чем заключается идея рекурсивного (волнового) сжатия?
- Можно ли применять прием перевода в другое цветовое пространство алгоритма JPEG? в других алгоритмах компрессии?
- Сравните приведенные в этой главе алгоритмы сжатия изображений.
Различия между форматом и алгоритмом
Напоследок несколько замечаний относительно разницы в терминологии, путаницы при сравнении рейтингов алгоритмов и т.п.
Посмотрите на краткий перечень форматов, достаточно часто используемых на PC, Apple и UNIX платформах: ADEX, Alpha Microsystems BMP, Autologic, AVHRR, Binary Information File (BIF), Calcomp CCRF, CALS, Core IDC, Cubicomp PictureMaker, Dr. Halo CUT, Encapsulated PostScript, ER Mapper Raster, Erdas LAN/GIS, First Publisher ART, GEM VDI Image File, GIF, GOES, Hitachi Raster Format, PCL, RTL, HP-48sx Graphic Object (GROB), HSI JPEG, HSI Raw, IFF/ILBM, Img Software Set, Jovian VI, JPEG/JFIF, Lumena CEL, Macintosh PICT/PICT2, MacPaint, MTV Ray Tracer Format, OS/2 Bitmap, PCPAINT/Pictor Page Format, PCX, PDS, Portable BitMap (PBM), QDV, QRT Raw, RIX, Scodl, Silicon Graphics Image, SPOT Image, Stork, Sun Icon, Sun Raster, Targa, TIFF, Utah Raster Toolkit Format, VITec, Vivid Format, Windows Bitmap, WordPerfect Graphic File, XBM, XPM, XWD.
В оглавлении вы можете видеть список алгоритмов компрессии. Единственным совпадением оказывается JPEG, а это, согласитесь, не повод, чтобы повсеместно использовать слова "формат" и "алгоритм компрессии" как синонимы (что, увы, можно часто наблюдать).
Между этими двумя множествами нет взаимно однозначного соответствия. Так, различные модификации алгоритма RLE реализованы в огромном количестве форматов. В том числе в TIFF, BMP, PCX. И, если в определенном формате какой-либо файл занимает много места, это не означает, что плох соответствующий алгоритм компрессии. Это означат, зачастую лишь то, что реализация алгоритма, использованная в этом формате, дает для данного изображения плохие результаты. Не более того.
В то же время многие современные форматы поддерживают запись с использованием нескольких алгоритмов архивации либо без использования архивации. Например, формат TIFF 6.0 может сохранять изображения с использованием алгоритмов RLE-PackBits, RLE-CCITT, LZW, Хаффмана с фиксированной таблицей, JPEG, а может сохранять изображение без архивации. Аналогично форматы BMP и TGA позволяют сохранять файлы как с использованием алгоритма компрессии RLE (разных модификаций!), так и без использования оной.
Можно пополнить перечень ситуаций некорректного сравнения алгоритмов. При сохранении абсолютно черного изображения в формате 1000х1000х256 цветов в формате BMP без компрессии мы получаем, как и положено, файл размером чуть более 1000000 байт, а при сохранении с компрессией RLE, можно получить файл размером 64 байта. Это был бы превосходный результат - сжатие в 15 000 раз(!), если бы к нему имела отношение компрессия. Дело в том, что данный файл в 64 байта состоит только из заголовка изображения, в котором указаны все его данные. Несмотря на то, что такая короткая запись изображения стала возможна именно благодаря особенности реализации RLE в BMP, еще раз подчеркнем, что в данном случае алгоритм компрессии даже не применялся. И то, что для абсолютно черного изображения 4000х4000х256 мы получаем коэффициент сжатия 250 тысяч раз, совсем не повод для продолжительных эмоций по поводу эффективности RLE. Кстати - данный результат возможен лишь при определенном положении цветов в палитре и далеко не на всех программах, которые умеют записывать BMP с архивацией RLE (однако все стандартные средства, в т.ч. средства системы Windows, читают такой сжатый файл нормально).
Всегда полезно помнить, что на размер файла оказывают существенное влияние большое количество параметров (вариант реализации алгоритма, параметры алгоритма (как внутренние, так и задаваемые пользователем), порядок цветов в палитре и многое другое). Например, для абсолютно черного изображения 1000х1000х256 градаций серого в формате JPEG с помощью одной программы при различных параметрах всегда получался файл примерно в 7 килобайт. В то же время, меняя опции в другой программе, я получил файлы размером от 4 до 68 Кб (всего-то на порядок разницы). При этом декомпрессированное изображение для всех файлов было одинаковым - абсолютно черный квадрат (яркость 0 для всех точек изображения).
Дело в том, что даже для простых форматов одно и то же изображение в одном и том же формате с использованием одного и того же алгоритма архивации можно записать в файл несколькими корректными способами. Для сложных форматов и алгоритмов архивации возникают ситуации, когда многие программы сохраняют изображения разными способами. Такая ситуация, например, сложилась с форматом TIFF (в силу его большой гибкости). Долгое время по-разному сохраняли изображения в формат JPEG, поскольку соответствующая группа ISO (Международной Организации по Стандартизации) подготовила только стандарт алгоритма, но не стандарт формата. Сделано так было для того, чтобы не вызывать "войны форматов". Абсолютно противоположное положение сейчас с фрактальной компрессией, поскольку есть стандарт "де-факто" на сохранение фрактальных коэффициентов в файл (стандарт формата), но алгоритм их нахождения (быстрого нахождения!) является технологической тайной создателей программ-компрессоров. В результате для вполне стандартной программы-декомпрессора могут быть подготовлены файлы с коэффициентами, существенно различающиеся как по размеру, так и по качеству получающегося изображения.
Приведенные примеры показывают, что встречаются ситуации, когда алгоритмы записи изображения в файл в различных программах различаются. Однако гораздо чаще причиной разницы файлов являются разные параметры алгоритма. Как уже говорилось, многие алгоритмы позволяют в известных пределах менять свои параметры, но не все программы позволяют это делать пользователю.