第3章 圖像的格式、類型

第3章圖像的格式和類型1學習重點數(shù)字圖像的基本類型圖像相關術語數(shù)字圖像的基本文件格式matlab圖像類型及數(shù)據(jù)格式2學習內(nèi)容3.1

簡單的圖像模型3.2數(shù)字圖像的基本類型3.3圖像處理軟件3.4圖像相關術語3.5數(shù)字圖像的基本文件格式3.6matlab圖像類型及數(shù)據(jù)格式3對于N×N象素組成的圖像，可以用矩陣來表示：一幅圖像可以用二維函數(shù)f(x,y)來表示若對于N×N象素的彩色圖像，可以用三個矩陣表示：

[FR]N×N、[FG]N×N、[FB]N×N。ji3.1簡單的圖像模型43.2數(shù)字圖像的基本類型計算機一般采用兩種方式存儲靜態(tài)圖像：位映射（Bitmap），即位圖存儲模式；

向量處理（Vector），也稱矢量存儲模式。位圖也稱為柵格圖像，是通過許多像素點表示一幅圖像，每個像素具有顏色屬性和位置屬性。2/4/202353.2數(shù)字圖像的基本類型位映射是將圖像的每一個像素點轉(zhuǎn)換一個數(shù)據(jù)，并存放在以字節(jié)為單位的矩陣中。這種存儲模式較適合于內(nèi)容復雜的圖像和真實的照片，如，用數(shù)碼相機和掃描儀獲取的圖像一般都存儲為位圖。位圖圖像的缺點在于：隨著分辨率以及顏色數(shù)的提高，位圖圖像所占用的磁盤空間會急劇增大，同時在放大圖像的過程中，圖像也會變得模糊而失真。2/4/202363.2數(shù)字圖像的基本類型

矢量圖只存儲圖像內(nèi)容的輪廓部分，而不是圖像數(shù)據(jù)的每一點。如，對于一個圓形，只要存儲圓心的坐標位置和半徑長度，以及圓形邊線和內(nèi)部的顏色即可。該存儲方式的缺點是經(jīng)常耗費大量的時間做一些復雜的分析演算工作，但圖像的縮放不會影響顯示精度，即圖像不會失真，而且圖像的存儲空間較位圖方式要少得多。所以，向量處理比較適合存儲各種圖標和工程設計圖。2/4/202373.2數(shù)字圖像的基本類型位圖是記錄每一個像素的顏色值，再把這些像素點組合成一副圖像。矢量圖是保存圖像對象的位置和曲線、顏色的算法。位圖占用的存儲空間較矢量圖要大得多。矢量圖的顯示速度較位圖慢。2/4/202383.3圖像處理軟件能夠進行圖像處理的軟件很多，其中最著名的就是photoshop，該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)圖像顯示、增強、剪切、濾波等一系列的操作，效果非常不錯，由該軟件生成的圖像文件格式目前已經(jīng)作為國際標準予以存在。

許多人將圖像處理與photoshop畫上了等號，這是一種非常錯誤的概念。photoshop只是一種通用的圖像處理軟件，一般是用來提高視覺感受，而實際的圖像處理工作主要是針對不同的應用領域提取不同的信息的，這是photoshop不善長甚至不支持的。2/4/202393.3圖像處理軟件針對不同的應用領域需要不同的圖像處理算法，因此用戶最好還是根據(jù)對某個圖像處理軟件或高級程序語言的掌握程度來編寫自己的圖像處理程序。我們采用matlab來實現(xiàn)各種類型的圖像處理。因為數(shù)字圖像實際上就是一組有序的離散數(shù)據(jù)，使用matlab可以對這些離散數(shù)據(jù)形成的矩陣進行一次性的處理。

2/4/2023103.4圖像相關術語1像素（pixel）

像素是構成數(shù)字圖像的最小單位，是圖像采樣的網(wǎng)格單位。它是以矩陣的方式排列，每幀圖像被描述成由MxN個數(shù)據(jù)組成的矩陣，矩陣的每個元素就被稱為像素。像素點是與圖像的分辨率相關的，分辨率越高，像素點越小，圖像越清晰。2/4/2023113.4圖像相關術語2DPI（dotperinch）

DPI是指各類輸出設備（如打印機、繪圖儀等）每英寸上所顯示的像素點數(shù)，一般也稱為設備分辨率。如一臺激光打印機的設備分辨率在600-1200DPI范圍內(nèi)，數(shù)值越高，打印機輸出效果越好。2/4/2023123.4圖像相關術語3PPI（pixelperinch）

PPI是指每英寸的像素值，一般用于衡量一個圖像輸入設備（如掃描儀）的分辨率的高低，反映圖像中存儲信息量的多少，并決定圖像的根本質(zhì)量。

圖像的質(zhì)量是由圖像采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度決定的，實際上現(xiàn)有的顯卡支持多種顯示模型，如一副圖像的大小為640x480，則該幅圖像在1024x768模式下顯示或在640x480模式下顯示，反映的信息量是相同的。

試圖通過改變顯示模式來改善圖像質(zhì)量是徒勞的2/4/2023133.4圖像相關術語4顯示分辨率

顯示分辨率是指監(jiān)視器（顯示器的分率），即指顯示器上最大可以顯示的像素數(shù)集合，一般用在屏幕上顯示的水平和垂直像素數(shù)目表示，最大分辨率為1024x768的顯示器。計算機顯示器的屏幕顯示分辨率由顯卡決定。

2/4/2023143.4圖像相關術語5位(bit)與顏色(color)在圖像處理中，“位”是用來衡量每個像素存儲信息的位數(shù)，顏色是通過數(shù)字“位”實現(xiàn)的，“位”決定了每次在屏幕上顯示多少種顏色。若n表示所占的位數(shù)，則顏色數(shù)=2n。

我們平常所說的高彩色，即16位顯示模式

真彩色是在24位下顯示

2/4/2023153.4圖像相關術語6查找表（lookuptable）

查找表又稱為視頻查找表、顯示查找表、偽彩色查找表或彩色調(diào)色板，簡稱LUT，是由圖像采集卡上分別代表R、G、B的3個讀/寫存儲器所組成，每個存儲器包含256個單元，每單元占8位二進制位。LUT中存放的是三基色光（紅、綠、藍）的映射參數(shù)，將每一個像素的256級灰度值映射成紅、綠和藍值。LUT輸出驅(qū)動3個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將對應顏色轉(zhuǎn)換稱電壓值，經(jīng)編碼，送往彩色顯示器顯示彩色圖像。

2/4/2023163.4圖像相關術語7灰度圖像（grayimage）

即為黑白圖像。對于灰度等級為256的灰度圖像，0代表黑，255代表白色，從1到254的每個值分別代表了介于黑色與白色之間的所有深淺不同的灰度色調(diào)，灰度圖像反映的實際上是圖像的亮度信息

8真彩色圖像（colorimage）即為人眼感受到的自然色彩的圖像

2/4/2023173.4圖像相關術語9偽彩色圖像（pseudocolorimage）

偽彩色圖像也是一種彩色圖像，它是通過人工方式對圖像著色后顯示出來的，主要用在黑白圖像的著色顯示上。人眼對黑白的分辨能力較低，大約有40級，而且灰度差<5時，人眼無法分辨；而人眼對彩色的分辨能力是相對較高的，大約在200級，采用偽彩色方式顯示黑白圖像，可以提高人眼的判讀能力，使圖像易于分辨。如遙感圖像（黑白）處理中，對不同的地貌，賦予不同的色彩，以便容易區(qū)分山川、海洋、森林等。

2/4/2023183.5數(shù)字圖像的基本文件格式圖像格式指的是存儲圖像采用的文件格式。不同的操作系統(tǒng)、不同的圖像處理軟件，所支持的圖像格式都有可能不同。在實際應用中經(jīng)常會見到以下幾種圖像格式：BMP文件、JPEG文件、PCX文件、TIFF文件以及GIF文件，PNG文件等。2/4/2023193.5數(shù)字圖像的基本文件格式每一種圖像文件均有一個文件頭，在文件頭之后才是圖像數(shù)據(jù)。文件頭的內(nèi)容一般包括文件類型、文件制作者、制作時間、版本號、文件大小等內(nèi)容。圖像文件還涉及圖像文件的壓縮方式和存儲效率等。2/4/2023203.5.1BMP圖像文件格式1位圖文件頭2位圖信息頭3調(diào)色板4圖像數(shù)據(jù)2/4/2023213.5.1BMP圖像文件格式1位圖文件頭2/4/2023223.5.1BMP圖像文件格式2位圖信息頭2/4/2023233.5.1BMP圖像文件格式3調(diào)色板注：有些位圖不需要調(diào)色板，如真彩色圖，他們的BITMAPINFOHEADER后面直接是位圖數(shù)據(jù)2/4/2023243.5.1BMP圖像文件格式2/4/202325第四部分就是實際的圖像數(shù)據(jù)。對于用到調(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，對于真彩色圖像，圖像數(shù)據(jù)就是實際的R、G、B值。對于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），一個字節(jié)可以表示8個像素。對于16色位圖，用4位可以表示一個像素的顏色，所以一個字節(jié)可以表示2個像素。對于256色位圖，一個字節(jié)剛好可以表示1個像素。

對于真彩色圖，3個字節(jié)表示一個像素2/4/2023263.5.2TIF圖像文件格式標記圖像文件格式TIF(TagImageFileFormat)是現(xiàn)存圖像文件格式中最復雜的一種，是目前流行的圖像文件交換標準之一。TIF格式文件的設計考慮了擴展性、方便性和可修改性，因此非常復雜，要求用更多的代碼來控制它，結果導致文件讀寫速度慢，TIF代碼也很長。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。

2/4/2023273.5.3GIF圖像文件格式GIF（GraphicsInterchangeFormat）文件的全稱是圖形交換文件格式。該形式存儲的文件主要為不同的系統(tǒng)平臺交流和傳輸圖像提供方便，是Web及其他聯(lián)機服務上常用的一種文件格式，用于HTML文檔中的索引顏色圖像。圖像最大不能超過64M，顏色最多為256色。GIF圖像文件采取LZW壓縮算法，存儲效率高，支持多幅圖像定序或覆蓋，交錯多屏幕繪圖以及文本覆蓋。GIF主要是為數(shù)據(jù)流而設計的一種傳輸格式，而不是作為文件的存儲格式。2/4/2023283.5.4JPEG圖像文件格式JPEG(JointPhotographer’sExpertsGroup)即聯(lián)合圖像專家組,是由ISO和CCITT為靜態(tài)圖像所建立的第一個國際數(shù)字圖像壓縮標準，主要是為了解決專業(yè)攝影師所遇到的圖像信息過于龐大的問題。JPEG格式支持24位顏色，并能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微的變化。2/4/202329圖像類型是指數(shù)組數(shù)值與像素顏色之間定義的關系，注意其與圖像格式概念的區(qū)別。Matlab圖像處理工具箱支持五類型的圖像：二進制圖像、索引圖像、灰度圖像、RGB圖像和多幀圖像Matlab使用三種存儲格式來存儲圖像：uint8(8位無符號整數(shù))、uint16(16位無符號整數(shù))和雙精度。3.6matlab圖像類型及數(shù)據(jù)格式2/4/2023303.6.1二值圖像二值圖像也叫黑白圖像，就是圖像象素只存在0,1兩個值。二進制的lenna圖像3.6matlab圖像類型及數(shù)據(jù)格式2/4/20233132二值圖像能夠使用uint8(8位無符號整數(shù))和雙精度的數(shù)組來存儲，但不支持uint16(16位無符號整數(shù))。圖像數(shù)組大小：m×n圖像元素值：0或1

3.6.2二值圖像數(shù)據(jù)格式333.6.3灰度圖像灰度圖像是包含灰度級（亮度）的圖像，如64級，256級等。如當像素灰度級用8bit表示時，每個像素的取值就是256種灰度中的一種，即每個像素的灰度值為0到255中的一個。通常，用0表示黑，255表示白，從0到255亮度逐漸增加。

2/4/202334灰度圖像讀入matlab中是一個二維的平面矩陣，其中行與列的乘積代表其圖片中像素點的個數(shù)。注意：灰度圖像一般看起來是一副黑白圖像，但是色彩明暗度較二值圖像更為豐富。因為每一個像素點的取值在[0,1]或[0,255]之間?！?...........像素點取值：[0,1]或[0,255]mnm*n個像素，如1024*76835圖像數(shù)組大?。簃×n色度矩陣：p×3Double

：圖像元素值:[0,1]Unit8:圖像元素值:[0,255]Unit16：圖像元素值:[0,65535]3.6.4灰度圖像數(shù)據(jù)格式36373.6.5索引圖像索引圖像是一種把像素值直接作為RGB調(diào)色板下標的圖像。在matlab中，包含一個數(shù)據(jù)矩陣X和一個調(diào)色板矩陣map，數(shù)據(jù)矩陣可以是uint8、uint16和雙精度類型的，而調(diào)色板矩陣則總是一個mX3的雙精度類型矩陣（其中，m表示顏色數(shù)目），該矩陣的元素值都是[01]范圍內(nèi)的浮點數(shù)。Map矩陣的每一行指定一個顏色的紅、綠、藍顏色分量。索引圖像可以把像素值直接映射為調(diào)色板數(shù)值，每一個像素的顏色通過使用X的數(shù)值作為map的下標來獲得：數(shù)值1表示map的第一行，數(shù)值2表示map的第二行，以此類推。2/4/202338數(shù)據(jù)矩陣（圖片）像素點對應雙精度色圖矩陣（色彩）………………39調(diào)色板通常與索引圖像存儲在一起，裝載圖像時，調(diào)色板將和圖像數(shù)據(jù)一同自動裝載。圖中的像素由整數(shù)表示，這個整數(shù)將作為存儲在調(diào)色板中的顏色數(shù)據(jù)的指針。40Double:圖像數(shù)組大?。簃×n圖像元素取值:[1,p]色度矩陣：p×3色度元素值：[0,1]

uint8:圖像數(shù)組大?。簃×n圖像元素取值:[0,p-1]色度矩陣：p×3色度元素值：[0,1]

uint16:圖像數(shù)組大?。簃×n圖像元素取值:[0,p-1]色度矩陣：p×3色度元素值：[0,1]

圖像矩陣中的數(shù)值與調(diào)色板的關系依賴于圖像矩陣的類型：double型的，數(shù)值1指向調(diào)色板的第一行，如果是uint8或uint16類型的，將產(chǎn)生一個偏移量，數(shù)值0表示調(diào)色板的第一行3.6.6索引圖像數(shù)據(jù)格式413.6.7RGB圖像RGB圖像也稱為真彩圖像，其每一個像素由三個數(shù)值來指定紅、綠和藍顏色分量。在matlab中，一幅RGB圖像由uint8、uint16或雙精度類型的mXnX3數(shù)組（也稱為RGB數(shù)組）來描述，其中，m和n分別表示圖像的寬度和高度。RGB圖像不使用調(diào)色板。每一個像素的顏色由存儲在相應位置的紅、綠、藍顏色分量共同決定。RGB圖像是24位圖像，紅綠藍分量分別占用8位，由于這種顏色精度能夠再現(xiàn)圖像的真實色彩，所以稱為RGB圖像為真彩圖像。2/4/202342在一個雙精度類型的RGB數(shù)組中，每一個顏色分量都是一個[0,1]范圍內(nèi)的數(shù)值，顏色分量為(0,0,0)的詳述將顯示為黑色，顏色分量為（1，1，1）的像素將顯示為白色。每一個像素的三個顏色分量都存儲在數(shù)據(jù)數(shù)組的第三位中。例如，像素（10，5）的紅、綠、藍顏色分量分別存儲在RGB（10，5，1）、RGB（10，5，2）和RGB（10，5，3）中。43上圖是一個2048*1536大小的圖像，其中這個三維矩陣的第一維就是上圖中第一層代表紅色數(shù)值，第二維為第二層代表綠色數(shù)值，第三維為第三層代表藍色數(shù)值。也可以這樣理解：將索引圖像中的數(shù)據(jù)矩陣中每一個像素點直接加載上色圖矩陣中對應的顏色值。圖像在圖像（x1,y