Форматы изображений JPG, TIFF, RAW

Существует много форматов файлов, содержащих изображения, из которых три считаются наиболее подходящими для цифровой фотографии - это JPEG, TIFF и RAW. Одно из основных отличий форматов изображений - способность сжатия (уменьшения размера файла) с потерей или без потери качества. Сжатие с потерями позволяет  создать файлы значительно меньшего размера, но достигается это потерей части информации об изображении.

Формат JPG

JPEG ( англ. Joint Photographic Experts Group, по названию организации-разработчика) — один из популярных графических форматов, применяемый для хранения фотоизображений и подобных им изображений. Файлы, содержащие данные JPEG, обычно имеют расширения (суффиксы) .jpg, .jfif, .jpe или .jpeg.

Алгоритм JPEG в наибольшей степени пригоден для сжатия фотографий и картин, содержащих реалистичные сцены с плавными переходами яркости и цвета. JPEG не подходит для сжатия изображений при многоступенчатой обработке, так как искажения в изображения будут вноситься каждый раз при сохранении промежуточных результатов обработки.

При сжатии изображение преобразуется из цветового пространства RGB в YCbCr. Используется тот факт, что человеческий глаз замечает вариации яркости больше, чем вариации цвета. После преобразования RGB->YCbCr для каналов изображения Cb и Cr, отвечающих за цвет, может выполняться «прореживание», которое заключается в том, что каждому блоку из 4 пикселов (2х2) яркостного канала Y ставятся в соответствие усреднённые значения Cb и Cr. При этом для каждого блока 2х2 вместо 12 значений (4 Y, 4 Cb и 4 Cr) используется всего 6 (4 Y и по одному усреднённому Cb и Cr). Если к качеству восстановленного после сжатия изображения предъявляются повышенные требования, прореживание может выполняться лишь в каком-то одном направлении — по вертикали (схема «4:4:0») или по горизонтали («4:2:2»), или не выполняться вовсе («4:4:4»).

Стандарт допускает также прореживание с усреднением Cb и Cr не для блока 2х2, а для четырёх расположенных последовательно (по вертикали или по горизонтали) пикселов, то есть для блоков 1х4, 4х1 (схема «4:1:1»), а также 2х4 и 4х2 (схема «4:1:0»). Допускается также использование различных типов прореживания для Cb и Cr, но на практике такие схемы применяются исключительно редко.

Степень достигаемой компрессии сильно зависит от содержания изображения; изображения с высокой детализацией сжимаются плохо, тогда как картинки с плавными переходами будут сжаты очень хорошо.

Далее яркостный компонент Y и отвечающие за цвет компоненты Cb и Cr разбиваются на блоки 8х8 пикселов. Каждый такой блок подвергается дискретному косинусному преобразованию (ДКП). Полученные коэффициенты ДКП квантуются (для Y, Cb и Cr в общем случае используются разные матрицы квантования) и пакуются с использованием кодирования серий и кодов Хаффмана.

При сохранении изображения в JPEG-файле указывается параметр качества, задаваемый в некоторых условных единицах, например, от 1 до 100 или от 1 до 10. Большее число обычно соответствует лучшему качеству (и большему размеру сжатого файла). Однако даже при использовании наивысшего качества (соответствующего матрице квантования, состоящей из одних только единиц) восстановленное изображение не будет в точности совпадать с исходным.

Формат TIFF

Формат TIFF  (англ. Tagged Image File Format) — формат хранения растровых графических изображений.

Файлы TIFF значительно больше по размеру, чем их JPEG-аналоги, и могут быть сохранены либо без сжатия, либо со сжатием без потерь.  В файле TIFF может храниться несколько слоёв  изображения, что удобно при редактировании изображений. Основное достоинство этого формата - возможность многократного пересохранения без потери качества изображения.

Некоторые камеры могут записывать изображения сразу в формате TIFF, но о если камера поддерживает формат RAW,  то он предпочтительней ,поскольку файлы имеют меньший размер при сохранении полной информации об изображении.

Формат RAW

Raw (англ. raw — сырой, необработанный) — формат цифровой фотографии, содержащий необработанные данные, полученные с фотоматрицы. В таких файлах содержится полная информация о хранимом сигнале, не имеющая чёткой спецификации (стандарта).

В Raw-файлах цифровых фотоаппаратов обычно содержатся:
- дискретные значения напряжения элементов матрицы (до интерполяции для матриц, использующих массивы цветных фильтров)
- метаданные — идентификация камеры;
- метаданные — техническое описание условий съёмки;
- метаданные — параметры обработки по умолчанию;
- «превью», обычно JPEG среднего качества.

Обработка Raw-файла позволяет менять параметры кадра (такие как экспозиция (в определённых пределах), яркость, контраст, баланс белого, резкость, насыщенность) непосредственно перед конвертацией, как если бы мы делали их перед съёмкой. Это позволяет получить конечное изображение, не потеряв при этом слишком затемнённые или слишком осветлённые участки кадра.

Формат RAW в цифровой фотографии соответствует негативу в плёночной: в нём содержится необработанная, «сырая» информация о пикселях  сенсора цифровой камеры. Файл RAW содержит  значения красного, зелёного или синего цвета в каждом из пикселей. RAW-файл преобразуется в итоговое изображение в формате JPEG или TIFF в несколько этапов, каждый из которых вносит необратимую коррекцию изображения.

Дематризация --> Баланс белого --> Контраст --> Цветонасыщенность --> Резкость --> JPEG/TIFF

Дематризация и баланс белого включают в себя интерпретацию и преобразование матрицы Байера в изображение со всеми тремя базовыми цветами в каждом пикселе. 

Дематризация — сложный процесс, поэтому большинство цифровых камер применяют влияющие на качество упрощения, чтобы преобразовать RAW-файл в TIFF или JPEG. Персональный компьютер с более мощным процессором позволяет использовать более совершенные алгоритмы. То же самое касается и коррекции резкости изображения, которая требует больших вычислительных ресурсов.

Формат RAW обеспечивает  больший «динамический диапазон», чем при преобразовании изображения сразу в формат JPEG. Поскольку исходные данные о цветах не были подвергнуты логарифмированию с использованием кривых , экспозиция в RAW-файл может подвергаться впоследствии экспокоррекции, которая позволяет скорректировать ошибку экспозамера.

В формате RAW применяется сжатие без потерь, RAW-файлы содержат больше информации и лучше поддаются сжатию, чем TIFF.

В то же время RAW формату присущи некоторые недостатки:
- обработка файлов занимает много времени и не всегда может быть качественно сделана в автоматическом режиме;
- размер файлов намного больше, чем в формате JPG и они быстрее заполняют карту памяти;
- снижают быстродействие фотокамеры так как дольше записываются на карту памяти;
- требуют предварительной обработки, чтобы можно было просмотреть их содержимое.

RAW-файлы предоставляют фотографу больше возможностей для последующей обработки, но за счёт скорости записи, занимаемого места и простоты использования. Во многих случаях фотографы предпочитают съемку с преобразованием сразу в формат JPEG, либо JPEG+RAW, когда изображение записывается в двух разных форматах.