Formati e file grafici

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Formati e file grafici

• Memorizzare un’immagine su disco – per archiviazione

– per invio ad un altro utente

• Come si registrano i dati ? Quale formato utilizzare ? GIF, JPEG, ecc.

• Ciascun formato si preoccupa di definire – quali sono le informazioni necessarie – in che modo vengono memorizzate

Il formato raw

• Elenco valori numerici di ciascun pixel

• Un formato grafico di questo tipo è detto raw

• Sembra un modo semplice ed universale per descrivere un’immagine

Problemi con il formato raw

• Non si tratta di una rappresentazione assoluta

• Chi legge il file dell’immagine non conosce … – le dimensioni in pixel dell’immagine

– quanti bit per pixel

– cosa rappresenta un valore numerico

• Senza queste informazioni non si sa … – quando inizia o termina un pixel

– quando inizia o termina una linea

File grafici: esigenza di un formato

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00

00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 11 11 11 11 00

1 1 1 2 1 1 1 1 0 00 0 0

00 00 00 00 0 00 00 00 00 0 00 00 00 00 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 11 11 11 1 11 11 11 1 22 22 22 2 12 22 21 1

11 1 1 11 12 22 11 11 11 2

11 11 11 111 11 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 12

0

34 56 78 90 1

Immagine Quantizzata Immagine

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 2 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00000 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0000 0 0 0 11 11211110000 0 0 11 1222 11 10000 0 0 11 1222 1 11000 0 0 0 11 1222 1110000 0 0 11 122211 10000 0 0 11 11211 1 1000 0 0 0 11 11211 1 1000

Bitmap

15 x 12

Rendering (20 x 9) Rendering (15 x 12)

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Raw come formato implicito

• Implicito perché occorre conoscere alcune informazioni essenziali non contenute nel file

• Alternativa: inserire nel file le informazioni per l’interpretazione del contenuto

• File grafico con header – dati veri e propri

– insieme di specifiche per interpretare questi dati

File grafici con formato esplicito

• Esistono più di 200 formati di file grafici

• Le differenze esistenti tra questi formati sono di diverso tipo (solo formati bitmap)

– profondità di pixel – palette (esistenza e tipo)

– compressione dati (esistenza e tipo) – formati utilizzabili su una o più piattaforme – formati per applicazioni specifiche

Elementi di un file grafico

• Sequenza di strutture dati che forma il file grafico

• Tre categorie di strutture – field (campo)

– tag (etichetta) – stream (flusso)

Campo (field)

• Struttura di dati di dimensione fissa e posizione fissa nel file

• Dimensione fissata nelle specifiche del formato

• Posizione specificata come offset da un punto di riferimento (esempio: inizio del file)

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Etichetta (tag)

• Struttura dati la cui posizione e dimensione possono variare da un file ad un altro (specificate all’interno del file)

• I campi e le etichette facilitano l’accesso diretto ai dati (nota la posizione)

Flusso (stream)

• Costituito da pacchetti di dimensioni variabili

• Hanno significato per il programma che legge il file

• Inizio e fine di un flusso possono essere noti, mentre non lo sono per i pacchetti

• Un file organizzato a flussi deve essere trattato in modo sequenziale

Il formato grafico

• Si possono immaginare file fatti solo di campi, o solo di etichette, o solo di flussi, ma in genere sono misti

• I formati TIFF e TGA usano etichette e campi

• Il formato GIF usa campi e flussi

File bitmap

• I formati bitmap variano molto nei dettagli ma condividono la stessa struttura generale

• Un file bitmap è organizzato – componenti base

– componenti specifiche

• Componenti base presenti in tutti i formati di tipo bitmap

• Componenti specifiche dipendono dalla complessità del formato

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Componenti di base

• l’intestazione (header)

• i dati bitmap

• la coda (footer) (non sempre presente)

HEADER DATI BITMAP

FOOTER

Componenti specifiche

• la palette dei colori

• la tabella delle scan-line

• la tabella di correzione dei colori

• l’indice delle bitmap (immagini multiple)

File bitmap

FOOTER HEADER PALETTE INDICE BITMAP DATI BITMAP 1 DATI BITMAP 2

DATI BITMAP N HEADER ...

DATI BITMAP

PALETTE FOOTER

HEADER PALETTE TABELLA SCAN-LINE

TABELLA CORREZIONE

COLORI DATI BITMAP

Header (Intestazione)

• Dati binari o ASCII in genere all’inizio del file

• Informazioni sui dati bitmap nel file

• Formato da campi fissi (i più comuni):

– identificatore del file

– num. linee per immagine, num. pixel per linea – num. bit per pixel, num. di piani di colore – tipo di compressione

– origine X e Y dell’immagine – spazio utilizzato

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Organizzazione dei dati bitmap

• La parte più consistente di un file bitmap

• Esistono due metodi per organizzare i dati dei pixel di un’immagine:

– organizzazione di tipo scan line – organizzazione di tipo planare

Organizzazione scan-line

• Metodo più semplice

• Immagine formata da una o più scan line

• scan line = insieme di dati che rappresentano i pixel

• Se sono note la dimensione di ogni pixel e il num. di pixel per scan line, si può calcolare il punto di inizio di ogni scan line

• Alcuni formati impongono che le scan line debbano avere una lunghezza multipla di un numero pari di byte

Pixel organizzati in una scan line

Scan line 0 Scan line 1 Scan line 2

. . .

Pixel 0 Pixel 1 Pixel 2 Pixel 3

...

Organizzazione di tipo planare

• Separazione dati dell’immagine in due o più piani

• Immagine composta = immagine a più colori data da tre blocchi di dati bitmap (un blocco per ogni primario)

• Blocco costituito da righe, come nel modello scan line, e l’immagine è ricomposta combinando più blocchi

• Blocchi contigui oppure sparsi nel file

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Dati di pixel organizzati in piani

...

..

...

. Piano blu

...

..

...

. Piano verde

...

..

...

. Piano rosso

Pixel 0 Pixel 1

Pixel 2 Pixel 3

Pixel 4 Pixel 5

Pixel 6

Dati contigui, strip e tile

• Livello elementare = immagine come insieme di pixel

• Secondo livello = organizzare i pixel in scan line o piani di colore

• Terzo livello = organizzazione dei dati in un file in tre modi differenti:

– dati contigui – dati a strisce (strip) – dati a riquadri (tile)

Dati contigui

• Modo più semplice

• Organizzazione scan line in modo contiguo (una scan line dopo l’altra)

• Righe lette come memorizzate

• Dati organizzati in una griglia bidimensionale

• Conoscendo lunghezza scan line in pixel e il formato e la dimensione del valore di pixel in byte, si può associare un indice a ogni scan line

Dati a strisce (strip)

• Immagine formata da strisce costituite da scan line contigue

• Ogni striscia memorizzata separatamente nel file

• Segmentazione immagine facilita la gestione delle immagini con poca RAM

• Strisce comode per dati compressi

(decompressione può avvenire una strip per volta)

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Dati a riquadri (tile)

• Ogni tile descrive una zona rettangolare dell’immagine

• In genere, tutti i tile di un’immagine – hanno la stessa dimensione

– non si sovrappongono

– sono codificati con lo stesso schema

• Applicazione di diversi schemi di compressione alle diverse parti

• Decompressione di grandi immagini più veloce

Formati di file grafici

• Adobe Photoshop

• CGM

• Encapsulated Postscript

• GIF

• JPEG - JFIF

• Macintosh Paint

• Macintosh Pict

• Microsoft Paint

• Microsoft RIFF (.AVI, .WAV)

• Microsoft RTF

• Microsoft Windows Bitmap

• MPEG

• PCX

• PDF

• PNG

• QuickTime

• TGA

• TIFF

Adobe Photoshop (.PSD)

• Formato utilizzato dal programma Photoshop

• Tipo bitmap

• Può utilizzare diversi modelli di colore (RGB, CMY, ecc.)

• Compressione: Nessuna, RLE

• Sistemi: Macintosh, Windows

• Utilizzo: Applicazione Adobe Photoshop

• Commenti: Formato semplice ma ben congegnato, permette 2³²colori

GIF (Graphics Interchange Format)

• Tipo: Bitmap

• Colori: da 1 a 8 bit (LUT con trasparenza)

• Compressione: LZW

• Piattaforme: Macintosh, Windows, Unix

• Formato ben definito e molto diffuso

• Prop. Compuserve Inc. (GIF87a e GIF89a)

• Trasferimento di immagini su rete (interlace)

• GIF animate

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Microsoft Windows Bitmap

• Tipo: Bitmap

• Colori: 1-bit, 4-bit (con LUT), 8-bit (LUT), 24-bit

• Compressione: RLE, nessuna

• Piattaforma: Windows (ora anche Mac e Unix)

• Formato interno DIB (indipendenza device)

• Utilizzo: molto in Windows

• Organizzazione per scan line, dall’angolo in basso a sx

PNG (Portable Network Graphics)

• Formato potente e versatile per Internet

• Colore: TrueColor 48-bit e 24-bit (con correzione γ), Greyscale 16-bit, LUT 8-bit

• Compressione LZ77 (libera da diritti)

• tecniche di filtraggio numerico

• trasparenza alpha-channel (254 livelli); RGB+A

• metodo di interlacciamento molto efficace

• codici di autocontrollo per la verifica dei dati trasmessi

TIFF

(Tag Image File Format)

• Tipo: Bitmap

• Colori: B/N, Greyscale (4 a 8 bit), (LUT) fino a 24-bit

• Compressione: RLE, LZW, nessuna

• Piattaforma: Macintosh, Windows, Unix

• Utilizzo: ambiente professionale; forse formato bitmap più versatile (organizzazione dati indicata)

• Sviluppo: HP, Microtek, Aldus, Microsoft per scambio scanner/applicazioni (più versioni)

• Possibilità di memorizzare più immagini nello stesso file

CGM (Computer Graphics Metafile)

• Standard ISO per codifica di immagini, grafica vettoriale e raster, testo

• Informazioni in ASCII o codificate

• Tipo metafile

• Compressione: RLE, CCITT

• Commenti:

– Molto ricco di attributi e primitive per supportare esigenze grafiche in svariati campi

– Tante possibilità, molto difficile (std complesso)

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Macintosh Pict

• Tipo: Metafile

• Colori: fino a 24-bit

• Compressione: PackBit, JPEG

• Piattaforma: Macintosh

• Utilizzo: programmi di disegno

Macintosh Paint

• Tipo: Bitmap

• Colori: Monocromatico

• Piattaforma: Macintosh

• Utilizzo: Clip art, dump del video (copia del video), immagini monocromatiche

Microsoft Paint

• Tipo: Bitmap

• Colori: Monocromatico

• Piattaforma: Windows

• Utilizzo: disegno in bianco e nero, clip art

TGA

• Uno dei formati più diffusi per la memorizzazione delle immagini digitali

• Soprattutto per immagini digitalizzate direttamente da segnali video

• Colori: 8-bit, 16-bit, 24-bit, 32-bit

• I file di tipo TGA hanno normalmente estensione TGA in ambiente DOS e UNIX e TPIC in ambiente Macintosh

• Questo formato permette di memorizzare sia immagini a livelli di grigio che immagini a colori

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PCX

• Tipo: Bitmap

• Colori: Mono, 4-bit, 8-bit, 24-bit

• Piattaforma: Windows, Unix

• Utilizzo: è usato in diverse applicazioni di prodotti Microsoft Windows (è il formato di PC Paintbrush). È basato sulle strutture di dati bitmap interne di Windows

EPS (Encapsulated Postscript)

• Tipo: Page Description Language

• Colori: monocromatico

• Piattaforme: quasi tutte

• Dati sono codificati in un sottoinsieme del Postscript Page Description Language (PDL) e poi “incapsulati” nel formato EPS per poterli scambiare tra piattaforme.

• Utilizzati per la porzione grafica di un documento.

Postscript

• Linguaggio creato dalla Adobe per descrivere layout (formattazione) di testo, grafica vettoriale, e immagini bitmap su video o su carta

• Un tipico dispositivo di output per Postscript contiene un interprete per eseguire programmi Postscript (stampanti, macchine per

composizione, ecc.)

PDF

Portable Document Format

• Tipo: Metafile

• Piattaforme: quasi tutte

• Formato di Adobe

• Sorta di evoluzione del formato Postscript.

• Più efficiente nella memorizzazione

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Quick Time

• Tipo: dati audio/video

• Compressione: RLE, JPEG, altri

• Piattaforma: Macintosh, Windows

• Applicazioni; QuickTime

• Utilizzo: memorizzazione e scambio di informazioni in ambiente Macintosh e Windows

Quale tipo di codifica

• LZW, RLE: compressione 2:1 fino a 3:1 (rapporto inverso di compressione) su immagini naturali

• Immagine fotografica (35mm): 10/30 Mbyte

• Scansione del formato 10x15 a 600 dpi, 16 milioni colori

• Con TI00000000 00000000 o GIF: 3/10 Mbyte

• Ci vuole un altro approccio – Basato su trasformate – Frattali

– Wavelet

8x8 DCT JPEG

(Joint Photographic Expert Group)

• Lo standard JPEG

• Confusione sulle due sigle JPEG e JFIF – JFIF = JPEG File Interchange Format

– JPEG identifica il gruppo che ha definito lo standard di compressione che ha assunto lo stesso nome

• Più formati grafici che utilizzano la tecnica JPEG per la compressione di immagini

– JFIF

– TI00000000 00000000, versione 6

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Compressione JPEG

• Si applica sia a immagini a colori a 24 bit che a immagini a livelli di grigio

• Particolarmente indicato per immagini di tipo fotografico, che contengono scene reali

• Non è adatto a variazioni brusche di intensità e colore delle immagini artificiali (disegni con contorni molto netti)

JPEG

• Vantaggi

– ottenere immagini con elevati fattori di compressione che non perdono di qualità in fase di decompressione

– possibilità di scelta tra diversi livelli di qualità dell’immagine corrispondenti ad altrettanti gradi di compressione

• Compressione di tipo incrementale

– Ogni volta che viene modificata e salvata un’immagine in un formato che prevede questo tipo di compressione, l’immagine risultante è frutto di ulteriore compressione.

– quindi importante non ripetere troppe volte questi passaggi per non deteriorare eccessivamente l’immagine

Esempio

Rimozione di queste informazioni di crominanza

Frequenza di pixel che assumono le tre componenti RGB

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Originale (TIFF o GIF) JPEG buona qualità JPEG bassa qualità

Compressione e qualità finale

• 0,25-0,50 bit/pixel: qualità moderata-buona

– 96:1 -> 10/30 Mbyte -> 106/320 Kbyte -> 6280/2093 immagini su un CD-ROM

• 0,50-0,75 bit/pixel: qualità buona-molto buona

• 0,75-1,50 bit/pixel: qualità eccellente

• 1,50-2,00 bit/pixel: indistinguibile dall’originale