圖像文件格式

1、第五講第五講 圖像文件格式圖像文件格式空軍雷達學院自動化教研室 周焰主要內(nèi)容圖象文件的分類圖象數(shù)據(jù)的結構圖像格式圖象文件格式的比較圖像文件的分類點陣型向量型動畫型圖像文件的分類（續(xù)）點陣型：采用位映射（bit-mapped）的方式存儲圖形文件。例如大家最熟悉的中文字型，它的15*16字型和24*24字型就是使用此種字型存儲。一般常見的點陣型圖象文件常用BMP、PCX、GIF等做后綴。圖像文件的分類（續(xù)）向量型：采用直線（line）、曲線（curve）、矩形（rectangle）、圓形（circle）等向量（vector）的方式存儲圖形。市面上所謂的向量字型就是使用這種方式儲存（注意：有的向量圖

2、內(nèi)也可以儲存點陣型圖）。常見的向量圖文件有：windows的.WMF，Lotus的.PIC，CorelDraw的.CDR等。圖像文件的分類（續(xù)）動畫型：所謂動畫型圖象其實可以說是由許多的點陣圖象所組成，但是，有些更高級的動畫型圖象則可以分析出兩個畫面的差異，然后只存儲其差異部分。例如有一只海鷗飛過一座高山，此時，當作背景的高山是不會有任何改變的，因此，只需存儲畫面間海鷗飛過時所改變的地方即可。常見的動畫型圖象文件有：Animator的.FLI、MacroMind Director的.MMM等，而目前最受眾人矚目的動畫型圖象則為MPEG（Motions Picture Experts Group

3、）數(shù)字電視圖象。圖象數(shù)據(jù)的結構圖象數(shù)據(jù)事實上就是一個有許多元素（element）組成的二維矩陣，由于矩陣中每個元素相當于該圖中的每一點（dot）,因此被稱為象素（pixel），而圖象數(shù)據(jù)所對應的色彩數(shù)目（color number）則是由每點所需位數(shù)（bits per pixel）來決定，其計算方式如下： color number = 2(bits per pixel) 圖象數(shù)據(jù)的結構（續(xù)）Bit Per Pixel Color Number1-bit 2-color4-bit 16-color8-bit 256-color16-bit high-color24-bit true-color32

4、-bit true-color圖象數(shù)據(jù)的結構（續(xù)）由于彩色計算機屏幕所顯示的每種顏色都是以RGB三基色組成，因此，大多數(shù)的圖象文件在儲存彩色圖象數(shù)據(jù)時，都是采用RGB色彩系統(tǒng)來描述顏色，彩色圖象大致可以分成三組：真彩色圖象：真彩色圖象：如果圖象數(shù)據(jù)中每個象素的顏色直接以RGB表示，其中RGB各占一個字節(jié)（即每個象素占3個字節(jié)），則該圖象稱為真彩色（true color）圖象，也稱全彩色（full color）圖象。以一張640*480的真彩色圖象為例，其所需的儲存空間為：640*480*3=900KB圖象數(shù)據(jù)的結構（續(xù)）深彩色圖象：深彩色圖象：如果圖象數(shù)據(jù)中每個象素的顏色值仍是直接以RGB來表

5、示，但每個象素僅占2個字節(jié)（亦即RGB可能各占5個位，也可能某一種顏色占了6個位），該圖象就稱為深彩色（high color）圖象。以一張640*480的16位深彩色圖象為例，其所需的存儲空間為： 640*480*2=600KB圖象數(shù)據(jù)的結構（續(xù)）偽彩色圖象：如果圖象數(shù)據(jù)中各種顏色的RGB值存儲在彩色表（color table）或調(diào)色板（palette）內(nèi)，而圖象資料中每個象素的顏色值為指向調(diào)色板的索引值（index），則該圖象稱為含調(diào)色板圖象，通常稱為偽彩色（pseudo color）圖象。由于圖象資料中每個象素的顏色值以不超過一個字節(jié)為原則（通常每個象素占4個位或8個位），因此，調(diào)色板中最

6、多可以存儲256種顏色。以一張640*480的8位偽彩色圖象為例，其所需的存儲空間為： 640*480+256*3=300.75KB圖像格式從組成形式上來分類：v位圖圖像v矢量圖形圖像格式（續(xù)）從文件類型上來分類：BMPGIFJPEGTIFFPCXTGA圖像格式（續(xù)）位圖圖像：位圖圖像：繪畫以及圖象編輯軟件都產(chǎn)生位圖圖象，也叫作柵格圖象。位圖圖象是用小方形網(wǎng)格（位圖或柵格），即人所共知的象素來代表圖象，每個象素都被分配一個特定位置和顏色值。例如，在位圖圖象中自行車輪胎是由該位置的象素拼合組成的。處理位圖圖象時，編處理位圖圖象時，編輯的是象素而不是對象或形狀。輯的是象素而不是對象或形狀。 圖像格

7、式（續(xù)）位圖圖象與分辨率有關位圖圖象與分辨率有關，換句話說，它包含固定數(shù)量的象素，代表圖象數(shù)據(jù)。因此，如果在屏幕上以較大的倍數(shù)放大顯示，或以過低的分辨率打印，位圖圖象會出現(xiàn)鋸齒邊緣，且會遺漏細節(jié)。在表現(xiàn)陰影和色彩（如在照片或繪畫圖象中）的細微變化方面，位圖圖象是最佳選擇。圖像格式（續(xù)）矢量圖形：矢量圖形：繪圖軟件創(chuàng)作的矢量圖形，是由叫作矢量的數(shù)學對象所定義的直線和曲線組成的。矢量根據(jù)圖形的幾何特矢量根據(jù)圖形的幾何特性來對其進行描述。性來對其進行描述。例如，矢量圖形中的自行車輪胎是由數(shù)學定義的圓形組成，這個圓形按某一半徑畫出，放在特定位置并填充有特定的顏色。移動、縮放輪胎移動、縮放輪胎或更改輪胎

8、顏色不會降低圖形的品質(zhì)?；蚋妮喬ヮ伾粫档蛨D形的品質(zhì)。 圖像格式（續(xù)）矢量圖形與分辨率無關，矢量圖形與分辨率無關，換句話說，您可以將它縮放到任意大小和以任意分辨率在輸出設備上打印出來，都不會遺漏細節(jié)或清晰度。因此，矢量圖形是文字矢量圖形是文字（尤其是小字）和粗圖形的最佳選擇，這些圖形（比（尤其是小字）和粗圖形的最佳選擇，這些圖形（比如徽標）在縮放到不同大小時必須保持清晰的線條。如徽標）在縮放到不同大小時必須保持清晰的線條。圖像格式（續(xù)）因為計算機顯示器通過在網(wǎng)格上的顯示來呈現(xiàn)圖象，因此矢量和點陣圖象在屏幕上都是以象素顯示的。從矢量到位圖的轉換稱為掃面轉換掃面轉換，它是計算機圖形學的研究內(nèi)容

9、。圖像格式（續(xù)）BMP BMP 是 DOS 和 Windows 兼容計算機系統(tǒng)的標準 Windows 圖象格式。BMP 格式支持 RGB、索引顏色、灰度和位圖顏色模式?？梢灾付▓D象采用 Microsoft Windows 或 OS/2 格式，并指定圖象的位深度。BMP的主要特點：文件結構與PCX文件格式類似，每個文件只能存放一幅圖像；圖像數(shù)據(jù)是否采用壓縮方式存放，取決于文件的大小與格式，即壓縮處理成為圖 像文件的一個選項，用戶可以根據(jù)需要進行選擇。 圖像格式（續(xù)）Windows中定義了兩種位圖文件類型，即一般位圖文件格式與設備無關位圖文件格 式。其中，由于設備無關位圖(DIB)文件格式具有更強

10、的靈活性與完整的圖像數(shù)據(jù)、 壓縮方式等定義。BMP圖像文件的結構可以分為如下三個部分：文件頭、調(diào)色板數(shù)據(jù)以文件頭、調(diào)色板數(shù)據(jù)以 及圖像數(shù)據(jù)及圖像數(shù)據(jù)。其中文件頭的長度為固定值54個字節(jié) 。以下將分別介紹BMP圖像文件結構中的這三個重要組成部分。特別值得注意的是：BMP 圖像文件結構設計得相當簡單，這無疑有利于圖像文件的處理速度，但是同時也使得 BMP圖像文件格式具有一定的局限性，即一個BMP圖像文件只能存儲一幅圖像。 圖像格式（續(xù)）BMP圖像文件的文件頭定義 Windows中將BMP圖像文件的文件頭分成兩個數(shù)據(jù)結構，其中一個數(shù)據(jù)結構中包含 BMP文件的類型、大小和打印格式等信息，稱為BITMA

11、PFILEHEADERl另外一個數(shù)據(jù) 結構中則包含BMP文件的尺寸定義等信息 。typedef struCttagBITMAPFIlEHEADERWORD bftype； WORD bfsiZe； WORD bfReservedl； WORD bgReserved2： WORD bfoffBits： BITMAPFILEHEADER； 圖像格式（續(xù)）bftype在圖像文件存儲空間中的數(shù)據(jù)類型為unsignedchar，內(nèi) 容為固定值“BM”，用于標志文件格式，表示該圖像文件為BMP文件。 bfsize的數(shù)據(jù)類型為unsignedlong，它以字節(jié)為單位，定義位圖文件的大小。 bfReserve

12、dl與bfReserved2的數(shù)據(jù)類型則都為unsignedint，二 者都是BMP文件的保留字，沒有任何意義，其值必須為0. bfoffBits的數(shù)據(jù)類型為unsignedlong，它以字節(jié)為單位，指示圖像 數(shù)據(jù)在文件內(nèi)的起始地址，即圖像數(shù)據(jù)針對文件頭的偏移量。 圖像格式（續(xù)）GIFGIF是Graphic Interchange Format （圖形交換格式）的縮寫，它是由CompuServe公司在1987年提出的。其最初目的是希望每個BBS（Bulletin Board System）的使用者能夠通過GIF文件，輕易存儲并交換圖形數(shù)據(jù)。在WWW和其它網(wǎng)上服務的HTML文檔中，GIF文件格式

13、普遍用于顯示索引顏色圖形和圖象。GIF 是一種 LZW （字串表壓縮法）壓縮格式，用來最小化文件大小和電子傳遞時間。最多支持256種顏色。圖像格式（續(xù)）GIF圖象文件的結構是由塊組成的。以下是一個典型的GIF文件結構：文件頭信息 header 屏幕描述塊 Logical Screen Descriptor 全域調(diào)色板數(shù)據(jù) Global color table 圖象描述塊 Image descriptor 區(qū)域調(diào)色板數(shù)據(jù) Local color table 圖象壓縮數(shù)據(jù) Table based image data 圖形控制擴充塊 Graphic Control extension 圖形說明擴充

14、塊 Plain text extension圖像格式（續(xù)）注解說明擴充塊 Comment extension應用程序擴充塊 Application extension文件結尾塊 Trailer按照這些塊的特性，可以將其歸納為三大類：控制塊（control block）包括了控制數(shù)據(jù)流（Data Stream）的處理以及設定硬件的參數(shù)，其成員有：*Header*Logical screen descriptor*Graphic control extension*Trailer圖像格式（續(xù)）圖形描繪塊（Graphic rendering Block）包含了在顯示設備上描繪圖形所需的信息，其成員有

15、：* Image descriptor* Plain text extension特殊用途塊包含了與處理圖象數(shù)據(jù)無直接關系的信息，其成員有：*Comment extension*Application extension圖像格式（續(xù)）以下是各個塊結構的說明：文件頭信息GIF文件頭占6個字節(jié)，其結構如下：typedef struct gifheaderBYTE bySignature3; BYTE byVersion3;GIFHEADER;bySignature，GIF識別碼，固定為“GIF”。byVersion，版本號。有2個版本GIF87a和GIF89a，分別是1987和1989年公布的，在

16、文件頭信息中用“87a”和“89a”表示。圖像格式（續(xù)）屏幕描述塊 邏輯屏幕是一個虛擬屏幕，通過邏輯屏幕我們可以知道該如何處理圖象的顯示。其結構如下：typedef struct gifscrdescWORD wWidth; WORD wDepth; Struct globalflag BYTE Palbits:3; BYTE SortFlag:1; BYTE ColorRes:3; BYTE GlobalPal:1;GlobalFlag; BYTE byBackground; BYTE byAspect;GIFSCRDESC;圖像格式（續(xù)）wWidth：邏輯屏幕的寬度；wDepth：邏輯屏幕

17、的高度；globalflag ：全域性數(shù)據(jù)。globalflag. Palbits：判斷圖象文件中是否存在全域性調(diào)色板。globalflag. SortFlag：判斷調(diào)色板中的RGB值是否經(jīng)過排序。globalflag. ColorRes：計算原始圖象的色彩分辨率。globalflag. GlobalPal：計算調(diào)色板數(shù)據(jù)的大小。byBackground：邏輯屏幕的背景顏色。byAspect：邏輯象素的長寬比例。圖像格式（續(xù)）全域調(diào)色板數(shù)據(jù)：全色調(diào)色板的大小是由globalflag. Palbits決定，其最大長度為768（256*3）字節(jié)。原則上在GIF圖象文件中的每張圖象中都有其專屬的區(qū)域

18、調(diào)色板，倘若某張圖象沒有定義其全域調(diào)色板，就必須以區(qū)域調(diào)色板替代。圖象描述塊：存儲圖象描述數(shù)據(jù)，如圖象的寬、高，圖象的位置等。區(qū)域調(diào)色板數(shù)據(jù)：區(qū)域調(diào)色板的最大長度為768字節(jié)。圖象壓縮數(shù)據(jù)：存儲圖象壓縮的最小字節(jié)數(shù)，數(shù)據(jù)子塊信息等。圖像格式（續(xù)）數(shù)據(jù)子塊：數(shù)據(jù)子塊是一種可變長度的塊，其長度由第一個字節(jié)的數(shù)據(jù)來決定，而其最大值為256，也就是說，數(shù)據(jù)子塊的最大長度為256字節(jié)，若長度為0，則表示此塊沒有包含任何數(shù)據(jù)，其作用在于辨識一系列數(shù)據(jù)子塊是否結束。擴充塊：由于GIF圖象文件中可能有多個圖象描述塊及擴充塊，而且塊也沒有一定的存放順序，因此，GIF圖象文件用一個字節(jié)的識別碼來判斷是否為擴充塊。

19、擴充塊有四種，分別為： 圖形控制擴充塊：包含描繪圖形時的參數(shù)。 圖形說明擴充塊：包含了與圖形同時顯示的文字的相 關信息。圖像格式（續(xù)） 注解說明擴充塊：包含了圖形的文字注解說明。 應用程序擴充塊：包含了制作此圖象文件的應用軟件 的相關信息。文件結尾塊： Trailer為GIF文件中Data Stream的結尾塊。圖像格式（續(xù)）JPEG JPEG是Joint Photographic Experts Group （聯(lián)合圖片專家組）的縮寫。在 WWW 和其它網(wǎng)上服務的 HTML 文檔中，JPEG普遍用于顯示圖片和其它連續(xù)色調(diào)的圖象文檔。JPEG 格式支持 CMY、RGB 和灰度顏色模式，與 GIF

20、 格式不同，JPEG 保留 RGB 圖象中的所有顏色信息，通過選擇性地去掉數(shù)據(jù)來壓縮文件。 JPEG 圖象在打開時自動解壓縮。高等級的壓縮會導致較低的圖象品質(zhì)，低等級的壓縮則產(chǎn)生較高的圖象品質(zhì)。在大多數(shù)情況下，采用“最佳”品質(zhì)選項產(chǎn)生的壓縮效果與原圖幾乎沒有什么區(qū)別。圖像格式（續(xù)）圖像格式（續(xù)）Jpeg是一種有損壓縮方式，該文件的目的是提供一種高壓縮比的圖象，jpeg圖象的格式也是以每一數(shù)據(jù)段來描述的，在jpeg文件的開始是SOF數(shù)據(jù)標志，文件最后以EOF標志結束。數(shù)據(jù)段最后結束標志的不同表示了數(shù)據(jù)段的意義，主要有以下幾種： FFD8: SOF數(shù)據(jù)段，包含了圖象的精度，尺寸，長度等信息 FFD

21、9: EOF 數(shù)據(jù)段，表示文件結束 RST1RST7, FFD1FFD7:復位數(shù)據(jù)標志 FFE0:保留數(shù)據(jù)塊 FFFE:文件注釋數(shù)據(jù)塊 圖像格式（續(xù)） FFDB:量化表數(shù)據(jù)塊 FFDC:圖像行數(shù)數(shù)據(jù)塊 FFDD:復位間隔數(shù)據(jù)塊 FFC4: haffman 表數(shù)據(jù)塊 JPEG支持24位色或真彩色，典型壓縮比為4：1。下表是一幅原圖為380K的“psd”格式圖象在不同壓縮比下進行壓縮后的圖象文件大小的比較： 圖像格式（續(xù)）壓縮方式壓縮比圖象質(zhì)量文件大小最高（max）小很好93k高（high）較小非常好細節(jié)損失不易被察覺53k中等（medium）中等細節(jié)損失明顯但還可接受31k底（low）高細節(jié)損失

22、大23k圖像格式（續(xù)）由此表可以看出，在兼顧圖象質(zhì)量和大小的情況下，以中等（medium）方式對自然色彩的圖象進行JPEG壓縮最為適宜。 JPEG只能對具有連續(xù)色調(diào)或連續(xù)灰階的24位圖象進行壓縮，對由8位轉化成24位的圖象沒有優(yōu)勢。原因在于8位色彩的圖象中相鄰點的顏色變化比24位大，JPEG對于這類圖象造成既占空間又損失圖象質(zhì)量的結果，這時JPEG的壓縮效果可能比GIF更差。 圖像格式（續(xù)）TIFF TIFF（Tag Image File Format）是由9家公司共同發(fā)布的， 是一種靈活的位圖圖象格式，實際上被所有繪畫、圖象編輯和頁面排版應用程序所支持。而且?guī)缀跛凶烂鎾呙鑳x都可以生成 TI

23、FF 圖象。它能支持單色、灰度、彩色、和其他很多種色彩系統(tǒng)，而在圖象數(shù)據(jù)存儲的方式上，除了未壓縮的方式外，還包含很多種壓縮方法。其圖象文件結構主要分為圖象文件表頭圖象文件表頭和圖圖象文件目錄象文件目錄兩個部分。（由于該文件的數(shù)據(jù)結構過于復雜，很少有軟件能支持其所有特性，在這里就不作介紹了）圖像格式（續(xù)）PCX PCX 格式普遍用于 IBM PC 兼容計算機上。大多數(shù) PC 軟件支持 PCX 格式版本 5。版本 3 文件采用標準 VGA 調(diào)色板，該版本不支持自定調(diào)色板。PCX 格式支持 RGB、索引顏色、灰度和位圖顏色模式。PCX 支持 RLE（重復段長度） 壓縮方式。支持位深度為1、4、8 或

24、 24 的圖象。圖像格式（續(xù)）PCX文件結構分為文件頭和圖象壓縮數(shù)據(jù)兩個部分（如果是8位的PCX圖象文件，則還有256色調(diào)色板數(shù)據(jù)儲存于文件尾）。PCX的文件頭全部占有128字節(jié)，其數(shù)據(jù)結構如下：typedef struct pcxheaderBYTE byManufacturer; BYTE byVersion; BYTE byEncoding; BYTE byBits; WORD wLeft;圖像格式（續(xù)）WORD wTop;WORD wRight;WORD wBottom;WORD wXResolution;WORD wYResolution;BYTE byPallette48;BYTE

25、 byReserved;BYTE byPlanes;WORD wLineBytes;WORD wPalletteType;圖像格式（續(xù)）WORD wScrWidth;WORD wScrDepth;BYTE byFiller54;PCXHEADER;其中，BYTE和WORD分別表示8位和16位的無符號整型。該結構的各數(shù)據(jù)成員的含義如下：byManufacturerPCX識別碼，用來識別是否為PCX文件；byVersion表示使用的paintbrush版本，共有0，2，3，4，5等值，不同版本處理色彩的能力不一樣。圖像格式（續(xù)）byEncoding數(shù)據(jù)壓縮方式，目前只有一種壓縮方式，值為1，表示采用runlength壓縮法。byBits每個象素所需的位數(shù)。wLeft圖象相對于屏幕（screen）左上角的x坐標。wTop圖象相對于屏幕（screen）左上角的y坐標。wRight圖象相對于屏幕（screen）右下角的x坐標。圖像格式（續(xù)） wBottom圖象相對于屏幕（scre