Czy wiesz że… – Jak komputery zapisują obrazy

2025-05-27

–

polszewski

–

Ludzie od zarania dziejów bardzo chętnie uwieczniają otaczający ich świat. Od prostych malunków naskalnych, przez wyrafinowane obrazy epoki klasycznej, aż po obecne zdjęcia zamieszczane na portalach społecznościowych. Potrzeba ta wydaje się być uniwersalna niezależnie od czasu ani miejsca. Na szczęście, w obecnych czasach proces ten jest prostszy niż kiedykolwiek wcześniej. Można pokusić się o stwierdzenie, że większość z nas cały czas nosi przy sobie urządzenie zdolne do prędkiego zapisania niemal idealnego odwzorowania tego, co widzimy.

Ale czy wiecie w jaki sposób urządzenia przechowują te informacje?

Ludzkie oko jest w stanie postrzegać obrazy dzięki światłoczułym receptorom – pręcikom (wykrywającym kształty i ruch) oraz czopkom (wykrywającym kolory). Czopki dodatkowo dzielą się na trzy rodzaje, które są wrażliwe na różne zakresy spektrum światła widzialnego. Dla uproszczenia można przyjąć, że odpowiadają rozpoznawaniu kolorów: czerwonego, zielonego i niebieskiego.

Krzywe przedstawiające zakres długości fal elektromagnetycznych rejestrowanych przez czopki i pręciki

Właściwość ta została wykorzystana do opracowania modelu przestrzeni barw „RGB”. Pozwala on opisać kolor, przedstawiając go jako sumę trzech składowych barw (czerwonego, zielonego i niebieskiego), gdzie maksymalna wartość (zazwyczaj 255) wszystkich składowych daje kolor biały, a minimalna (0) czarny. Dzięki swojej prostocie oraz szerokiemu spektrum kolorów, które można w ten sposób opisać (przestrzeń RGB jest jedynie wycinkiem przestrzeni widzialnych barw), jest to najczęściej wykorzystywany format zapisu koloru.

wizualizacja przestrzeni barw RGB jako sześcian

Wyjaśniwszy, jak można zapisać poszczególne kolory, przejdźmy zatem do zapisu zdjęć. Najprostszym podejściem digitalizacji obrazu jest przedstawienie go jako dwuwymiarowa macierz przechowująca informacje o kolorach (bitmapa). Pojedynczą wartość tej macierzy nazywamy pikselem (ang. „pixel” – zbitka słów „picture” i „element”). Takie podejście reprezentacji obrazu jako siatki punktów nazywamy grafiką rastrową. Jest to bardzo dobry sposób odwzorowania, lecz w przypadku większych obrazów ilość pamięci potrzebnej do zapisu może być znacząca.

prezentacja fragmentu obrazu w znacznym przybliżeniu – podział na pojedyncze piksele

Z tego powodu, aby zredukować ilość potrzebnej pamięci komputerowej do zapisu obrazu rastrowego, opracowano algorytmy kompresji danych. Algorytm „JPEG” (ang. „Joint Photographic Experts Group”) jest jednym z najpopularniejszych algorytmów realizujących to zadanie. Jest to algorytm stratny, czyli jego rezultat nie jest tak dokładny, jak oryginał. Jego zaletą jest fakt, że stopień kompresji może być modyfikowany, gdzie przy niskich ustawieniach kompresji różnice są praktycznie niezauważalne, a ilość bajtów potrzebnych na zapis zostaje znacząco zredukowany. Jego działanie, w znacznym uproszczeniu, polega na zmianie modelu przestrzeni barw na YCbCr: redukcji informacji na kanałach Cb i Cr, podziale obrazu na bloki 8 na 8 pikseli, przedstawieniu poszczególnych bloków jako sumę podstawowych wzorców, redukcji ilości wzorców oraz przedstawieniu ich jako listy (dokładna prezentacja działania algorytmu w ostatniej sekcji).

podstawowe wzorce wykorzystywane do reprezentacji fragmentów obrazów

Drugim najpopularniejszym formatem zapisu obrazu jest „PNG” (ang. Portable Network Graphics). On także służy do zapisu grafiki rastrowej, z tą różnicą, że jest całkowicie bezstratny, więc jakość obrazu przed i po kompresji nie ulega zmianom. Dodatkowo wspiera on kompresję obrazów z kanałem alfa, czyli informacją o przezroczystości obrazu. Te właściwości sprawiają, że „PNG” idealnie nadaje się do kompresji obrazów, gdzie zależy nam na zachowaniu wszystkich szczegółów lub ostrych krawędzi, np. obrazy mikroskopowe, zdjęcia teleskopowe czy obrazy stworzone komputerowo.

Alternatywą dla obrazów rastrowych są formaty wektorowe, takie jak „SVG”. Ich zaletą jest odporność na zmianę rozdzielczości, co oznacza, że obraz po przeskalowaniu zachowa wszystkie szczegóły. Uzyskuje się to dzięki matematycznemu opisowi kształtów, złożonych zazwyczaj z parametrycznych krzywych Béziera. Dzięki temu format „SVG” najlepiej sprawdza się w zapisie grafik takich, jak ikony lub logo. Natomiast nie można go wykorzystać w przypadku zapisu zdjęć zrobionych aparatem.