W Poszukiwaniu Lepszego Formatu Obrazu: Narodziny PNG

We wczesnych dniach sieci World Wide Web format GIF był królem. Pozwalał na małe rozmiary plików dla prostych grafik używanych na stronach internetowych i dał światu radość prostych animacji. Jednak GIF miał dwie znaczące wady, które skłoniły społeczność internetową do poszukiwania lepszej alternatywy. Po pierwsze, był ograniczony do palety zaledwie 256 kolorów, co czyniło go nieodpowiednim dla wysokiej jakości obrazów fotograficznych. Po drugie, używany przez niego algorytm kompresji LZW był opatentowany, a właściciel patentu zaczął domagać się opłat licencyjnych, tworząc niepewność prawną dla twórców oprogramowania.

W odpowiedzi na to, grupa programistów stworzyła nowy, otwarty standard, zaprojektowany jako lepszy, wolny od patentów zamiennik dla GIF. Nazwali go PNG, co oficjalnie oznacza Portable Network Graphics. PNG został zaprojektowany od podstaw, aby był wszechstronny, potężny i, co najważniejsze, całkowicie bezstratny. Od tego czasu stał się najszerzej stosowanym formatem kompresji bezstratnej w Internecie, cenionym za zdolność do obsługi grafik z ostrymi krawędziami, tekstem i przezroczystością z doskonałą wiernością.

Serce PNG: Algorytm DEFLATE

W przeciwieństwie do JPEG, który używa złożonego, wieloetapowego, stratnego potoku, moc kompresji PNG pochodzi z jednego, genialnego i całkowicie bezstratnego algorytmu znanego jako DEFLATE. Algorytm DEFLATE to nie jedna technika, ale sprytne połączenie dwóch dobrze ugruntowanych metod kompresji stosowanych sekwencyjnie. Jest to ten sam podstawowy algorytm, który jest używany w popularnych formatach archiwizacji plików, takich jak ZIP i GZIP, co świadczy o jego wszechstronności i skuteczności.

Tajna Broń PNG: Filtrowanie Przed Kompresją

Chociaż algorytm DEFLATE jest potężny, działa najlepiej na danych z dużą ilością powtórzeń. Naturalne obrazy, nawet te z dużymi obszarami pozornie jednolitego koloru, często mają subtelny szum lub gradienty, które przerywają długie, idealne ciągi identycznych bajtów. Aby dane obrazu stały się bardziej "kompresowalne" dla silnika DEFLATE, PNG stosuje kluczowy krok wstępny zwany filtrowaniem.

Koder PNG przetwarza obraz po jednej poziomej linii pikseli na raz (tzw. "scanline"). Zanim linia zostanie skompresowana, może zostać "przefiltrowana". Nie oznacza to stosowania efektu wizualnego, jak rozmycie. Jest to odwracalna transformacja matematyczna, która zastępuje rzeczywiste wartości pikseli mniejszymi, bardziej powtarzalnymi wartościami różnicowymi. Chodzi o to, by zakodować *zmianę* z jednego piksela na drugi, a nie absolutną wartość samego piksela. Ponieważ sąsiednie piksele w obrazie są często bardzo podobne, te różnice są często małymi liczbami lub zerami, które są znacznie łatwiejsze do skompresowania przez algorytm DEFLATE.

Dla każdej linii skanowania koder PNG może wybrać jeden z pięciu typów filtrów, wybierając ten, który według jego przewidywań da najbardziej kompresowalny wynik dla tej konkretnej linii. Typ użytego filtru jest następnie zapisywany razem z przefiltrowanymi danymi, aby dekoder wiedział, jak odwrócić ten proces. Typy filtrów to:

• Typ 0: None - Brak filtrowania. Surowe dane pikseli linii są przekazywane bezpośrednio do kompresora.
• Typ 1: Sub - Wartość każdego piksela jest zastępowana różnicą między nim a wartością piksela bezpośrednio po jego lewej stronie. Jest to bardzo skuteczne dla obrazów z łagodnymi gradientami poziomymi.
• Typ 2: Up - Wartość każdego piksela jest zastępowana różnicą między nim a wartością piksela bezpośrednio nad nim w poprzedniej linii skanowania. Działa dobrze dla obrazów z wzorami pionowymi.
• Typ 3: Average - Wartość każdego piksela jest zastępowana różnicą między nim a średnią wartości pikseli po jego lewej stronie i bezpośrednio nad nim. Jest to dobry filtr ogólnego przeznaczenia, który dobrze radzi sobie z gradientami ukośnymi.
• Typ 4: Paeth - To najbardziej złożony filtr. Przewiduje wartość bieżącego piksela na podstawie trzech najbliższych sąsiadów (lewy, górny i lewy-górny), a następnie wybiera tego sąsiada, który jest najbliższy przewidywanej wartości. Piksel jest następnie zastępowany różnicą między jego rzeczywistą wartością a wartością wybranego sąsiada. Doskonale radzi sobie ze złożonymi, dwuwymiarowymi wzorami.

Ten inteligentny krok filtrowania jest głównym powodem, dla którego PNG jest często znacznie bardziej wydajny w kompresji grafik i diagramów niż starsze formaty, takie jak GIF, które nie posiadają tego zaawansowanego etapu wstępnego przetwarzania.

Wszechstronność PNG: Tryby Kolorów i Przezroczystość

PNG został zaprojektowany, aby być wysoce elastycznym, zdolnym do obsługi szerokiej gamy typów obrazów. Osiąga to dzięki obsłudze wielu trybów kolorów i rewolucyjnemu podejściu do przezroczystości.