数字图像常用知识综述.docx
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数字图像常用知识综述
数字图像常用知识综述
1数字图像概述
随着数字技术的不断发展和应用，现实生活中的许多信息都可以用数字形式的数据进行处理和存储，数字图像就是这种以数字形式进行存储和处理的图像。
利用计算机可以对它进行常规图像处理技术所不能实现的加工处理，还可以将它在网上传输，可以多次拷贝而不失真。
发布一个Web网页或者制作多媒体产品时，图像信息的合理利用总能带来文字所不能比拟的效果；而数码影像的采集和输出更是每时每刻都离不开数字图像处理，所以我们必须对种类繁多的图形图像文件有正确的认识，对于所涉及的各方面知识有清晰的理解。
现在，我就对数字图像及其所涉及的各方面知识作一些分析总结，以便于更好的应用。
1.1图像的数字化
人眼能识别的自然景象或图像原是一种模拟信号，为了使计算机能够记录和处理图像，必须首先使图像数字化，数字化后的图像称为数字图像。
图像数字化是电脑图像处理之前必做的基本步骤，一般分为采样与量化处理两个步骤。
采样实际上就是要用多少点来描述一张图像，要使图像更清晰，就需要使用更多的点来表示图像，也就是使这幅图像具有更高的分辨率；量化则是指要使用多大范围的数值来表示图像采样之后的每一个点，这个数值范围包括了图像上所能使用的颜色总数；采样与量化后，就得到了数字化的图像。
1.2数字图像类型
数字化图像按照记录方式可以分为两大类：
位图和矢量图。
位图图像和矢量图形没有好坏之分，只是用途不同而已。
认识他们的特色和差异，有助于创建、输入、编辑输出和应用数字图像。
因此，整合位图图像和矢量图形的优点，才是处理数字图像的最佳方式。
⑴位图图像（RasterImage）
位图图像也叫作光栅图，它是使用通常被我们称为像素的一格一格的小点来描述图像，而计算机的屏幕其实就是一张包含大量像点的网格，每个像素都被分配一个特定位置和颜色值。
Photoshop以及其他的绘图软件一般都使用位图图像。
由于位图图像由像素组成，在处理位图图像时，您编辑的是像素而不是对象或形状，也就是说，编辑的是每一个点。
位图适于表现含有大量细节的画面，色彩自然、逼真、丰富，而需要的存储空间也要比矢量图更多。
象BMP、PCX、GIF、JPEG、PNG、TIFF、PSD、PIC、TGA等格式的图像都属于位图。
位图图像与分辨率有关，如果在屏幕上以较大的倍数放大显示图像，或以过低的分辨率打印，位图图像会出现锯齿边缘和放大后"马赛克"现象。
⑵矢量图形（vector-basedimage）
矢量图形是用数学的方式来描述定义的，图中的每一部分都对应一组指令或参数。
AdobeIllustrator、CorelDraw、CAD、3DstudioMAX等软件是以矢量图形为基础进行创作的。
矢量图形根据轮廓的几何特性进行描述。
图形的轮廓画出后，被放在特定位置并填充颜色。
例如，一个圆形图案只要存储圆心的坐标位置和半径长度，以及圆形边线和内部的颜色。
矢量图形与分辨率无关，移动、缩放或更改颜色不会降低图形的品质，可以将它缩放到任意大小和以任意分辨率在输出设备上打印出来，都不会影响清晰度；另外图像的存储空间较之位图方式要少得多。
矢量图适于描述由多种比较规则的图形元素构成的图形（比如：
图表文字和工程设计图），而当图像变得很复杂时，计算机就要花费很长的时间去执行绘图指令才能把一幅图显示出来。
对于一幅复杂的彩色照片，恐怕就很难用数学来描述，即很难用矢量图来表示。
矢量图形文件格式有：
SWF，WMF、EPS、SVG等，下面将有详细介绍。
1.3数字图像的常用术语及其应用要点
⑴像素（Pixel）
像素是构成数字图像一个个小点，一幅图像是由若干这样的点以矩阵的方式排列而成。
像素点的大小，直接与图形的分辨率有关，分辨率越高、像素点就越小，图像就越清晰。
⑵DPI和PPI
DPI：
DPI（DotPerInch）是指各类输出设备每英寸上所产生的像素点数，一般用来表示输出设备（如打印机、绘图仪等）的分辨率，即设备分辨率。
PPI：
PPI（PixelPerInch）指每英寸的像素数，它一般用于衡量一个图像输入设备（如扫描仪）的分辨率的高低，反映了图像中储存信息量的多少，它决定了图像的根本质量。
如1024×768ppi的图像质量远高于640×648ppi的图像，一幅粗糙的图像也绝不会因为有了一台高DPI的设备而变得细腻起来
DPI中的点（Dot）与图像分辨率中的像素（Pixel）是容易混淆的两个概念，DPI中的点可以说是硬件设备最小的显示单元，而像素则既可是一个点，又可以是多个点的集合。
在扫描仪扫描图像时，扫描仪的每一个样点都是和所形成图像的每一个像素相对应的，因此扫描时设定的DPI值与扫描形成图像的PPI值是相等的，此时两者可以划等号。
但在许多情况下,两者的区别是相当大的。
比如，分辨率为1 PPI的图像，在300DPI的打印机上输出，此时图像的每一个像素，在打印时都对应了300×300点。
在计算机显示器的运用上也存在类似问题。
⑶分辨率（Resolution）
分辨率是和图像相关的一个重要概念，它是衡量图像细节表现力的技术参数。
但分辨率的种类有很多，其含义也各不相同。
要准确把握和理解分辨率的含义，弄清楚下面的几个概念是至关重要的。
①图像分辨率
图像分辨率是指图像单位尺寸中所包含的像素数目，通常以像素／英寸（ppi）为计量单位。
打印尺寸相同的两幅图像，高分辨率的图像比低分辨率的图像所包含的像素多。
例如：
打印尺寸为1×1平方英寸的图像，如果分辨率为72ppi，包含的像素数目为72×72=5184.。
高分辨率的图像在单位区域内使用更多的像素表示，打印时它们能够比低分辨率的图像重现更详细和更精细的颜色转变。
需要强调的是我们通常说一幅640×480的图像,说的是图像大小（即总像素数目）,其中并不包括图像分辨率的含义。
②屏幕分辨率
显示器分辨率是指显示器上每单位长度显示的像点的数目，通常以点／英寸（dpi）为计量单位。
一般用水平与垂直方向的像素点数来表示，最大分辨率为1024×768的显示器，其满屏最多可产生786432个像素点。
显示器像素点数越多，分辨率也就越高，图像也就越大、越细腻。
显示器分辨率决定于显示器尺寸及其像素设置，PC显示典型的分辨率为72dpi或96dpi。
在平时的操作中，图像像素被转换成显示器像点，这样，如果不对图像进行缩放操作（即保持图像分辨率不变），当图像在低分辨率的显示器上显示时要比在高分辨率的显示器上占用更大的显示区域。
显示器的最高分辨率是指当刷新频率为85Hz时，显示器能达到最高分辨率。
③扫描分辨率
指在扫描一幅图形之前所确定的分辨率，它将影响生成图形文件的质量和使用性能，它决定图形将以何种方式显示或打印。
如果扫描图形用于屏幕显示，则扫描分辨率不必大于一般显示器屏幕的设备分辨率，即一般不超过120DPI。
但大多数情况下，扫描图形是为以后在高分辨率的设备中输出而准备的，如果图形扫描分辨率过低，图形处理软件可能会用单个像素的色值去创造一些半色调的点，这会导致输出的效果粗糙；反之，如果扫描分辨率过高，则数字图形中会产生超过打印所需要的信息，不但减慢打印速度，而且在打印输出时就会使图形色调的细微过渡丢失。
可以这样理解这一点，如果将一幅很高分辨率的图像以很小的尺寸打印输出，结果可想而知，图像很不清楚。
④打印机分辨率
打印机分辨率是指打印机每英寸产生的油墨点数，大多数激光打印机的输出分辨率为300dpi~600dpi，高档的激光照排机在1200dpi以上。
我们说某台打印机的分辨率为360DPI,是指在用该打印机输出图像时,在每英寸打印纸上可以打印出360个表征图像输出效果的色点。
表示打印机分辨率的这个数越大,表征图像输出效果的色点就越小,输出的图像效果就越精细。
打印机色点的大小只同打印机的硬件工艺有关,而与要输出图像的分辨率无关。
⑷位（Bit）与颜色（Color）
在图像处理过程中，颜色是由数字“位（Bit）”来实现的，它们之间的关系是：
颜色数＝2n，其中n为所占的位数。
我们平常所说的高彩色，即为16位显示模式，有65536（64K）种颜色（216＝65536）；24位显示模式下能处理1677万（16M）种颜色（224=16777216）的真彩色图像。
⑸压缩
数字图像是由像素组成的，组成一幅图片所用的像素越多，清晰度就越高，同时文件的体积也就越大。
为了便于移动和存储，必须对图像进行压缩。
有两种类型：
有损压缩和无损压缩。
有损压缩的特点是保持颜色的逐渐变化，删除图像中颜色的突然变化，可以大大地压缩文件的数据，但是会影响图像质量。
对图像质量的影响程度与选择的压缩比有关，压缩比越大，图像质量差；反之，对图像质量影响越小。
选择合适的压缩比，我们几乎看不出图像压缩前后的区别，但可以大大缩小文件本身的大小。
利用有损压缩技术，某些被删除的数据不能再恢复。
主要编码方式有JPEG及别的一些方式。
无损压缩的基本原理是相同的颜色信息只需保存一次。
从本质上看，无损压缩的方法可以删除一些重复数据，大大减少要在磁盘上保存的图像尺寸，但并不能减少图像的内存占用量。
无损压缩方法的优点是能够比较好地保存图像的质量，但是相对来说这种方法的压缩率比较低。
如果需要把图像用高分辨率的打印机打印出来，最好还是使用无损压缩。
主要编码方式有RLE、LZW、CCITT3组和4组等。
2数字图像格式
图像格式就是保存计算机数据的方式，现在图像格式琳琅满目，各有各的特点，而我们在很多时候都会牵涉到与图像格式有关的问题。
下面重点介绍几种常用的图像格式。
（1）BMP格式：
BMP格式是WindowsBitMap的缩写，由微软公司开发，是Windows和OS/2的基本图像格式，能被所有Windows程序打开。
在此格式下，图像信息是逐像素保存的，它是最普遍的点阵图格式之一。
BMP只能存储四种图像数据：
单色、16色、256色和全彩色。
BMP图像数据有压缩或不压缩两种处理方式。
其中压缩方式只有RRLE4（16色）和RLE8（256色）两种，而由于24位BMP格式的图像文件无法压缩，因而文件尺寸比较大。
有人把BMP图像简单地称为位图图像，但是这个词有时会出现混淆，因为一般以像素为基础的图像都被称为位图图像。
（2）PCX格式：
PCX图像格式是MSDOS下常用的格式，它架起了DOS和Windows操作的桥梁。
在Windows操作系统尚未普及时，在DOS下图像的绘制、排版，多用PCX格式，从最早的16色，发展至今已可达1677万色。
由于该格式出现的时间较长，并且具有压缩及全彩色的能力，所以使用这种格式的人虽然在减少，但PCX格式的图像现在仍然十分常见。
（3）GIF格式：
GIF是GraphicsInterchangeFormat（图形交换格式）的简写，是CompuServe公司所制订的图像文件格式，由于CompuServe公司已开放使用权限，所以广受应用。
目前，GIF图像文件已经成为网络和BBS（电子布告栏）上图像传输的通用格式。
一个GIF文件能够储存多张图像，图像数据用一个字节存储一个像素，采用LZW无损压缩，尺寸较小；支持透明色，可以较好地与网页背景融合在一起；文件可以Interlace（隔行）保存，在屏幕上，图像不是逐行构成，而是逐层构成的，它首先以较低的分辨率显示，随着下载过程的进行变得越来越好，虽然这样不能缩短下载时间，但是用户能够很快得到关于图像的大致印象，不用等待整个下载过程结束。
在GIF文件内可以将多幅单一图像汇同一个控制命令进行保存，如果所有的单一图像都按照相应的顺序排列，就能以这种方式播放小型GIF动画，这是它最突出的特点。
GIF图像虽然最多只有256色，但已能够满足很多图像的需要；而且对于处理少于256色的图像有着JPEG格式不可比拟的优势，如果颜色很少的简单图像用JPEG压缩，大家可以看到压缩后的效果比用GIF会差很多。
GIF比JPEG图像文件要大。
（4）JPEG格式：
JPEG是JointPhotographicExpertsGroup的缩写。
JPEG压缩技术十分先进，它用有损压缩方式去除冗余的图像数据，在获得极高的压缩率的同时能展现十分丰富生动的图像，运用极为普遍，几乎成了压缩的代名词。
但由于是有损压缩，所以在保存时删除的资料无法在解压时还原。
适合应用于互联网，可减少图像的传输时间，支持24bit真彩色，主要应用于需要连续色调的图像。
JPEG和GIF两种格式各有优缺点，因此你的一个基本考虑是所用图像的类型。
如果图形使用了很多种颜色，特别是不同颜色相互交叉，最好是采用JPEG格式；如果所用图形的颜色比较简单，应采用GIF格式。
你每打开、编辑和再保存图像一次，图像就重复被压缩一次，损失也更多。
所以如果你需要使用JPEG格式保存图像，最好等到图像最后编辑完成再进行保存为JPEG格式。
（5）PNG格式：
PNG（PortableNetworkGraphics）文件格式是作为gif的替代品开发的（因为GIF格式过去是受专利保护的），结合了GIF和JPEG的许多优点，具有存贮形式丰富的特点。
PNG最大色深为48bit，采用无损压缩方案存储。
著名的Macromedia公司的Fireworks的默认格式就是PNG。
不具备的动画能力，文件比GIF和JPG格式大。
（6）TIF（F）格式：
TIFF（TagImageFileFormat标签图像文件格式）文件是由Aldus和Microsoft公司为扫描仪和桌上出版系统研制开发的一种较为通用的图像文件格式。
它被用于在应用程序之间和计算机平台之间交换文件，几乎被所有绘画、图像编辑和页面排版应用程序所支持。
而且几乎所有桌面扫描仪都可以生成TIFF图像。
该格式支持256色、24位真彩色、32位色、48位色等多种色彩位，同时支持RGB、CMYK以及YCbCr等多种色彩模式，支持多平台。
可以是不压缩的，文件体积较大，也可以是压缩的（支持有损和无损压缩）。
TIF常被用于彩色图像的扫瞄。
（7）PSD格式：
PSD图像是AdobePhotoshop的专用图像格式，可以储存成RGB或CMYK模式，而且能自定义颜色数目储存，它可以将所编辑的图像文件中的所有有关图层和通道的信息记录下来。
所以，在编辑图像的过程中，通常将文件保存为PSD格式，以便于重新读取需要的信息，能提高软件内部的编辑处理速度。
但是，PSD格式的图像文件很少为其他软件和工具所支持。
所以，在图像制作完成后，通常需要转换为一些比较通用的图像格式，以便于输出到其他软件中继续编辑。
另外，用PSD格式保存图像时，图像没有经过压缩。
所以，当图层较多时，会占很大的硬盘空间。
（8）PDF格式：
PDF（PortableDocumentFormat可移植文档格式）格式被用于AdobeAcrobat，AdobeAcrobat是Adobe公司用于Windows、UNIX和DOS系统的一种电子出版软件，目前十分流行。
PDF文件可以包含矢量和位图图像，还可以包含电子文档查找和导航功能，如电子链接。
支持无损压缩。
（9）PCD格式：
这是KODAK公司所开发的PhotoCD专用存储格式，由于其文件特别大，不得不存在CD-ROM上，但应用特别广。
其他软件系统只能对其进行读取。
该格式使用YCC色彩模式定义图像中的色彩。
YCC和CIE色彩空间包含比显示器和打印设备的RGB色和CMYK色多得多的色彩；PhotoCD格式可以用5种不同的大小保存同一图像，从128×192像素一直到2048×3072像素。
ProPhotoCD格式专门针对需要超高分辨率图像的专业人员设计，它可以以4096×6144像素标准保存图像，PhotoCD图像大多具有非常高的质量。
网上的图库有些是由PhotoCD转化，这些系列图的量非常大，深为设计人士所喜爱，也有人喜欢收集。
（10）TGA格式：
TGA格式（TaggedGraphics）是由美国Truevision公司为其显示卡开发的一种图像文件格式，文件后缀为“．tga”，已被国际上的图形、图像工业所接受。
TGA的结构比较简单，属于一种图形、图像数据的通用格式，在多媒体领域有很大影响，是计算机生成图像向电视转换的一种首选格式。
TGA图像格式最大的特点是可以做出不规则形状的图形、图像文件，一般图形、图像文件都为四方形，若需要有圆形、菱形甚至是镂空的图像文件时，TGA可就派上用场了。
TGA格式支持无损压缩。
（11）WMF矢量格式：
微软公司开发的矢量图形格式，在Office等软件中得到大量的应用。
Acdsee支持，photoshop不支持。
（12）EPS格式：
封装的PostScript（EncapsulatedPostScript）格式。
PostScript语言是Adobe公司设计用于向任何支持PostScript语言的打印机打印文件的页面描述语言。
EPS文件格式可用于光栅图像、文本以及矢量图形的编码。
有上百种打印机支持PostScript语言，包括所有在桌面出版行业中使用的图像排版系统。
所以，EPS格式是专业出版与打印行业使用的文件格式。
在软件中建立PostScript引擎所需要的价值和内存开销也是较高的，结果大多数的Web浏览器不支持EPS文件，大多数图像查看共享软件和自由软件也都不支持EPS文件。
（13）SVG格式：
SVG（ScalableVectorGraphics，可缩放的矢量图形）是一种开放标准的矢量图形语言，高分辨率的Web图形页面，支持渐变、嵌入字体、透明效果、动画和滤镜效果，并且可使用平常的字体命令插入到HTML编码中。
文字在SVG图像中保留可编辑和可搜寻的状态，没有字体的限制，生成的文件很小，下载很快，十分适合用于设计高分辨率的Web图形页面。
直接把代码放进我们的网页当中，通过浏览器的插件，我们就可在网页中看到SVG格式的图像了。
使用Adobe Ilustrator9.0输出SVG。
（14）SWF格式：
利用Flash我们可以制作出一种后缀名为SWF（ShockwaveFormat）的动画，这种格式的动画图像能够用比较小的体积来表现丰富的多媒体形式与交互性设计。
在图像的传输方面，不必等到文件全部下载才能观看，而是可以边下载边看，因此特别适合网络传输，特别是在传输速率不佳的情况下，也能取得较好的效果。
此外，SWF动画是基于矢量技术制作的，不管将画面放大多少倍，画面不会因此而有任何损害。
综上，SWF格式作品以其高清晰度的画质和小巧的体积，受到了越来越多网页设计者的青睐，越来越成为网页动画和网页图片设计制作的主流，目前已成为网上动画的事实标准。
SWF与SVG有很多惊人的相似之处，与SVG相比较，SWF存在着以下的不足：
SWF是一个非开放标准、SWF的可编辑性不如SVG，但制作简单方便。
此外，许多软件都有自己的专用格式，少数文件格式十分特殊难用，但只要了解了以上的内容，就可以根据需要利用专用软件或其他软件对图像进行相应处理，都可以使其成为容易处理或自己熟悉的格式，这样，对于什么样的格式我们都能运用自如了。
3常用的一些图像软件
目前图像处理软件的功能包罗万象，下面就是一些我常用到的图像软件的功能和特点。
Photoshop作为位图制作类型的杰出软件，功能十分强大，是最好的图像处理软件。
ACDSee作为位图浏览软件，它的浏览功能强大，格式转换、图片处理都不错，还是一个很好的图像管理器。
屏幕录像专家可捕获屏幕上的图像、动画，并生成可执行的影像文件。
AutoCAD作为矢量图制作软件在工程图形设计中得到最为广泛的应用，它还可实现位图与矢量图之间的相互转换。
现在，各种付费或共享的图像处理软件非常多，其中还有很多是国内的，有些网站还将它们仔细分类。
像素图像制作软件、我行我速是功能完善、比较有影响的影像处理制作软件；很多的小软件也都各有特点，如PhotoCap、金锋图像处理系统、家庭电脑相册制作系统、专业名片、卡片、胸牌制作系统CardMake、phototool-照片批量处理、简易图片格式批量转换器等，包含了图像处理制作、图像浏览、图像转换、图像管理等各个类别。
每个软件都有值得我们学习和借鉴的地方。
4总结
自动化室承担的系统服务开发项目已经有了比较明确的目标，图像制作软件的开发是这个项目的一部分内容。
自己开发软件，可以使各部分软件之间接口方便，而且便于根据各方面的实际需要进行修改。
通过这次文献查询和文献综述的写作，为我们接下来的工作做了很多准备；当然也还有很多不足的地方需要进一步完善。
对数字图像有了比较清晰完整的认识，理清了以前比较模糊的概念，接下来要做的图像制作软件就需要我们具备这些概念。
开发图像制作软件，主要精力要放在一些常用格式图像（BMP、GIF、JPEG等）的读入和处理上，软件的完善首先要立足于满足影像处理的需要。
上面主要是介绍了各种图像格式的应用特点，对图像格式的内部结构说的比较少，这也是需要完善的工作。
对于各种图像处理相关软件的查询和学习，可以让我们看到作者在功能实现上的思路和创意，这也是开发图像制作软件必备的条件且需要进一步学习。
参考文献：
应勤编著，《Photoshop6.0入门与提高》，清华大学出版社，2001
林福宗编著，《多媒体技术基础》，清华大学出版社，2002
林福宗《图像文件格式（上）——Windows编程》，清华大学出版社，1996年
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