Primjena digitalne fotografije u reprodukcijskim medijima

Katedra za grafički dizajn i slikovne informacije Grafički fakultet Sveučilišta u Zagrebu

UTJECAJ KOMPRESIJE NA KVALITETU SLIKE SEMINARSKI RAD

Nositelji kolegija i voditelj rada: Ime i prezime studenata:

Dr. sc. Maja Strgar Kurečić, doc. Tihana Banović

Matija Jakupić

Nikolina Keleš

Krešimir Korpar

prosinac, 2015.

SADRŽAJ

1. Uvod .................................................................................................................... 1

2. Teorija .................................................................................................................. 2

2.1. Digitalna fotografija ....................................................................................... 2

2.2. Formati .......................................................................................................... 3

2.3. Vrste kodiranja .............................................................................................. 4

3. Istraživanje .......................................................................................................... 7

3.1. Hipoteze ........................................................................................................ 7

3.2. Rezultati ........................................................................................................ 7

4. Zaključak ........................................................................................................... 12

5. Izvori .................................................................................................................. 13

1

1. Uvod

Kompresija slika se odnosi, između ostalog, na digitalne fotografije koje se

zapisuju u binarnom obliku na najosnovnijoj razini te ih je time kao i sve druge

računalne podatke moguće podložiti smanjenju, tj. pojednostavnjenju, u svrhu

smanjivanja prostora ili memorije koji zauzimaju na jedinici za pohranu digitalnih

podataka (hard disk, USB, memorijska kartica itd.). Ovisno o načinu na koji se neki

podatak pretvara u binarni oblik, dobiva se određeni format tih podataka.

Za pohranu fotografija koristi se mnogo različitih načina pretvorbe boja i oblika u

binarne brojeve zbog čega postoji raznoliki broj formata zapisa slike. Ovisno o

formatu, on može koristiti kompresiju podataka i može biti ili s gubitnikom (lossy) ili

bez gubitka (lossless). Najčešći formati slik su JPG, TIFF, RAW, GIF, PNG, a za

fotografije se najčešće koriste RAW i JPG.

Pretvorba bez gubitaka podataka naziva se još i nezaboravno sažimanje i pri

takvoj pretvorbi svi podaci u izvornoj slici ostaju sačuvani nakon sažimanja. Takva

fotografija ili slika je pri pohrani sačuvala sve svoje dijelove i ništa nije izgubila na

kvaliteti.

Pretvorba s gubitkom dijela podataka naziva se i zaboravno sažimanje. Pri

takvoj pretvorbi se dio podataka nepovratno gubi. Takvim postupkom se narušava

kvaliteta slike i njen izgleda, no dobiva se zapis koji zauzima puno manje memorije.

Što je više narušena kvaliteta slike, to je zapis manji. Kod pretvorbe u binarni oblik

može se izabrati optimalan omjer kvalitete izgleda slike i veličine njenog zapisa.

Kod fotografiranja, već u samom fotoaparatu se možemo odlučiti želimo li da se

nakon ekspozicije spremi neobrađena, sirova fotografija u RAW formatu, ili ćemo

dopustiti procesoru fotoaparata da ju kompresira s minimalnim gubitkom kvalitete, a

velikom razlikom u zauzetoj memoriji.

2

2. Teorija

2.1. Digitalna fotografija

Za razliku od tradicionalnih fotografija, digitalne su sačinjene od piksela, što

odmah znači da njihov prikaz uvelike ovisi o hardwareu s kojeg se promatraju. Piksel

je engleska riječ, skraćenica za picture element, tj. dio slike. Danas on može biti

prikazan sa 256 boja, kroz RGB sustav. (Slika 1.)

Veličina slika izražava se kroz količinu piksela u jednom horizontalnom i jednom

vertikalnom stupcu. Pr. 1000 x 2000 px. U fotografiji se ukupan broj piksela na slici

koristi za izražavanje kvalitete (hardwarea i slike koju će on moći proizvesti). Taj

ukupan broj se dobije množenjem svih piksela u jednom horizontalnom i vertikalnom

stupcu. Pr. 1000 x 2000 = 2 000 000 px, što se onda izražava kao 2 MP, odnosno

megapiksela.

Slika 1. Pikseli mogu postati vidljivi pri velikim uvećanjima slike

3

2.2. Formati

JPG (JPEG) je format zapisa slike koji se rabi kada koristimo manja povećanja tj.

formate fotografija, za gledanje na monitorima te kada je potrebno brzo učitavanje

fotografije i kada smo ograničeni kapacitetom memorijske kartice. On je format

zapisa sa gubitkom podataka (lossy). Ne podržava prozirnost ili animaciju. Prilikom

obrade se smanjuje kvaliteta izvornih podataka (njih čine sirove svjetlosne

informacije koje su tijekom ekspozicije dospijele do senzora) te dolazi do njihove

nepovratne degradacije. Njegova kvaliteta se može regulirati na samim

fotoaparatima ili prilikom spremanja. Najveća prednost ovog formata je njegova

univerzalnost i raširena primjena. Sve platforme podržavaju JPG format.

RAW ili „sirovi“ format je format u kojemu fotoaparat pohranjuje sve podatke koje

je digitalni senzor zabilježio prilikom fotografiranja. S tim formatom postiže se

najveća moguća kvaliteta fotografija. Problem je to što se ne radi o univerzalnom

formatu kojeg prepoznaju sve platforme već su potrebni posebni programi za obradu

koji ga mogu očitati. U takvim se programima naknadno mogu podešavati postavke

snimanja (kontrast, zasićenje boje, oštrina, balans bijeloga), te nismo ograničeni

postavkama koje su bile namještene na fotoaparatu u vrijeme snimanje.

TIFF je format koji se koristi za ispis i tisak visoke definicije boja te predstavlja

standard u grafičkoj industriji. On se, kao i JPG, može koristi na svim računalnim

platformama i programima za obradu fotografija. U njemu su fotografije pohranjivane

ovisno o postavkama na fotoaparatu te su nepovratno izgubljeni podaci koje je

senzor fotoaparata zabilježio. Datoteke snimane u TIFF su najveće i zauzimaju

najviše mjesta tako da on nije praktičan za uobičajenu uporabu. Kod spremanja u

TIFF formatu moguće je sažeti podatke (Slika 1.). U tom slučaju radi se o sažimanju

bez gubitaka podataka te fotografija ne gubi na kvaliteti bez obzira na to koliko je

puta spremana. Ponuđene kompresije su LZW, ZIP ili JPEG.

4

Slika 2. Mogućnosti koje nudi spremanje slika u TIFF format.

2.3. Vrste kodiranja

Kodiranje, iliti kompresija, se dijeli na dvije vrste; ono kod kojeg se kvaliteta gubi

u korist smanjenja veličine datoteke, i ono koje zadržava originalnu kvalitetu i druge

(meta) podatke datoteke. Redukcija u veličini datoteke može se postići zato što na

originalu postoje određeni viškovi. Odnos veličine originalne i kompresirane datoteke

nakon lossless kodiranja može biti oko 2:1, no kod lossy kodiranja čak 50:1.

Postoje, u pravilu, tri vrste viškova koji se prvi uklanjaju kompresijom; psiho-

vizualni, inter-pikselni i viškovi kodiranja. Psiho-vizualni viškovi se odnose na detalje

na slici bez kojih bi ljudsko oko i dalje moglo percipirati kodiranu fotografiju jednako

kao i original. Inter-pikselni višak je povezan s povezanosti piksela na slici, pogotovo

onih koji su jedni pokraj drugih. Viškovi kodiranja su oni koji se mogu maknuti kasnije

spomenutim metodama, a povezani su s činjenicom da je svaki piksel kodiran na

jednaki način, te se memorija datoteke smanjuje određenim algoritmima.

5

Kod kodiranja bez gubitaka (lossless) postoji jednostavna metoda: run-length.

Bazira se na činjenici da se unutar neke datoteke nalazi puno istovrsnih podataka

koji se ponavljaju. Prilikom kodiranja program prolazi kroz datoteku, zamjenjujući

ponavljajuće znakove specijalnim znakovima (eng. token) (Slika 2.). Ta vrsta

kodiranje je vrlo brza i lako se provjerava no ima ograničene kompresijske

mogućnosti.

Slika 3. Princip rada run-length metode

Nadalje, postoji Huffman kodiranje. Bazira se na činjenici da se neki znakovi

pojavljuju češće od drugih. Na toj osnovi algoritam tvori težinsko binarno stablo.

Svakom elementu tog stabla pridružuje se nova kodna riječ koja je određena ovisno

o poziciji znaka u stablu. Znak koji se najčešće ponavlja postaje korijen stabla i

njemu se pridružuje najkraća kodna riječ. Kodna riječ najrjeđe ponavljanog znaka

može biti i dvostruko dulja od samog znaka.

Slika 4. Princip rada Huffman kodiranja

Entropijsko kodiranje zasniva se na tome da koder i dekoder sadrže jednak

rječnik metasimbola od kojih svaki metasimbol predstavlja niz ulaznih znakova. Kada

dođe do ponavljanja niza nakon što je za njega nađen simbol, on se zamjenjuje tim

simbolom. S obzirom da je rječnik sadržan u koderu i dekoderu, nije potrebno da ga

kodirani podaci sadrže.

6

Slika 5. Princip rada entropijskog kodiranja

7

3. Istraživanje

3.1. Hipoteze

Kompresija bolje sažima fotografije na kojima se nalazi mnoštvo istih

ponavljajućih podataka kao što su su iste boje ili nijanse, te tako dobivamo manje

datoteke bez velikih gubitaka na kvaliteti.

TIFF format zahtjeva najviše memorije ali njime se postiže veća kvaliteta

fotografije nego u drugim formatima. Može se sažimati bez gubitka na kvaliteti čime

se potiže manja količina podataka i manja veličina datoteke.

Prejaka kompresija značajno degradira kvalitetu fotografije. S jakom

kompresijom, fotografija se može smanjiti na manje od 2% svoje originalne veličine

memorije.

3.2. Rezultati

Na slijedećoj fotografiji primjenjena je kompresija kroz promjenu kvalitete slike u JPG formatu te spremanjem u TIFF formatima sa raznim kompresijama. Prvotno je fotografija na fotoaparatu spremljena u RAW formatu koji je iznosio 8,14 MB te se ta veličina smanjila sve do 336 KB spremanjem kao JPG najmanje kvalitete.

Slika 6. Razlika najveće i najmanje JPG kvalitete slike

8

RAW TIFF TIFF (LZW)

TIFF (ZIP)

JPG (Max)

JPG (High)

JPG (Medium)

JPG (Low)

8,14 MB 28,7 MB 12,9 MB 12,9 MB 5,85 MB 1,09 MB 516 KB 336 KB

Slika 7. Fotografija nakon kompresije

Zatim je provedeno istraživanje mogućnosti kompresije TIFF formata za 8 bitne i 16 bitne fotografije. Snimljene su četiri fotografije, od kojih su prve dvije snimane fotoaparatom Nikon D80 sa objektivom 18-70mm f/3.5-4.5 u RAW formatu (NEF format) koji je iznosio 8,14 MB. Kasnije su te fotografije spremljene kao TIFF bez kompresije te sa LZW i ZIP kompresijom. Nakon otvaranja fotografije su bile veličine od 27,43 sa 40,98 cm te 2592 sa 3872 pixela.

Slika 8. Postavke za fotografije 1 i 2

9

Dobiveni su slijedeći rezultati:

8bit 8bit LZW 8bit ZIP 16bit BEZ 16bit LZW 16bit ZIP

#1 28,7 MB 14,4 MB 14,4 MB 57,4 MB 29,0 MB 21,2 MB

#2 28,7 MB 11,8 MB 10,9 MB 54,4 MB 24,1 MB 15,5 MB

Iz dobivenih rezultata možemo zaključiti da se kompresijom u TIFF formatu postižu puno manje datoteke, a zbog činjenice da se radi o kompresiji bez gubitaka, ne gubi se na kvaliteti same fotografije.

Slijedeće dvije fotografije fotografirane su sa fotoaparatom Canon EOS 60D sa objektivom EF-S 17-55mm f/2.8 IS.također u RAW formatu (CR2). Nakon otvaranja fotografije su bile dimenzija 54,86 sa 36,58 cm te 5184 sa 3456 pixela te su u RAW formatu iznosile 51,2 MB.

10

Slika 9. Postavke za fotografije 3 i 4

8bit 8bit LZW 8bit ZIP 16bit BEZ 16bit LZW 16bit ZIP

#3 51,2 MB 19,2 MB 17,1 MB 102 MB 46,9 MB 30,6 MB

#4 51,2 MB 25,4 MB 22,8 MB 102 MB 49,5 MB 36,0 MB

11

Ovo su u Photoshopu kompresirane verzije prethodne slike. Jedna je JPEG

maximum quality, i zauzima 9MB (od početnih 23MB). Druga zauzima svega 405Kb,

a predviđena degradacija kvalitete očituje se u gradijentu neba, gdje je kodiranje po

svojoj logici izbrisalo slične tonove i spojilo ih u jedan.

12

4. Zaključak

Kompresija fotografija bila je nužan slijed u povijesti razvoja digitalne tehnologije.

Usprkos kontstantnom povećanju kapaciteta hardwarea za pohranu podataka, uvijek

postoji potreba za smanjenjem veličine datoteka koje se spremaju, pogotovo na dulje

vrijeme kako bi ih se moglo spremiti i više.

Kodiranjem slike i kontroliranjem njenog formata određujemo hoćemo li

fotografije koristiti za tisak, web ili jednostavnu pohranu. I kod kodiranja postoje

različiti načini za smanjenje podataka, pa je prednost što se i njih može određivati u

kontroliranim uvjetima.

Na kraju je samo stvar u tome koje su potrebe korisnika fotografije, te se tome

prilagođuje format i razina kompresije, koja se danas može odraditi u raznovrsnim

programima.

13

5. Izvori

1. http://repro.grf.unizg.hr/media/download_gallery/UTJECAJ%20KOMPRESIJE%20NA%20KVALITETU%20SLIKE.pdf

2. http://fotografija.hr/jpeg-jpg-raw-tiff/ 3. http://racunala.ttf.unizg.hr/files/Formati_slika.pdf 4. http://www.am.unze.ba/pzi/2010/BarucijaLejla/lossless.html 5. https://bib.irb.hr/datoteka/476956.diplomskiRad_Bedek_Vinko.pdf 6. http://digital.cs.usu.edu/~xqi/Proposal/Chapter2.pdf