Grafički fakultet Sveučilišta u Zagrebu

Primjena digitalne fotografije u reprodukcijskim medijima

"UTJECAJ KOMPRESIJE NA KVALITETU SLIKE"

SEMINARSKI RAD

Nositelj kolegija: Izv. prof. dr. sc. Darko Agić Voditelj rada: Studenti: Dr. sc. Maja Strgar Kurečić Ante Andabak Ivan Gaura

Prosinac 2010.

Sadržaj  Uvod ...................................................................................................................................... 3 Formati u digitalnoj fotografiji .............................................................................................. 4 JPEG (Joint Photographic Experts Group) ............................................................................ 4 TIFF (Tagged Image File Format) ......................................................................................... 5 RAW ...................................................................................................................................... 5 JPEG, TIFF ili RAW? ............................................................................................................ 6 Što je sažimanje (kompresija) ............................................................................................... 7 Kompresija bez gubitaka (lossless compression) .................................................................. 7 Kompresija s gubicima (lossy compression) ......................................................................... 8 Metode kompresije ................................................................................................................ 9 Metode kompresije bez gubitaka ......................................................................................... 10 Metode kompresije s gubicima ............................................................................................ 11 Naši primjeri ........................................................................................................................ 13 Zaključak ............................................................................................................................. 20 Literatura ............................................................................................................................. 21 

Uvod  U današnjem svijetu računala i interneta okruženi smo multimedijom sa svih strana. Krenuvši od novina i časopisa, preko jumbo plakata i video reprodukcija do 3D televizora i monitora. Ali najjednostavniji, najbrži i naopširniji način izražavanja misli je putem fotografije. Razvojem digitalne fotografije dobili smo jednu veliku prednost, a to je sposobnost slikanja i brisanja istih fotografija gotovo momentalno, a ako poželimo, memoriramo ih u velikim količinama na memorijsku karticu. Neopreznim okidanjem slika kartice se često vrlo brzo napune slikama i memorija je puna. Kako bi mogli upravljati odnosom količine fotografije i preostale slobodne memorije na kartici, koristimo se sistemima kompresiranja slika i različitih postavki rezolucija. Te postavke nam pomažu i radi lakšeg memoriranja na računalu ili slanja preko e-mail-a. U ovom radu opisat ćemo tri osnovna formata slike i čemu one služe. To su TIFF , RAW i JPEG. Koji format je bolji, a koji lošiji i zašto. Pomoću njih određujemo da li ćemo slike spremiti radi daljne kvalitetne obrade slike u jednom formatu ili radi pohrane što većeg broja fotografija optimalne kvalitete u drugom formatu.

Formati u digitalnoj fotografiji 

Digitalni foto aparati koriste najčešće tri formata zapisa slike: JPEG, TIFF i RAW. Svaki od ovih formata ima svoje prednosti i nedostatke, a opisat ćemo ih u tekstu koji slijedi.

JPEG (Joint Photographic Experts Group)  JPEG je najčešći format, za pohranu slika, koji koriste današnji digitalni fotoaparati. Ovaj format posebno je dizajniran kako bi se smanjila veličina slika fotografskog tipa. Pruža dobar kompromis između kvalitete slike i veličine datoteke, a slike ovog formata pogodne su za korištenje u svakodnevnim aplikacijama. Oni koji koriste kompaktne fotoaparate mogu koristiti jedino JPEG, ali i mnogi korisnici dSLR-a često koriste JPEG zbog toga što im ovaj format daje kavalitetu slike koja je na dovoljno visokoj razini. Dapače, što se tiče oštrine, jako teško je uočiti razliku između JPEG slike najviše kvalitete i slike pohranjene u TIFF ili RAW formatu. U mnogim programima za uređivanje slike, naći ćemo raspon koji pokazuje spektar kvalitete od, npr. 0 do 10 ili 0 do 15. Ponekad, jedostavniji pogrami za uređivanje slika nam nude opcije kvalitete - Low(niska), Medium(srednja) ili High(visoka). Ovo su samo različiti načini kojima korisnik određuje, pomoću algoritma, kolika je količina informacije koja će se odbaciti. Mnogi digitali fotoaparati, s druge strane, ograničavaju korisnike sa postavkama kvalitete nazivima kao Standard, Fine, Extra Fine, Super Fine, i tako ne mogu točno odrediti kolika kvaliteta JPEG-a koresponditra kojem nazivu. Imena za postavke kvalitete nisu standardizirana, i praktički postavke na jednom aparatu ne moraju nužno odgovarati kvaliteti na drugom aparatu pri istim postavkama kvalitete. Najčešće, kod većine SLR fotoaparata, nećemo naći više od tri načina kompresiranja JPEG-a. Neki Nikon fotoaparati, na primjer, nude Fine, Normal i Basic postavke. Ako vas brine kvaliteta slike, i želite koristiti JPEG, trebali bi uvijek koristiti najbolje JPEG postavke, ili alterirati između JPEG- i TIFF-a ili RAW-a. Ponekad će vaša odluka o postavkama ovisiti i o količini memorijskog prostora koji vam je na raspolaganju. Ako snimamo na područjima gdje nam je računalo uvijek dostupno, zgodno je snimati u RAW formatu, ali ako smo, na primjer, na putovanjima i nemamo mogućnost stalnog prebacivanja fotografija na računalo, a s time i oslobađanja mamorijskog prostora memorijske kartice, tada koristimo JPEG format.

TIFF (Tagged Image File Format) 

TIFF format podržava kompresiju podataka bez gubitaka ali može pohranjivati i nekompresirane podatke. To je format za ispis i tisak visoke definicije boja. Neki digitalni fotoaparati imaju mogućnost obrade i zapisa u TIFF formatu. TIFF predstavlja standard u grafičkoj industriji. Najveća prednost TIFF-a je što se, kao i JPEG može koristiti na svim računalnim platformama i svim programima za obradu fotografija. To je format u kojem su fotografije obrađivane prema postavkama na fotoaparatu (kontrast, zasićenje boja, oštrina, balans bijeloga itd.), pa su nepovratno izgubljeni izvorni podaci koje je senzor fotoaparata zabilježio. TIFF datoteke su najveće od ova tri formata i stoga TIFF nije nimalo praktičan za uobičajene uporabu. Memorijske kartice postaju premalene vrlo brzo, a i obrada na računalu je sporija.

Postoje i mnogi drugi formati zapisa digitalnih slika, no u digitalnim fotoaparaatima ova tri formata su uobičajena. Mnogi kompaktni fotoaparati nemaju mogućnost RAW i TIFF zapisa, no većina ih ima mogućnost odabira kvalitete i rezolucije JPEG-a. U današnje vrijeme nižih cijena memorijskih kartica poželjno je fotografirati na najvišim nivoima kvalitete. Mngi fotoaparati imaju mogućnost kombiniranja zapisa JPEG+RAW, što može biti vrlo praktično jer se važnije fotografije ostavljaju u RAW formatu, a one manje važne u JPEG-u, pa to smanjuje opterećenje memorijskog prostora i pridonosi brzini.

RAW  RAW je format u kojemu fotoaparat bilježi sve podatke koje je digitalni senzor zabilježio (“RAW” znači sirov. To su neprocesirani podaci). Kada nam je potrebna najveća moguća kvaliteta koju nam može zabilježiti naš fotoaparat fotografiramo u RAW formatu. Najveći nedostatak RAW-a je što nije univerzalni format već zahtjeva posebne računalne programe za obradu. Svi proizvođači fotoaparata daju i besplatne inačice programa za obradu, no kod nekih su to samo varijante programa sa smanjenim mogućnostima, što je i pored toga dovoljno za obradu i za višu kvalitetu od JPEG-a. Na tržištu postoji čitav niz programa za obradu RAW datoteka. Tehnologija napreduje i svaka nova inačica računalnog programa izvlači sve više podataka iz sirove RAW datoteke, pa ne iznenađuje činjenica da suvremeni RAW pretvarači mogu “izračunati” ljepše fotografije s manje šuma i više detalja.

JPEG, TIFF ili RAW?  U slijedećim tablicama, izravnom usporedbom, pokazat ćemo prednosti i nedostatke, te razlike u kompresiji navedenih formata.

FORMAT PREDNOSTI NEDOSTACI RAW  • Omogućuje 

potencijalno najbolju kvalitetu 

• Korisnik može upravljati procesom konverzije 

• Koristi kompresiju bez gubitaka 

• Zauzima više prostora od JPEG‐a 

• Spor kod spremanja i čitanje na karticu i s kartice 

• Zahtijeva dotatan korak u procesiranju 

• Potraban poseban program za konverziju 

TIFF  • Koristi kompresiju bez gubitaka 

• Zauzima više prostora od JPEG‐a 

• Spor kod spremanja i čitanje na karticu i s kartice 

 

JPEG  • Zauzima malo memorijskog prostora 

• Stupanj kompresije može se podesiti 

• Brz kod spremanja i čitanje na karticu i s kartice  

• Koristi kompresiju s gubitcima 

• Ponavljano spremanje nakon obrade, sliku može dodatno degradirati 

Tablica 1. Prednosti i nedostatci formata Usporedba formata 

JPEG (Fine) 

 

JPEG (Normal) 

 

JPEG (Basic) 

 

TIFF  

RAW  

RAW (Kompresiran) 

 Primjer 1  2997 Kb  1555 Kb  782 Kb  17708 Kb  9777 Kb  5093 Kb 

 Primjer 2  2466 Kb  1575 Kb  748 Kb  17712 Kb  9776 Kb  4275 Kb

 Tablica 2. Usporedbe kompresija različitih formata

Što je sažimanje (kompresija)  Sažimanje ili kompresija slike omogućava smanjenje veličine datoteke prilikom pohrane. Digitalna se slika pohranjuje kao i svaka druga računalna datoteka, no zbog velike količine podataka razvijeni su različiti sustavi za smanjivanje datoteke prilikom pohrane. Takvo smanjivanje datoteke naziva se kompresija ili sažimanje. Prilikom kompresije ne mijenja se broj piksela koji tvore sliku, samo se mijenja način na koji se slika priprema za pohranu. Neki od tih procesa ne utječu na kvalitetu slike, a neki utječu. Slika se dakle može kompresirati bez gubitaka i uz gubitke. To prvenstveno ovisi o formatu slike, tako se TIFF format može kompresirati bez gubitaka, dok se JPEG format kompresira uz gubitke. Ovo su ujedno uz RAW datoteke jedini formati u digitalnoj fotografiji koje generira digitalni foto aparat pa ostale formate sada nećemo niti spominjati. Iako se TIFF i RAW formati prilikom pohrane mogu kompresirati niti jedan digitalni foto aparat to ne radi, ti formati sa kompresijom ili bez kompresije prilikom spremanja fotografija zauzimaju više mjesta na memorijskoj kartici od JPEG formata. Pogledajmo kako to izgleda za sliku veličine 5 megapiksela:

TIFF RAW JPEG 14,0 MB 7,7 MB 2,2 MB

razlike su jako velike, pogotovo kad se uzme u obzir da je ovo podatak za JPEG s najmanjim stupnjem kompresije. Novi korisnici digitalnih foto aparata često postavljaju ovakva pitanja: na aparatu imam super fine, fine i normal postavke (ili SHQ, HQ i SQ postavke), da li se kod razvijanja primjećuje razlika? Ili zašto kod fotografiranja aparat pokaže da na kartici ima mjesta za 16 fotografija, a često ih stane manje ili više. Sva su ova pitanja naravno vezana isključivo uz JPEG formate. JPEG ili JPG format je format kod kojeg se javlja određeni gubitak kvalitete prilikom kompresije, ali taj gubitak kontrolirate vi. U računalima se kvaliteta može odrediti između 0 i 100%; 0% najlošija kvaliteta slike odnosno najveći gubitak, ali i najveći stupanj kompresije; 100% najbolja kvaliteta slike odnosno najmanji gubitak kod kompresije. U nekim se programima kvaliteta određuje u koracima od 1 – 12 gdje broj 12 odgovara najvišoj kvaliteti odnosno najmanjem stupnju sažimanja. U digitalnim foto aparatima najčešće postoje samo tri stupnja kompresije i tri stupnja kvalitete, već spomenuti Super Fine, Fine i Normal postavke (ili SHQ, HQ i SQ postavke). Kod različitih proizvođača ti nazivi predstavljaju različite stupnjeve kompresije pa ih je teško direktno uspoređivati.

Kompresija bez gubitaka (lossless compression)  Kompresija bez gubitaka se koristi uvijek kada je potrebno kvalitetu slike zadržati na najvišem nivou. Stupanj kompresije će biti limitiran, metoda kompresije bez gubitaka ne

postiže omjer kompresije veći od 2:1 (tj., veličina kompresirane slike će biti duplo manja od veličine orginala) i količina kompresije će također ovisiti i o sadržaju orginala. Uglavnom, što su detalji, koji se nalaze na slici, finiji to će količina kompresije bez gubitaka biti manja. Primjere kompresije možemo vidjeti na slikama dolje. Slike sa različitim detaljima na sceni će kompresirati sadržaj na različite veličine.

INICIJALNA VELIČINA SVI SLIKA JE 17.8MB SVE SLIKE SU KOMPRESIRANE BEZ GUBITKA KORISTEĆI TIFF LZW

KOMPRESIJU

a) Kompresirana slika=12.3MB b) Kompresirana slika=8.7MB

c) Kompresirana slika= 7.7 MB Ako će slika ići na printanje, tada je najbolje takvu sliku sačuvati kao datoteku bez gubitaka. Jedina iznimka se odnosi na novine, gdje se kvaliteta slike žrtvuje zbog brzine i jednostavnosti tiskanja. Jedno od pravila primjene kompresije je ono da se sliku koju je potrebno obraditi (editirati) uvijek treba spremati kao format bez gubitaka. Formati kod kojih se koristi kompresija bez gubitaka su RAW, TIFF, PNG i JPEG 2000. Ako je potrebno sliku arhivirati, tada je vrlo važno održati kvalitetu slike pa se takva slika pohranuje u TIFF ili RAW formatu.

Kompresija s gubicima (lossy compression)  U određenim situacijama potrebno je spremiti sliku sa nešto većom kompresijom pa tada dolazi i do smanjenja kvalitete slike, to je razlog zašto je JPEG format gotovo uvijek prisutan kod digitalnih fotoaparata. Metoda kompresije sa gubicima radi na principu da su

d) Kompresirana slika= 6.9MB

neke informacije na slici manje važne, ili da su izvan granica ljudskog vizualnog sustava, te se takve informacije na vrlo pametan način miču. Tako obrađena slika ima još uvijek dovoljno informacija za kvalitetnu rekonstrukciju slike. Ove metode se ponekad nazivaju percepivnim bez gubitaka, što znači da se do određene točke, rekonstruirana slika, neće razlikovati od orginala, zato što su razlike tako suptilne (slika ispod).

a) Orginal b) Kompresija orginala 10:1 Najčešća uporaba metode kompresije slike sa gubicima, JPEG, omogućava korisniku podešavanje kvalitete na temelju vizualne kvalitete slike. Moguć je omjer kompresije 100:1, gdje je gubitak kvalitete usko povezan sa smanjenjem veličine datoteke.

Metode kompresije  Metode se mogu podijeliti na one koji se koriste u procesu kompresije s gubicima i na one koje se koriste u procesu kompresije bez gubitaka. U tekstu koji slijedi opisat ćemo neke od važnijih metoda.

Metode kompresije bez gubitaka 

Ove metode osiguravaju identičnost dekompresirane i izvorne slike. Ovo je vrlo važno u nekim područjima, npr. u medicini gdje je osim visoke razlučljivosti potrebno i osigurati nepromjenjeno arhiviranje slika, što je i zakonski regulirano.

Run-length kodiranje

To je vrlo jednostavna metoda koja koristi činjenicu da su u mnogim datotekama česti nizovi istih vrijednosti (npr. jako korelirane slike). Ovaj algoritam provjerava datoteku, te ubacuje specijalne znakove (engl. ‘token’) svaki put kad naiđe na niz od dva ili više jednakih znakova.

Lako se implementira, softverski ili hardverski, vrlo je brzo, lako se provjerava, ali ima

Ovaj algoritam je razvio D.A.Huffman i temelji se na činjenici da se neki znakovi pojavljuju češće nego neki drugi. Na toj osnovi algoritam izgrađuje težinsko binarno stablo (na osnovu frekvencije pojavljivanja pojedinih znakova). Svakom elementu tog stabla pridružuje se nova kodna riječ određena pozicijom znaka u stablu. Najčešće ponavljani znak postaje korjen stabla i njemu se pridružuje najkraća kodna riječ, dok kodna riječ najrjeđe ponavljanog znaka može biti i dvostruko duža od samog znaka. Omjer kompresije iznosi oko 1 : 2 za nekorelirane slike, za tipične slike omjer kompresije iznosi oko 1 : 1.2 do 1 : 2.5.

ograničene kompresijske mogućnosti.

Huffman kodiranje

a tome

en simbol za čnik

(nizovi znakova = simbol) budući da je riječnik sadržan u koderu i dekoderu. Omjer kompresije iznosi do 1 : 8 za prosječne slike, relativno su problematični za implementaciju budući da sadrže tablice koje rastu s izvođenjem algoritma.

Entropijsko kodiranje

Najčešće se koristi pristup J.Ziv/Lempel (tzv. Lempel/Ziv ili LZ) koji se zasniva nda koder i dekoder sadrže jednak riječnik metasimbola od kojih svaki predstavlja cijelu sekvenciju ulaznih znakova. Ako se sekvencija ponovi nakon što je pronađnju, onda se ona zamjenuje tim simbolom. Kodirani podaci ne trebaju sadržavati rije

Kodiranje područja

To je poboljšana verzija run-length kodiranja koja iskorištava dvodimenzionalnu karakteristiku slika. Algoritam pokušava pronaći pravokutne regije jednakih karakteristika koje se zatim kodiraju u opisnoj formi kao elementi s dvije točke i određenom strukturom. Cijela slika treba biti opisana da bi se omogućilo dekodiranje bez gubitaka. Moguće performanse temelje se na vrlo kompleksnom problemu pronalaženja najvećih područja jednakih karakteristika. Vrlo je efikasan način kodiranja, ali zbog svoje nelinearnosti onemogućuje hardware-sku implementaciju, te je relativno spor.

Metode kompresije s gubicima 

Ove metode sastoje se od tri komponente :

• modeliranje slike (definicija transformacije koja se koristi) • kvantizacija parametara (kvantizacija podataka dobivenih transformacijom) • kodiranje

Prvi dio, modeliranje slike, usmjeren je na iskorištavanje statističkih karakteristika slike (npr. korelacija). Prvi dio, modeliranje slike, usmjeren je na iskorištavanje statističkih karakteristika slike (npr. korelacija). Pokušava se da što manji broj koeficijenata u transformiranoj domeni sadrži što veći dio informacija originalne slike, ova faza najčešće ne rezultira nikakvim gubitkom informacija. Cilj kvantizacije je da smanji količinu podataka potrebnu za predstavljanje informacija u novoj domeni. Kod kvantizacije u većini slučajeva dolazi do gubitka informacija. Kodiranje optimizira reprezentaciju informacija, te se može unijeti detekcija grešaka. Performanse algoritama za kodiranje s gubicima se najčešće izražavaju preko dva faktora :

1. faktor kompresije 2. distorzija proizvedena nakon rekonstrukcije

Prvi faktor je objektivan, dok drugi uvelike ovisi o samom izboru slike. Danas se najčešće koristi transformacijsko kodiranje kao što je npr. JPEG budući da postoje već neki oblici standardizacije procesa.

Naši primjeri  Fotoaparat - Nikon D80 Objektiv - Tamron SP AF17-50mm F/2.8xr LARGE - 3872x2592-10,0M; F10; 1/60 Slika 1 - RAW - 8.31MB Slika 2 - JPEG FINE - 3.7MB Slika 3 - JPEG NORMAL - 2.6MB Slika 4 - JPEG BASIC - 0.8MB MEDIUM - 2896x1944-5,6M; F10; 1/60 Slika 5 - JPEG FINE - 2.28MB Slika 6 - JPEG NORMAL - 1.44MB Slika 7 - JPEG BASIC - 0.5MB SMALL - 1936x1296-2,5M; F10; 1/60 Slika 8 - JPEG FINE - 1.14MB Slika 9 - JPEG NORMAL - 0.7MB Slika 10 - JPEG BASIC - 0.3MB

Slika 1

Slika 2

Slika 3

Slika 4

Slika 5

Slika 6

Slika 7

Slika 8

Slika 9 Slika 10

Large, jpeg, fine - 300x Large, jpeg, basic – 300x Medium, jpeg, fine – 400x Medium, jpeg, basic – 400x

Small, jpeg, fine – 500x Small, jpeg, basic – 500x

Zaključak U ovom radu smo prikazali tri osnovna formata. I zaključili smo da je: JPEG – najoptimalniji format kvalitete i „težine“. Korisnici svih fotoaparata ga

najčešće koriste. Najviše se koristi kod kompaktnih jer većina niti nema RAW ili TIFF format.

TIFF – format koji podržava kompresiju podataka bez gubitaka ali može

pohranjivati i nekompresirane podatke. To je format za ispis i tisak visoke definicije boja. Nezahvalan jer je „najteži“ format od sva tri navedena.

RAW – format u kojemu fotoaparat bilježi sve podatke koje je digitalni senzor

zabilježio. Najčešće ga koriste fotografi sa SLR uređajima jer je najbolji za daljnu obradu slike na računalu. U našem malom pokusu slikanja više istih fotografija sa različitim postavkama mi smo i dokazali ono što nam kaže teorija. Mala je razlika između slika iste veličine, istog formata a različite kompresije, ali je velika razlika između velike slike sa malom kompresijom i male slike sa velikom kompresijom. Dolazi do zamućenja slike, zrnatosti i sveopćeg pada kvalitete, ali to je tek vidljivo na većem zoom-u. To nam dokazuje da za svakodnevnu upotrebu su nam dovoljne i slike lošijih postavki jer će kvaliteta biti dovoljna, a količina slobodne memorije biti će višestruko veća sa istim brojem spremljenih fotografija.

12BLiteratura  1. http://spvp.zesoi.fer.hr/seminari/1999/ks/ks.htm, 10.12.2010. 2. http://www.fotografija.hr/jpeg-jpg-raw-tiff/931/, 10.12.2010. 3. M. Langford (7th Edition, 2008), Advanced photography, Focal Press, USA 4. M.Langford, P.Andrews(5th Edition, 2007), Langford’s Starting Photography The guide to great images with digital or film, Focal Press, USA 5. David D. Busch, Mastering Digital SLR Photography, Thomson Course Technology PTR, USA 6. http://en.wikipedia.org/wiki/JPEG, 10.12.2010.