Понимание изображений и их хранения на диске

Изображение — это визуальное представление или визуальное восприятие объекта или сцены. В цифровом мире изображения часто создаются и отображаются с помощью пикселей — крошечных точек, которые собираются вместе, образуя изображение. Каждый пиксель несет информацию о цвете и яркости, вместе создавая визуальный опыт, который мы воспринимаем.

Для хранения этих изображений в цифровом виде используются различные форматы файлов, такие как JPEG, PNG, WEBP и другие. Но задумывались ли вы когда-нибудь, что такое изображение и как эти визуальные представления хранятся на дисках нашего компьютера?

Как изображения хранятся на диске?

Когда вы делаете фотографию или создаете графику на своем компьютере, ей нужно место для хранения. Именно здесь в игру вступает концепция хранения файлов. Компьютерное изображение — это изображение, состоящее из массива элементов, называемых пикселями.

Эти массивы пикселей хранятся на компьютерных дисках в виде файлов изображений, которые могут быть традиционными жесткими дисками (HDD) или современными твердотельными накопителями (SSD). Как только изображения будут сохранены, мы сможем просмотреть их позже. Файл изображения означает электронный файл, который хранится в файловых форматах. Точно так же, когда мы говорим об Интернете, сохраненные изображения передаются с сервера в браузер, и, таким образом, мы можем видеть изображения на веб-сайтах.

Возвращаясь к сути, изображения часто хранятся в виде набора пикселей, где каждый пиксель представляет собой крошечную дискретную единицу цвета и яркости. Эти пиксели расположены в виде сетки, а комбинация их цветов и положений создает общее визуальное представление. Пиксель представляет один цвет. Изображение с разрешением 1024 на 798 пикселей имеет размер 1024 x 798 пикселей (817 152 пикселей). Таким образом, каждый пиксель будет иметь свою собственную информацию о цвете. Но как эти пиксели рисуются заново, чтобы воспроизвести изображение?

Чтобы понять это, нам нужно сохранить информацию о положении пикселей, а также уровень яркости.

Технически информация о разрешении изображения, высоте/ширине, глубине цвета, фокусном расстоянии, создателе изображения, географическом местоположении, времени создания фотографии называется метаданными.

Эти метаданные также хранятся вместе с данными изображения. Мы можем разделить эти метаданные на две части;

1. Технические метаданные
   • Чтобы компьютер правильно отображал изображение, компьютеру необходимо знать следующие вещи:
     • Высота и ширина изображения — чтобы каждая строка изображения начиналась в правильном месте.
     • Глубина цвета – для представления цвета каждого пикселя используется правильное количество бит.
     • Разрешение – изображение отображается в правильном размере.
2. Описательные метаданные
   • Вся эта дополнительная информация — метаданные изображения. Это основные части метаданных. Но цветные изображения или изображения, сделанные камерой, могут также содержать другие метаданные, например;
     • Время – когда было сделано фото
     • Гео – место, где было сделано фото
     • Фокусное расстояние – фокусное расстояние камеры.
     • Создатель изображения – имя создателя изображения.
     • Подписи – подпись к изображению.
     • Заголовок - Имя файла

Каков процесс хранения изображений?

Процесс хранения изображения на диске включает преобразование визуальной информации изображения в формат, который можно сохранить и извлечь.

Изображения обычно захватываются цифровыми устройствами, такими как камеры, или генерируются в цифровом виде с помощью программного обеспечения, и каждое изображение состоит из пикселей, которые представляют собой крошечные точки, образующие визуальные элементы изображения.

Существует множество форматов изображений, и каждый из них имеет свою структуру. Давайте рассмотрим пример формата JPEG, чтобы понять, как изображения хранятся на диске.

Хранение изображений JPEG будет включать в себя процесс создания информации заголовка, таблиц квантования, кодирования Хаффмана, преобразования цвета, деления блоков, дискретного косинусного преобразования (DCT), квантования, энтропийного кодирования (кодирование Хаффмана) и добавления маркера EOI в конце.

При сохранении изображения вся структура, от информации заголовка до сжатых и закодированных данных пикселей, записывается на диск. Обратный процесс происходит во время поиска изображения, когда файл считывается, и каждый шаг выполняется в обратном порядке, чтобы восстановить изображение для отображения или обработки.

Термины, связанные с процессом хранения изображений

Их может быть много, но ниже приведены несколько основных терминов, которые используются в процессе хранения изображений.

1. Форматы файлов: каждое изображение сохраняется в определенном формате файла, который определяет структуру данных и способ сжатия изображения. Общие форматы изображений включают JPEG (Объединенная группа экспертов по фотографии), PNG (портативная сетевая графика), GIF (формат обмена графикой) и другие.

2. Информация о пикселях: пиксели изображения несут информацию о цвете и яркости. В цветном изображении каждый пиксель обычно представлен комбинацией трех цветовых каналов: красного, зеленого и синего (RGB). Интенсивность каждого канала определяет общий цвет пикселя.

3. Сжатие. Чтобы оптимизировать пространство для хранения, изображения часто сжимаются. Сжатие уменьшает размер файла за счет удаления избыточной или ненужной информации. Однако важно найти баланс, поскольку чрезмерное сжатие может привести к потере качества изображения.

4. Метаданные: изображения также могут хранить дополнительную информацию, известную как метаданные. Сюда входят такие детали, как настройки камеры, использованные для съемки фотографии, дата и время ее съемки и даже данные геолокации.

5. Файловая система: Хранение изображений организовано файловой системой на диске. Эта система управляет именованием файлов, их организацией в папках и доступом к ним со стороны операционной системы.

6. Доступ и извлечение. После сохранения изображения могут быть доступны и извлечены приложениями или операционной системой. Таким образом вы можете открыть фотографию на своем компьютере или просмотреть изображения на веб-сайте.

Понимание основ работы хранилища изображений позволяет понять, как визуальный контент, с которым мы сталкиваемся ежедневно, управляется нашими устройствами. По мере развития технологий будут развиваться и методы захвата, создания и хранения изображений, формирующие то, как мы воспринимаем визуальный мир вокруг нас.