图形和图像在计算机中的表示

3.4.1 图形在计算机中的表示  1．图形

在计算机中图形和图像是两个不同的概念。图形一般是指通过绘图软件绘制的由直线、

圆、圆弧、矩形、任意曲线等几何图形组成的画面。 

2．图形在计算机中的表示

图形是一种矢量图。矢量图是用数学的方式来描述一幅图形。矢量图形的描述包括形状、

色彩、位置等。矢量图形本身就用数字化形式来表述。图形的最大优点在于可以分别控制处理 图中的各个部分，如在屏幕上移动、旋转、放大、缩小而不失真，不同的物体还可以在屏幕上 重叠并保持各自的特性，必要时仍可分开。但对于一幅复杂的彩色照片，很难用数学来描述，

因此也难以用矢量图来表示。 

3.4.2 图像在计算机中的表示  1．图像

图像是由扫描仪、照像机、摄像机等输入的画面。形一般是指通过绘图软件绘制的由直 线、圆、圆弧、矩形、任意曲线等几何图形组成的画面。 

2．静态图像在计算机中的表示

自然景物成像后可以复制成照片、录像带进行保存，这样的图像称为模拟图像。它们是

连续的，不能直接用计算机进行处理，还需要进一步转化处理。

静态图像在计算机中是用位图来表示的，位图也叫点阵图像，是由若干个排列成行、列 的点构成，这些点称为像素（Pixels） ，用以描述图像中各点的明暗强度与颜色。每个像素点的 亮度和颜色信息用若干数据位来表示，这些数据位的个数称为图像的颜色深度或灰度级。

图像的数字化就是将模拟图像转化成位图的过程，通常包括采样和量化。采样就是将连 续的模拟图像变换成离散点的操作过程。在这个过程中，采样间隔是个重要参数，它决定了在 一定的面积内取多少个像素点。 在同等面积内， 像素点数越多， 分辨率就越高， 图像质量越好。

采样后，图像成为离散的像素点，但其灰度仍是连续的。还需要将像素的灰度转换成离 散的整数值，即量化。若一幅数字图像的量化灰度级为 8 bit，就可以有 2 ⁸ =256 个灰度级差。

颜色深度与显示的颜色数目之间的关系如表 3­4 所示。

表 3­4  颜色深度与显示的颜色数目之间的关系

颜色深度（bit） 颜色总数 图像名称 

1  2（2 ¹ ） 单色图像（黑白二色） 

4  16（2 ⁴ ） 索引 16 色图像 

8  256（2 ⁸ ） 索引 256 色图像 

16  65536（2 ¹⁶ ）  HI­Color 图像（实际只显示 32768 种颜色） 

24  16777216（2 ²⁴ ）  True Color 图像（真彩色）

图像的分辨率越高、颜色深度越深，则数字化后的图像效果越逼真，图像数据量也越大。

但是，经采样、量化形成的图像丢掉了部分数据，与模拟图像必然有一定的差距。但这个差距 通常控制得相当小，以至人的肉眼难以分辨，人们可以将数字化图像等同于模拟图像。 

3．动画和视频

动画和视频是图形和图像的动态形式。动态图像是由一系列的静态画面按一定的顺序排 列组成，并配以同步的声音。每一个静态画面称为一“帧” ，当每秒以 24 帧的速度播放时，由 于视觉的暂留现象产生动态效果。

动态的图像有动画和视频两种方式。动画的每一幅画面是通过工具软件（如 Flash 等）对 图像素材进行编辑制作而成；而视频影像是对信号源（如电视机、摄像机等）进行采样和量化 后制作而成。 动画是用人工合成的方法对真实世界的一种模拟， 而视频影像则是对真实世界的 记录。

4．图像压缩技术

随着数字化时代的发展，需要存储、传输和处理的信息的数量成指数级地增加。图像作 为数字信息的重要组成部分，是信息交流的重要载体，也是蕴含信息量最大的媒体。因此图像 压缩作为图像处理的一个重要组成部分，一直是人们研究的一个热点。

（1）图像压缩的基本原理

图像数据之所以能被压缩，就是因为数据中存在着冗余。图像数据的冗余主要表现为：

图像中相邻像素间的相关性引起的空间冗余； 图像序列中不同帧之间存在相关性引起的时间冗 余； 不同彩色平面或频谱带的相关性引起的频谱冗余。 数据压缩的目的就是通过去除这些数据 冗余来减少表示数据所需的比特数。 由于图像数据量的庞大， 在存储、 传输、 处理时非常困难，

因此图像数据的压缩就显得非常重要。

信息时代带来了“信息爆炸” ，使数据量大增，因此，无论传输或存储都需要对数据进 行有效的压缩。在遥感技术中，各种航天探测器采用压缩编码技术，将获取的巨大信息送 回地面。

图像压缩是数据压缩技术在数字图像上的应用，它的目的是减少图像数据中的冗余信息 从而用更加高效的格式存储和传输数据。

（2）图像压缩基本方法

图像压缩可以是有损数据压缩也可以是无损数据压缩。对于如绘制的技术图、图表或者 漫画优先使用无损压缩， 这是因为有损压缩方法， 尤其是在低的位速条件下将会带来压缩失真。

如医疗图像或者用于存档的扫描图像等这些有价值的内容的压缩也尽量选择无损压缩方法。 有 损方法非常适合于自然的图像， 例如一些应用中图像的微小损失是可以接受的 （有时是无法感 知的），这样就可以大幅度地减小位速。

（3）图像压缩的标准

经典的视频压缩算法已渐形成一系列的国际标准体系，如 H.26x 系列建议、H.320 系列建 议、JPEG 以及MPEG系列等标准。

（4）衡量数据压缩技术的重要指标

l 压缩比，即压缩前后所需的信息存储之比要大。

l 恢复效果，即要尽可能恢复到原始数据。

l 压缩、解压速度，尤其解压速度更为重要，因为解压是实时的。

l 实现压缩的软、硬件开销要小。 

3.4.3 常用的图像文件格式

在图形图像数据处理中，可用于图形图像文件存储的格式很多，现分类列出常用的文件 格式。

1．静态图像格式

（1）JPEG 格式 

JPEG 是由联合照片专家组（Joint  Photographic  Experts  Group）开发的。它既是一种文件 格式，又是一种压缩技术。JPEG 作为一种很灵活的格式，具有调节图像质量的功能，允许用 不同的压缩比例对这种文件压缩。 作为先进的压缩技术， 它用有损压缩方式去除冗余的图像和 彩色数据，在获取极高的压缩率的同时能展现十分丰富生动的图像。JPEG 格式是现在使用最 为广泛的格式之一，也是目前最优秀的数字化摄影图像的存储方式，JPEG 还是万维网中图像 处理时使用的主要文件格式之一。

（2）PSD 格式

这种图像文件格式是 Photoshop 7.0 默认的格式。其文件格式后缀为 PSD 和 PDD。它是由  Adobe 公司专门开发的适用于 Photoshop、ImageReady 的图像格式。它支持从 BMP 到 CMYK  的所有色彩模型类型，是最能体现 Photoshop  7.0 功能与特征的优化格式。这种格式已经得到 了广泛的应用。它支持 Photoshop  7.0 特有的一些图像信息，包括能够存储图层、蒙板通道和 其他的图像信息，而且这种格式的文件是进行了压缩的，其压缩比例和 JPEG 差不多，并且压 缩后不失真，不会影响到图像的质量。

（3）BMP 格式 

BMP（Bitmap）是 Windows 操作系统中的标准图像文件格式。这种格式的特点是包含的 图像信息较丰富，几乎不进行压缩，但文件占用了较大的存储空间。BMP 格式支持 RGB、索 引颜色、灰度和位图颜色模式 A。基本上绝大多数图像处理软件都支持此格式。

在 Windows 系统中系统所用的大部分图像都是以该格式保存的，如墙纸图像、屏幕保护 图像等。BMP 格式图像的文件可以使用 RLE（Run Length Encoding，运行长度编码）的无损 压缩方案进行压缩。

（4）GIF 格式 

GIF（Graphics  Interchange  Format）是 CompuServe 公司开发的图像文件格式，采用了压 缩存储技术。GIF 格式同时支持线图、灰度和索引图像，但最多支持 256 种色彩的图像。GIF  格式的特点是压缩比高，磁盘空间占用较少、下载速度快。GIF 文件内部分成许多存储块，用 来存储多幅图像或者是决定图像表现行为的控制块，用以实现动画和交互式应用。 

2．动态图像格式

数字化视频的数据量巨大，通常采用特定的压缩算法对数据进行压缩，根据压缩算法的 不同，保存数字化视频的常用格式如下：

（1）MPEG/MPG 

MPEG（Moving Picture Experts Group）是 1988 年成立的一个专家组。1991 年制定了一个  MPEG­1  国际标准，采用的算法简称为  MPEG 算法，是目前最常见的视频压缩方式，可对包 括声音在内的运动图像进行压缩。最大压缩可达约 1:200，用该算法压缩的数据称为 MPEG 数 据，由该数据产生的文件称 MPEG 文件，常以 MPG 为后缀，部分采用 MPEG 格式压缩的视 频文件也以 DAT 为扩展名。

（2）AVI 

AVI （Audio Video Interleaved） 是一种音频视像交叉记录的数字视频文件格式。 1992 年初， 

Microsoft 公司推出了 AVI 技术，是对视频文件采用的一种有损压缩方式。在 AVI 文件中，运 动图像和伴音数据是以交替的方式进行存储的。 这种组织数据的方式使得读取视频数据流时能 更有效地从存储媒介得到连续的信息。

（3）MOV 

MOV  是  Apple（苹果）公司创立的一种视频格式，它是图像及视频处理软件  QuickTime  所支持的格式，在很长的一段时间里，它都只是在苹果公司的  Mac 机上存在，随着个人多媒 体电脑近几年的飞速普及，Apple  公司不失时机地推出了  QuickTime  的  Windows  版本。 

QuickTime 能够通过 Internet 提供实时的数字化信息流、工作流与文件回放功能。

（4）ASF 

ASF （Advanced Streaming Format） 是微软公司推出的高级流媒体格式， 也是一个在 Internet  上实时传播多媒体的技术标准。由于它使用了  MPEG­4  的压缩算法，所以压缩率和图像的质 量都很不错。 它应用的主要部件是 NetShow 服务器和 NetShow 播放器。 将媒体信息编译成 ASF 

ASF （Advanced Streaming Format） 是微软公司推出的高级流媒体格式， 也是一个在 Internet  上实时传播多媒体的技术标准。由于它使用了  MPEG­4  的压缩算法，所以压缩率和图像的质 量都很不错。 它应用的主要部件是 NetShow 服务器和 NetShow 播放器。 将媒体信息编译成 ASF