第2章數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)

第二章數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)2.1圖像數(shù)字化技術(shù)2.2數(shù)字圖像類(lèi)型2.3圖像文件格式2.4色度學(xué)基礎(chǔ)與顏色模型2.1圖像數(shù)字化技術(shù)圖像處理的方法有模擬式和數(shù)字式兩種。由于數(shù)字計(jì)算技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。我們?nèi)粘Ｉ钪幸?jiàn)到的圖像一般是連續(xù)形式的模擬圖像，所以數(shù)字圖像處理的一個(gè)先決條件就是將連續(xù)圖像離散化，轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。圖像的數(shù)字化包括采樣和量化兩個(gè)過(guò)程。設(shè)連續(xù)圖像f(x,y)經(jīng)數(shù)字化后，可以用一個(gè)離散量組成的矩陣g(i,j)（即二維數(shù)組）來(lái)表示。（2-1）矩陣中的每一個(gè)元素稱(chēng)為像元、像素或圖像元素。而g(i,j)代表(i,j)點(diǎn)的灰度值，即亮度值。以上數(shù)字化有以下幾點(diǎn)說(shuō)明：（1）由于g(i,j)代表該點(diǎn)圖像的光強(qiáng)度，而光是能量的一種形式，故g(i,j)必須大于零，且為有限值，即：0＜g(i,j)＜∞。（2）數(shù)字化采樣一般是按正方形點(diǎn)陣取樣的，除此之外還有三角形點(diǎn)陣、正六角形點(diǎn)陣取樣。如圖2-1所示。（3）以上是用g(i,j)的數(shù)值來(lái)表示(i,j)位置點(diǎn)上灰度級(jí)值的大小，即只反映了黑白灰度的關(guān)系，如果是一幅彩色圖像，各點(diǎn)的數(shù)值還應(yīng)當(dāng)反映色彩的變化，可用g(i,j,λ)表示，其中λ是波長(zhǎng)。如果圖像是運(yùn)動(dòng)的，還應(yīng)是時(shí)間t的函數(shù)，即可表示為g(i,j,λ,t)。圖2-1采樣網(wǎng)格(a)正方形網(wǎng)格;(b)正六角形網(wǎng)格2.1.1采樣圖像在空間上的離散化稱(chēng)為采樣。也就是用空間上部分點(diǎn)的灰度值代表圖像，這些點(diǎn)稱(chēng)為采樣點(diǎn)。由于圖像是一種二維分布的信息，為了對(duì)它進(jìn)行采樣操作，需要先將二維信號(hào)變?yōu)橐痪S信號(hào)，再對(duì)一維信號(hào)完成采樣。具體做法是，先沿垂直方向按一定間隔從上到下順序地沿水平方向直線(xiàn)掃描，取出各水平線(xiàn)上灰度值的一維掃描。而后再對(duì)一維掃描線(xiàn)信號(hào)按一定間隔采樣得到離散信號(hào)，即先沿垂直方向采樣，再沿水平方向采樣這兩個(gè)步驟完成采樣操作。對(duì)于運(yùn)動(dòng)圖像（即時(shí)間域上的連續(xù)圖像），需先在時(shí)間軸上采樣，再沿垂直方向采樣，最后沿水平方向采樣由這三個(gè)步驟完成。對(duì)一幅圖像采樣時(shí)，若每行（即橫向）像素為M個(gè)，每列（即縱向）像素為N個(gè)，則圖像大小為M×N個(gè)像素。在進(jìn)行采樣時(shí)，采樣點(diǎn)間隔的選取是一個(gè)非常重要的問(wèn)題，它決定了采樣后圖像的質(zhì)量，即忠實(shí)于原圖像的程度。采樣間隔的大小選取要依據(jù)原圖像中包含的細(xì)微濃淡變化來(lái)決定。一般，圖像中細(xì)節(jié)越多，采樣間隔應(yīng)越小。根據(jù)一維采樣定理，若一維信號(hào)g(t)的最大頻率為ω，以T≤1/2ω為間隔進(jìn)行采樣，則能夠根據(jù)采樣結(jié)果g(iT)(i=…,-1,0,1，…)完全恢復(fù)g(t)，即式中圖2-2采樣示意圖2.1.2量化

模擬圖像經(jīng)過(guò)采樣后，在時(shí)間和空間上離散化為像素。但采樣所得的像素值（即灰度值）仍是連續(xù)量。把采樣后所得的各像素的灰度值從模擬量到離散量的轉(zhuǎn)換稱(chēng)為圖像灰度的量化。圖2-3（a）說(shuō)明了量化過(guò)程。若連續(xù)灰度值用z來(lái)表示，對(duì)于滿(mǎn)足zi≤z≤zi+1的z值，都量化為整數(shù)qi。qi稱(chēng)為像素的灰度值，z與qi的差稱(chēng)為量化誤差。一般，像素值量化后用一個(gè)字節(jié)8bit來(lái)表示。如圖2-3（b）所示，把由黑—灰—白的連續(xù)變化的灰度值，量化為0～255共256級(jí)灰度值，灰度值的范圍為0～255，表示亮度從深到淺，對(duì)應(yīng)圖像中的顏色為從黑到白。圖2-3量化示意圖（a）量化；(b)量化為8bit連續(xù)灰度值量化為灰度級(jí)的方法有兩種，一種是等間隔量化，另一種是非等間隔量化。等間隔量化就是簡(jiǎn)單地把采樣值的灰度范圍等間隔地分割并進(jìn)行量化。對(duì)于像素灰度值在黑—白范圍較均勻分布的圖像，這種量化方法可以得到較小的量化誤差。該方法也稱(chēng)為均勻量化或線(xiàn)性量化。為了減小量化誤差，引入了非均勻量化的方法。非均勻量化是依據(jù)一幅圖像具體的灰度值分布的概率密度函數(shù)，按總的量化誤差最小的原則來(lái)進(jìn)行量化。具體做法是對(duì)圖像中像素灰度值頻繁出現(xiàn)的灰度值范圍，量化間隔取小一些，而對(duì)那些像素灰度值極少出現(xiàn)的范圍，則量化間隔取大一些。由于圖像灰度值的概率分布密度函數(shù)因圖像不同而異，所以不可能找到一個(gè)適用于各種不同圖像的最佳非等間隔量化方案。因此，實(shí)用上一般都采用等間隔量化。2.1.3采樣與量化參數(shù)的選擇一幅圖像在采樣時(shí)，行、列的采樣點(diǎn)與量化時(shí)每個(gè)像素量化的級(jí)數(shù)，既影響數(shù)字圖像的質(zhì)量，也影響到該數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量的大小。假定圖像取M×N個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)像素量化后的灰度二進(jìn)制位數(shù)為Q，一般Q總是取為2的整數(shù)冪，即Q=2k,則存儲(chǔ)一幅數(shù)字圖像所需的二進(jìn)制位數(shù)b為（2-2）字節(jié)數(shù)B為（2-3）對(duì)一幅圖像，當(dāng)量化級(jí)數(shù)Q一定時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)M×N對(duì)圖像質(zhì)量有著顯著的影響。如圖2-4所示，采樣點(diǎn)數(shù)越多，圖像質(zhì)量越好；當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)減少時(shí)，圖上的塊狀效應(yīng)就逐漸明顯。同理，當(dāng)圖像的采樣點(diǎn)數(shù)一定時(shí)，采用不同量化級(jí)數(shù)的圖像質(zhì)量也不一樣。如圖2-5所示，量化級(jí)數(shù)越多，圖像質(zhì)量越好，當(dāng)量化級(jí)數(shù)越少時(shí)，圖像質(zhì)量越差，量化級(jí)數(shù)最小的極端情況就是二值圖像，圖像出現(xiàn)假輪廓。圖2-4不同采樣點(diǎn)數(shù)對(duì)圖像質(zhì)量的影響（a）原始圖像(256×256)；（b）采樣圖像1(128×128)；（c）采樣圖像2(64×64)；（d）采樣圖像3(32×32)；（e）采樣圖像4(16×16)；（f）采樣圖像5(8×8)圖2-5不同量化級(jí)別對(duì)圖像質(zhì)量的影響（a）原始圖像(256色)；（b）量化圖像1(64色)；（c）量化圖像2(32色)；（d）量化圖像3(16色)；（e）量化圖像4(4色)；（f）量化圖像5(2色)一般，當(dāng)限定數(shù)字圖像的大小時(shí),為了得到質(zhì)量較好的圖像可采用如下原則：（1）對(duì)緩變的圖像，應(yīng)該細(xì)量化，粗采樣，以避免假輪廓。（2）對(duì)細(xì)節(jié)豐富的圖像，應(yīng)細(xì)采樣，粗量化，以避免模糊（混疊）。對(duì)于彩色圖像，是按照顏色成分——紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）分別采樣和量化的。若各種顏色成分均按8bit量化，即每種顏色量級(jí)別是256，則可以處理256×256×256=16777216種顏色。2.1.4圖像數(shù)字化設(shè)備

將模擬圖像數(shù)字化成為數(shù)字圖像，需要某種圖像數(shù)字化設(shè)備。常見(jiàn)的數(shù)字化設(shè)備有數(shù)字相機(jī)、掃描儀、數(shù)字化儀等。

1.圖像數(shù)字化設(shè)備的組成如前所述，采樣和量化是數(shù)字化一幅圖像的兩個(gè)基本過(guò)程。即把圖像劃分為若干圖像元素(像素)并給出它們的地址（采樣）；度量每一像素的灰度，并把連續(xù)的度量結(jié)果量化為整數(shù)（量化）；最后將這些整數(shù)結(jié)果寫(xiě)入存儲(chǔ)設(shè)備。為完成這些功能，圖像數(shù)字化設(shè)備必須包含以下五個(gè)部分：

(1)采樣孔(Samplingaperture)：使數(shù)字化設(shè)備能夠單獨(dú)地觀(guān)測(cè)特定的圖像元素而不受圖像其他部分的影響。

(2)圖像掃描機(jī)構(gòu)：使采樣孔按照預(yù)先確定的方式在圖像上移動(dòng)，從而按順序觀(guān)測(cè)每一個(gè)像素。

(3)光傳感器：通過(guò)采樣檢測(cè)圖像的每一像素的亮度，通常采用CCD陣列。

(4)量化器：將傳感器輸出的連續(xù)量轉(zhuǎn)化為整數(shù)值。典型的量化器是A/D轉(zhuǎn)換電路，它產(chǎn)生一個(gè)與輸入電壓或電流成比例的數(shù)值。

(5)輸出存儲(chǔ)裝置：將量化器產(chǎn)生的灰度值按適當(dāng)格式存儲(chǔ)起來(lái)，以用于計(jì)算機(jī)后續(xù)處理。

2.圖像數(shù)字化設(shè)備的性能

雖然各種數(shù)字化設(shè)備的組成不相同，但可從如下幾個(gè)方面對(duì)其性能進(jìn)行比較。

1)像素大小采樣孔的大小和相鄰像素的間距是兩個(gè)重要的性能指標(biāo)。如果數(shù)字化設(shè)備是在一個(gè)放大率可變的光學(xué)系統(tǒng)上，那么對(duì)應(yīng)于輸入圖像平面上的采樣點(diǎn)大小和采樣間距也是可變的。

2)圖像大小圖像大小即數(shù)字化設(shè)備所允許的最大輸入圖像的尺寸。

3)線(xiàn)性度對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行數(shù)字化時(shí)，灰度正比于圖像亮度的實(shí)際精確程度是一個(gè)重要的指標(biāo)。非線(xiàn)性的數(shù)字化設(shè)備會(huì)影響后續(xù)過(guò)程的有效性。能將圖像量化為多少級(jí)灰度也是非常重要的參數(shù)。圖像的量化精度經(jīng)歷了早期的黑白二值圖像、灰度圖像及現(xiàn)在的彩色及真彩色圖像。當(dāng)然，量化精度越高，存儲(chǔ)像素信息需要的字節(jié)數(shù)也越大。

4)噪聲

數(shù)字化設(shè)備的噪聲水平也是一個(gè)重要的性能參數(shù)。例如，數(shù)字化一幅灰度值恒定的圖像，雖然輸入亮度是一個(gè)常量，但是數(shù)字化設(shè)備中固有的噪聲卻會(huì)使圖像的灰度發(fā)生變化。因此數(shù)字化設(shè)備所產(chǎn)生的噪聲是圖像質(zhì)量下降的根源之一，應(yīng)當(dāng)使噪聲小于圖像內(nèi)的反差點(diǎn)(即對(duì)比度)。2.2數(shù)字圖像類(lèi)型為了方便地處理數(shù)字圖像，根據(jù)數(shù)字圖像的特性將其分成不同的類(lèi)型。靜態(tài)圖像可分為矢量(Vector)圖和位圖（Bitmap），位圖也稱(chēng)為柵格圖像。矢量圖是用一系列繪圖指令來(lái)表示一幅圖，如AutoCAD中的繪圖語(yǔ)句。這種方法的本質(zhì)是用數(shù)學(xué)(更準(zhǔn)確地說(shuō)是幾何學(xué))公式描述一幅圖像。圖像中每一個(gè)形狀都是一個(gè)完整的公式，稱(chēng)為一個(gè)對(duì)象。對(duì)象是一個(gè)封閉的整體，所以定義圖像上對(duì)象的變化和對(duì)象與其他對(duì)象的關(guān)系對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)是簡(jiǎn)單的，所有這些變化都不會(huì)影響到圖像中的其他對(duì)象。公式化表示圖像使得矢量圖具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是它的文件數(shù)據(jù)量很??；二是圖像質(zhì)量與分辨率無(wú)關(guān)，這意味著無(wú)論將圖像放大或縮小了多少次，圖像總是以顯示設(shè)備允許的最大清晰度顯示。在計(jì)算機(jī)計(jì)算與顯示一幅圖像時(shí)，也往往能看到畫(huà)圖的過(guò)程。但是，矢量圖有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，就是不易制作色調(diào)豐富或色彩變化太多的圖像，而且繪出來(lái)的圖像不是很逼真，同時(shí)也不易在不同的軟件間交換文件。在CorelDraw和AdobeIllustrator中生成的圖像均為矢量圖位圖是通過(guò)許多像素點(diǎn)表示一幅圖像，每個(gè)像素具有顏色屬性和位置屬性。位圖可以從傳統(tǒng)的相片、幻燈片上制作出來(lái)或使用數(shù)字相機(jī)得到，也可以利用Windows的畫(huà)筆(Painbrush)用顏色點(diǎn)填充網(wǎng)格單元來(lái)創(chuàng)建位圖。位圖又可以分成如下四種：線(xiàn)畫(huà)稿LineArt)、灰度圖像(GrayScale)、索引顏色圖像(IndexColor)和真彩色圖像（TrueColor）。2.2.1位圖

1.線(xiàn)畫(huà)稿線(xiàn)畫(huà)稿只有黑白兩種顏色，這種形式通常也稱(chēng)為“黑白藝術(shù)”、“位圖藝術(shù)”、“一位元藝術(shù)”。用掃描儀掃描圖像，當(dāng)設(shè)置成LineArt格式時(shí)，掃描儀以一位顏色模式來(lái)看待圖像。若樣點(diǎn)顏色為黑，則掃描儀將相應(yīng)的像素位元置為0，否則置為1。線(xiàn)畫(huà)稿適合于由黑白兩色構(gòu)成而沒(méi)有灰度陰影的圖像。圖2-6所示是一幅線(xiàn)畫(huà)稿圖。圖2-6線(xiàn)畫(huà)稿圖

2.灰度圖像

在灰度圖像中，像素灰度級(jí)用8bit表示，所以每個(gè)像素都是介于黑色和白色之間的256（28=256）種灰度中的一種?；叶葓D像只有灰度顏色而沒(méi)有彩色。我們通常所說(shuō)的黑白照片，其實(shí)包含了黑白之間的所有灰度色調(diào)。從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，就是具有從黑到白的256種灰度色域（Gamut）的單色圖像。

3.索引圖像在介紹索引圖像之前，我們首先了解PC機(jī)是如何處理顏色的。大多數(shù)掃描儀都是以24位模式對(duì)圖像進(jìn)行采樣，即可以從圖像中采樣出1670萬(wàn)種不同的顏色。用這種方式獲得的顏色通常稱(chēng)為RGB顏色。顏色深度為每像素24位的數(shù)字圖像是目前所能獲取、瀏覽和保存的顏色信息最豐富的彩色圖像，由于它所表達(dá)的顏色遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人眼所能辨別的范圍，故將其稱(chēng)為“真彩色”。在真彩色出現(xiàn)之前，由于技術(shù)上的原因，計(jì)算機(jī)在處理時(shí)并沒(méi)有達(dá)到每像素24位的真彩色水平，為此人們創(chuàng)造了索引顏色。索引顏色通常也稱(chēng)為映射顏色，在這種模式下，顏色都是預(yù)先定義的，并且可供選用的一組顏色也很有限，索引顏色的圖像最多只能顯示256種顏色。一幅索引顏色圖像在圖像文件里定義，當(dāng)打開(kāi)該文件時(shí)，構(gòu)成該圖像具體顏色的索引值就被讀入程序里，然后根據(jù)索引值找到最終的顏色。

4.真彩色圖像

真彩色圖像將像素的色彩能力推向了頂峰?！罢娌噬笔荝GB顏色的另一種流行的叫法。從技術(shù)角度考慮，真彩色是指寫(xiě)到磁盤(pán)上的圖像類(lèi)型，而RGB顏色是指顯示器的顯示模式。RGB圖像的顏色是非映射的，它可以從系統(tǒng)的“顏色表”里自由獲取所需的顏色，這種圖像文件里的顏色直接與PC機(jī)上的顯示顏色相對(duì)應(yīng)。在真彩色圖像中，每一個(gè)像素由紅、綠和藍(lán)三個(gè)字節(jié)組成，每個(gè)字節(jié)為8bit，表示0到255之間的不同的亮度值，這三個(gè)字節(jié)組合可以產(chǎn)生1670萬(wàn)種不同的顏色。2.2.2位圖的有關(guān)術(shù)語(yǔ)

1.像素（Pixel）、點(diǎn)（Dot）和樣點(diǎn)（Sample）在計(jì)算機(jī)中，圖像是由顯示器上許多光點(diǎn)組成的，將顯示在顯示器上的這些點(diǎn)（光的單元）稱(chēng)為像素。像素的分割有不同的方法，實(shí)際常用正方形網(wǎng)格點(diǎn)陣分割方案，這是因?yàn)槠湎袼鼐W(wǎng)格點(diǎn)陣規(guī)范，易于在圖像輸入、輸出設(shè)備上實(shí)現(xiàn)。在計(jì)算機(jī)圖像處理中，還常用到點(diǎn)和樣點(diǎn)這些術(shù)語(yǔ)。像素、點(diǎn)和樣點(diǎn)是在計(jì)算機(jī)上對(duì)不同階段的圖像進(jìn)行度量的稱(chēng)謂，這幾個(gè)術(shù)語(yǔ)很容易混淆，故特一一做介紹。首先說(shuō)明樣點(diǎn)和點(diǎn)的概念。掃描一幅圖像時(shí)，需設(shè)置掃描儀的分辨率（Resolution），分辨率決定了掃描儀從源圖像里每英寸取多少個(gè)樣點(diǎn)。掃描儀將源圖像看成由大量的網(wǎng)格組成，然后在每一個(gè)網(wǎng)格里取出一點(diǎn)，用該點(diǎn)的顏色值來(lái)代表這一網(wǎng)格里所有點(diǎn)的顏色值，這些被選中的點(diǎn)就是樣點(diǎn)。掃描儀的分辨率單位為dpi（每英寸點(diǎn)數(shù)），但激光打印機(jī)的dpi與掃描儀的dpi（樣點(diǎn)）是不同的。實(shí)際上，以150dpi分辨率掃描的圖像，它的效果相當(dāng)于激光打印機(jī)的1200dpi的效果。像素并不像“克”和“厘米”那樣是絕對(duì)的度量單位，而是可大可小的。如果獲取圖像時(shí)的分辨率較低（如50dpi），則顯示該圖像時(shí)，每英寸所顯示的像素個(gè)數(shù)也很少，這樣就會(huì)使像素變得較大。

2.分辨率

1）圖像分辨率圖像分辨率是指每英寸圖像含有多少個(gè)點(diǎn)或像素，分辨率的單位為dpi。例如，250dpi表示的就是該圖像每英寸含有250個(gè)點(diǎn)或像素。在數(shù)字圖像中，分辨率的大小直接影響到圖像的質(zhì)量。分辨率越高，圖像細(xì)節(jié)越清晰，但產(chǎn)生的文件尺寸大，同時(shí)處理的時(shí)間也就越長(zhǎng)，對(duì)設(shè)備的要求也就越高。所以在制作圖像時(shí)要根據(jù)需要來(lái)選擇分辨率。另外，圖像的尺寸、圖像的分辨率和圖像文件的大小三者之間有著密切的聯(lián)系。圖像的尺寸越大，圖像的分辨率越高，圖像文件也就越大。所以，調(diào)整圖像的大小和分辨率即可改變圖像文件的大小。

2）屏幕分辨率

顯示器上每單位長(zhǎng)度顯示的像素或點(diǎn)的數(shù)量稱(chēng)為屏幕分辨率。通常以每英寸點(diǎn)數(shù)(dpi)來(lái)表示。屏幕分辨率取決于顯示器的大小及其像素設(shè)置。屏幕分辨率由計(jì)算機(jī)的顯示卡決定，標(biāo)準(zhǔn)的VGA顯示卡的分辨率是640×480，即水平方向640點(diǎn)（像素），垂直方向480點(diǎn)（像素）?，F(xiàn)在高性能的顯示卡已支持1280×1024點(diǎn)以上的分辨率。

3）打印機(jī)分辨率

打印機(jī)分辨率又稱(chēng)輸出分辨率，是指打印機(jī)輸出圖像時(shí)每英寸的點(diǎn)數(shù)(dpi)。打印機(jī)分辨率也決定了輸出圖像的質(zhì)量，打印機(jī)分辨率越高，可以減少打印的鋸齒邊緣，在灰度的半色調(diào)表現(xiàn)上也會(huì)較為平滑。打印機(jī)的分辨率可達(dá)300dpi，甚至720dpi（需用特殊紙張）；而較老機(jī)型的激光打印機(jī)分辨率通常在300～360dpi之間，由于超微細(xì)碳粉技術(shù)的成熟，新的激光打印機(jī)的分辨率可達(dá)600～1200dpi，作為專(zhuān)業(yè)排版輸出已經(jīng)綽綽有余了。

4）掃描儀分辨率

掃描儀分辨率的表示方法與打印機(jī)相類(lèi)似，一般也用dpi表示，不過(guò)這里的點(diǎn)是樣點(diǎn)，與打印機(jī)的輸出點(diǎn)是不同的。一般掃描儀提供的方式是水平分辨率要比垂直分辨率高。臺(tái)式掃描儀的分辨率可以分為光學(xué)分辨率和輸出分辨率。光學(xué)分辨率是指掃描儀硬件所真正掃描到的圖像分辨率，目前市場(chǎng)上的產(chǎn)品，其光學(xué)分辨率可達(dá)800～1200dpi以上。輸出分辨率是通過(guò)軟件強(qiáng)化以及內(nèi)插補(bǔ)點(diǎn)之后產(chǎn)生的分辨率，大約為光學(xué)分辨率的3～4倍。所以當(dāng)你見(jiàn)到號(hào)稱(chēng)分辨率高達(dá)4800dpi或6400dpi的掃描儀時(shí)，這一定指的是輸出分辨率。2.3圖像文件格式數(shù)字圖像有多種存儲(chǔ)格式，每種格式一般由不同的開(kāi)發(fā)商支持。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和圖像應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，還會(huì)出現(xiàn)新的圖像格式。因此，要進(jìn)行圖像處理，必須了解圖像文件的格式，即圖像文件的數(shù)據(jù)構(gòu)成。每一種圖像文件均有一個(gè)文件頭，在文件頭之后才是圖像數(shù)據(jù)。文件頭的內(nèi)容由制作該圖像文件的公司決定，一般包括文件類(lèi)型、文件制作者、制作時(shí)間、版本號(hào)、文件大小等內(nèi)容。各種圖像文件的制作還涉及到圖像文件的壓縮方式和存儲(chǔ)效率等。下面介紹幾種常見(jiàn)的圖像文件格式。2.3.1BMP圖像文件格式第一部分為位圖文件頭BITMAPFILEHEADER，它是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，其定義如下：

typedefstructtagBITMAPFILEHEADER{WORD bfType;DWORD bfSize;WORD bfReserved1;WORD bfReserved2;DWORD bfOffBits;}BITMAPFILEHEADER;這個(gè)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度是固定的，為14個(gè)字節(jié)（WORD為無(wú)符號(hào)16位二進(jìn)制整數(shù)，DWORD為無(wú)符號(hào)32位二進(jìn)制整數(shù)）。第二部分為位圖信息頭BITMAPINFOHEADER，也是一個(gè)結(jié)構(gòu)，其定義如下：typedefstructtagBITMAPINFOHEADER{DWORD biSize;LONG biWidth;LONG biHeight;WORD biPlanes;WORD biBitCount;DWORD biCompression;DWORD biSizeImage;LONG biXPelsPerMeter;LONG biYPelsPerMeter;DWORD biClrUsed;DWORD biClrImportant;}BITMAPINFOHEADER;這個(gè)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度是固定的，為40個(gè)字節(jié)（LONG為32位二進(jìn)制整數(shù)）。其中，biCompression的有效值為BI_RGB、BI_RLE8、BI_RLE4、BI_BITFIELDS，這都是一些Windows定義好的常量。由于RLE4和RLE8的壓縮格式用的不多，今后僅討論biCompression的有效值為BI_RGB，即不壓縮的情況。第三部分為調(diào)色板(Palette)，當(dāng)然，這里是對(duì)那些需要調(diào)色板的位圖文件而言的。真彩色圖像是不需要調(diào)色板的，BITMAPINFOHEADER后直接是位圖數(shù)據(jù)。調(diào)色板實(shí)際上是一個(gè)數(shù)組，共有biClrUsed個(gè)元素（如果該值為零，則有2的biBitCount次方個(gè)元素）。數(shù)組中每個(gè)元素的類(lèi)型是一個(gè)RGBQUAD結(jié)構(gòu)，占4個(gè)字節(jié)，其定義如下：typedefstructtagRGBQUAD{BYTErgbBlue; //該顏色的藍(lán)色分量

BYTErgbGreen; //該顏色的綠色分量

BYTErgbRed; //該顏色的紅色分量

BYTErgbReserved; //保留值}RGBQUAD;第四部分就是實(shí)際的圖像數(shù)據(jù)。對(duì)于用到調(diào)色板的位圖，圖像數(shù)據(jù)就是該像素顏色在調(diào)色板中的索引值，對(duì)于真彩色圖像，圖像數(shù)據(jù)就是實(shí)際的R、G、B值。下面就2色、16色、256色和真彩色位圖分別介紹。對(duì)于2色位圖，用1位就可以表示該像素的顏色（一般0表示黑，1表示白），所以一個(gè)字節(jié)可以表示8個(gè)像素。對(duì)于16色位圖，用4位可以表示一個(gè)像素的顏色，所以一個(gè)字節(jié)可以表示2個(gè)像素。對(duì)于256色位圖，一個(gè)字節(jié)剛好可以表示1個(gè)像素。下面兩點(diǎn)請(qǐng)讀者注意：（1）每一行的字節(jié)數(shù)必須是4的整數(shù)倍，如果不是，則需要補(bǔ)齊。這在前面介紹biSizeImage時(shí)已經(jīng)提到過(guò)。（2）BMP文件的數(shù)據(jù)存放是從下到上，從左到右的。也就是說(shuō)，從文件中最先讀到的是圖像最下面一行的左邊第一個(gè)像素，然后是左邊第二個(gè)像素，接下來(lái)是倒數(shù)第二行左邊第一個(gè)像素，左邊第二個(gè)像素。依次類(lèi)推，最后得到的是最上面一行的最右邊的一個(gè)像素。

DIB（DeviceIndependentBitmap）圖像格式是設(shè)備無(wú)關(guān)位圖文件，描述圖像的能力基本與BMP相同，并且能運(yùn)行于多種硬件平臺(tái)，只是文件較大。2.3.2其他文件格式

1.TIF圖像文件格式

標(biāo)記圖像文件格式TIF(TagImageFileFormat)，它是現(xiàn)存圖像文件格式中最復(fù)雜的一種，它提供存儲(chǔ)各種信息的完備的手段，可以存儲(chǔ)專(zhuān)門(mén)的信息而不違反格式宗旨，是目前流行的圖像文件交換標(biāo)準(zhǔn)之一。TIF格式文件的設(shè)計(jì)考慮了擴(kuò)展性、方便性和可修改性，因此非常復(fù)雜，要求用更多的代碼來(lái)控制它，結(jié)果導(dǎo)致文件讀寫(xiě)速度慢，TIF代碼也很長(zhǎng)。TIF文件由文件頭、參數(shù)指針表與參數(shù)域、參數(shù)數(shù)據(jù)表和圖像數(shù)據(jù)4部分組成。如表2-2～表2-4所示。1）文件頭表2-2TIF文件文件頭結(jié)構(gòu)2）參數(shù)指針表2-3TIF文件參數(shù)指針表由一個(gè)2字節(jié)的整數(shù)和其后的一系列12字節(jié)參數(shù)域構(gòu)成，最后以一個(gè)長(zhǎng)整型數(shù)結(jié)束。若最后的長(zhǎng)整型數(shù)為0，表示文件的參數(shù)指針表到此為至，否則該長(zhǎng)整數(shù)為指向下一個(gè)參數(shù)指針表的偏移。3）參數(shù)塊結(jié)構(gòu)表2-4TIF文件參數(shù)塊結(jié)構(gòu)

2.GIF圖像文件格式

CompuServe開(kāi)發(fā)的圖形交換文件格式GIF（GraphicsInterchangeFormat），目的是在不同的系統(tǒng)平臺(tái)上交流和傳輸圖像。它是在Web及其他聯(lián)機(jī)服務(wù)上常用的一種文件格式，用于超文本標(biāo)記語(yǔ)言(HTML)文檔中的索引顏色圖像，但圖像最大不能超過(guò)64M，顏色最多為256色。GIF圖像文件采取LZW壓縮算法，存儲(chǔ)效率高，支持多幅圖像定序或覆蓋，交錯(cuò)多屏幕繪圖以及文本覆蓋。GIF主要是為數(shù)據(jù)流而設(shè)計(jì)的一種傳輸格式，而不是作為文件的存儲(chǔ)格式。換句話(huà)說(shuō)，它具有順序的組織形式。GIF有五個(gè)主要部分以固定順序出現(xiàn)，所有部分均由一個(gè)或多個(gè)塊(block)組成。每個(gè)塊第一個(gè)字節(jié)中存放標(biāo)識(shí)碼或特征碼標(biāo)識(shí)。這些部分的順序?yàn)椋何募?biāo)志塊、邏輯屏幕描述塊、可選的“全局”色彩表塊(調(diào)色板)、各圖像數(shù)據(jù)塊（或?qū)Ｓ玫膲K）以及尾塊（結(jié)束碼）。GIF圖像文件格式如表2-5所示。

3.PCX文件

PCX文件格式由ZSoft公司設(shè)計(jì),最早使用的圖像文件格式之一，由各種掃描儀掃描得到的圖像幾乎都能保存成PCX格式。PCX支持256種顏色，不如TARGA或TIF等格式功能強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，存取速度快，壓縮比適中，適合于一般軟件的使用。

PCX格式常用于IBMPC兼容計(jì)算機(jī)。大多數(shù)PC軟件支持PCX格式的第5版。第3版文件使用標(biāo)準(zhǔn)的VGA調(diào)色板，不支持自定義調(diào)色板。

PCX格式支持RGB、索引顏色、灰度和位圖顏色模式，但不支持alpha通道。PCX支持RLE壓縮方法，圖像顏色的位數(shù)可以是1、4、8或24。

PCX圖像文件由三個(gè)部分組成：文件頭、圖像數(shù)據(jù)和256色調(diào)色板。PCX的文件頭有128個(gè)字節(jié)，它包括版本號(hào)，被打印或掃描的圖像的分辨率(dpi)及大小(單位為像素)，每掃描行的字節(jié)數(shù)，每像素包含的位數(shù)據(jù)和彩色平面數(shù)。位圖數(shù)據(jù)用行程長(zhǎng)度壓縮算法記錄數(shù)據(jù)。

4.JPEG圖像格式

JPEG(JointPhotographer’sExpertsGroup)格式即聯(lián)合圖像專(zhuān)家組,是由ISO和CCITT為靜態(tài)圖像所建立的第一個(gè)國(guó)際數(shù)字圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，主要是為了解決專(zhuān)業(yè)攝影師所遇到的圖像信息過(guò)于龐大的問(wèn)題。由于JPEG的高壓縮比和良好的圖像質(zhì)量，使得它廣泛應(yīng)用于多媒體和網(wǎng)絡(luò)程序中。JPEG和GIF成為HTML語(yǔ)法選用的圖像格式。

JPEG格式支持24位顏色，并保留照片和其他連續(xù)色調(diào)圖像中存在的亮度和色相的顯著和細(xì)微的變化。JPEG一般基于DCT變換的順序型模式壓縮圖像。JPEG通過(guò)有選擇地減少數(shù)據(jù)來(lái)壓縮文件大小，因?yàn)樗鼤?huì)棄用數(shù)據(jù)，故JPEG壓縮為有損壓縮。較高品質(zhì)設(shè)置導(dǎo)致棄用的數(shù)據(jù)較少，但是JPEG壓縮方法會(huì)降低圖像中細(xì)節(jié)的清晰度，尤其是包含文字或矢量圖形的圖像。2.4色度學(xué)基礎(chǔ)與顏色模型2.4.1色度學(xué)基礎(chǔ)在前面學(xué)習(xí)灰度圖像時(shí)，圖像的像素值是光強(qiáng)，即二維空間變量的函數(shù)f(x,y)。如果把灰度值看成是二維空間變量和光譜變量的函數(shù)f(x,y,λ)，即多光譜圖像，也就是通常所說(shuō)的彩色圖像。在計(jì)算機(jī)上顯示一幅彩色圖像時(shí)，每一個(gè)像素的顏色是通過(guò)三種基本顏色（即紅、綠、藍(lán)）合成的，即最常見(jiàn)的RGB顏色模型。要理解顏色模型，首先應(yīng)了解人的視覺(jué)系統(tǒng)。

1．三色原理在人的視覺(jué)系統(tǒng)中存在著桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞兩種感光細(xì)胞。桿狀細(xì)胞為暗視器官，錐狀細(xì)胞是明視器官，在照度足夠高時(shí)起作用，并能分別辨顏色。錐狀細(xì)胞將電磁光譜的可見(jiàn)部分分為三個(gè)波段：紅、綠、藍(lán)。由于這個(gè)原因，這三種顏色被稱(chēng)為三基色，圖2-7表示了人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)三類(lèi)錐狀細(xì)胞的光譜敏感曲線(xiàn)。圖2-7人類(lèi)感光細(xì)胞的敏感曲線(xiàn)根據(jù)人眼的結(jié)構(gòu)，所有顏色都可看作是三種基本顏色——R表示紅（Red）、G表示綠（Green)和B表示藍(lán)（Blue)按照不同的比例組合而成。為了建立標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際照度委員會(huì)(CIE)早在1931年就規(guī)定三種基本色的波長(zhǎng)分別為R：700nm，G：546.1nm，B：435.8nm。前面已講過(guò)，一幅彩色圖像的像素值可看作是光強(qiáng)和波長(zhǎng)的函數(shù)值f(x,y,λ)，但實(shí)際使用時(shí)，將其看作是一幅普通二維圖像，且每個(gè)像素有紅、綠、藍(lán)三個(gè)灰度值會(huì)更直觀(guān)些。

2．顏色的三個(gè)屬性

顏色是外界光刺激作用于人的視覺(jué)器官而產(chǎn)生的主觀(guān)感覺(jué)。顏色分兩大類(lèi)：非彩色和彩色。非彩色是指黑色、白色和介于這兩者之間深淺不同的灰色，也稱(chēng)為無(wú)色系列。彩色是指除了非彩色以外的各種顏色。顏色有三個(gè)基本屬性，分別是色調(diào)、飽和度和亮度。基于這三個(gè)基本屬性，提出了一種重要的顏色模型HSI（Hue、Saturation、Intensity）。在HSI顏色模型部分中，我們將詳細(xì)介紹這三個(gè)基本屬性。2.4.2顏色模型

為了科學(xué)地定量描述和使用顏色，人們提出了各種顏色模型。目前常用的顏色模型按用途可分為兩類(lèi)，一類(lèi)面向諸如視頻監(jiān)視器、彩色攝像機(jī)或打印機(jī)之類(lèi)的硬件設(shè)備。另一類(lèi)面向以彩色處理為目的的應(yīng)用，如動(dòng)畫(huà)中的彩色圖形。面向硬件設(shè)備的最常用彩色模型是RGB模型，而面向彩色處理的最常用模型是HSI模型。另外，在印刷工業(yè)上和電視信號(hào)傳輸中，經(jīng)常使用CMYK和YUV色彩系統(tǒng)。

1.RGB模型

RGB模型用三維空間中的一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示一種顏色，如圖2-8所示。每個(gè)點(diǎn)有三個(gè)分量，分別代表該點(diǎn)顏色的紅、綠、藍(lán)亮度值，亮度值限定在［0,1］。在RGB模型立方體中，原點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的顏色為黑色，它的三個(gè)分量值都為零。距離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的顏色為白色，它的三個(gè)分量值都為1。從黑到白的灰度值分布在這兩個(gè)點(diǎn)的連線(xiàn)上，該線(xiàn)稱(chēng)為灰色線(xiàn)。立方體內(nèi)其余各點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的顏色。彩色立方體中有三個(gè)角對(duì)應(yīng)于三基色——紅、綠、藍(lán)。剩下的三個(gè)角對(duì)應(yīng)于三基色的三個(gè)補(bǔ)色——黃色、青色（藍(lán)綠色）、品紅（紫色）。圖2-8RGB模型單位立方體

2.HSI模型

HSI模型是Munseu提出的，它反映了人的視覺(jué)系統(tǒng)觀(guān)察彩色的方式，在藝術(shù)上經(jīng)常使用HSI模型。HSI模型中，H表示色調(diào)(Hue)，S表示飽和度(Saturation)，I表示亮度(Intensity，對(duì)應(yīng)成像亮度和圖像灰度)。這個(gè)模型的建立基于兩個(gè)重要的事實(shí)：①I(mǎi)分量與圖像的彩色信息無(wú)關(guān)；②

H和S分量與人感受顏色的方式是緊密相聯(lián)的。這些特點(diǎn)使得HSI模型非常適合借助人的視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)感知彩色特性的圖像處理算法。圖2-9中的色相環(huán)描述了色相和飽和度兩個(gè)參數(shù)。色相由角度表示，它反映了該彩色最接近什么樣的光譜波長(zhǎng)。一般假定0°表示的顏色為紅色，120°的為綠色，240°的為藍(lán)色。0°到240°的色相覆蓋了所有可見(jiàn)光譜的彩色，在240°到300°之間為人眼可見(jiàn)的非光譜色（紫色）。飽和度是指一個(gè)顏色的鮮明程度，飽和度越高，顏色越深，如深紅，深綠。飽和度參數(shù)是色環(huán)的原點(diǎn)（圓心）到彩色點(diǎn)的半徑的長(zhǎng)度。由色相環(huán)可以看出，環(huán)的邊界上純的或飽和的顏色，其飽和度值為1。在中心是中性（灰色）陰影，飽和度為0。圖2-9色相環(huán)亮度是指光波作用于感受器所發(fā)生的效應(yīng)，其大小由物體反射系數(shù)來(lái)決定，反射系數(shù)越大，物體的亮度愈大，反之愈小。

HSI模型的三個(gè)屬性定義了