第3章 圖像的格式、類型

第3章圖像的格式和類型1學(xué)習(xí)重點(diǎn)數(shù)字圖像的基本類型圖像相關(guān)術(shù)語(yǔ)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(xué)習(xí)內(nèi)容3.1

簡(jiǎn)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(guān)術(shù)語(yǔ)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(duì)于N×N象素組成的圖像，可以用矩陣來(lái)表示：一幅圖像可以用二維函數(shù)f(x,y)來(lái)表示若對(duì)于N×N象素的彩色圖像，可以用三個(gè)矩陣表示：

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

向量處理（Vector），也稱矢量存儲(chǔ)模式。位圖也稱為柵格圖像，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。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(gè)像素點(diǎn)轉(zhuǎn)換一個(gè)數(shù)據(jù)，并存放在以字節(jié)為單位的矩陣中。這種存儲(chǔ)模式較適合于內(nèi)容復(fù)雜的圖像和真實(shí)的照片，如，用數(shù)碼相機(jī)和掃描儀獲取的圖像一般都存儲(chǔ)為位圖。位圖圖像的缺點(diǎn)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(huì)急劇增大，同時(shí)在放大圖像的過(guò)程中，圖像也會(huì)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(chǔ)圖像內(nèi)容的輪廓部分，而不是圖像數(shù)據(jù)的每一點(diǎn)。如，對(duì)于一個(gè)圓形，只要存儲(chǔ)圓心的坐標(biāo)位置和半徑長(zhǎng)度，以及圓形邊線和內(nèi)部的顏色即可。該存儲(chǔ)方式的缺點(diǎn)是經(jīng)常耗費(fèi)大量的時(shí)間做一些復(fù)雜的分析演算工作，但圖像的縮放不會(huì)影響顯示精度，即圖像不會(huì)失真，而且圖像的存儲(chǔ)空間較位圖方式要少得多。所以，向量處理比較適合存儲(chǔ)各種圖標(biāo)和工程設(shè)計(jì)圖。2/4/202373.2數(shù)字圖像的基本類型位圖是記錄每一個(gè)像素的顏色值，再把這些像素點(diǎn)組合成一副圖像。矢量圖是保存圖像對(duì)象的位置和曲線、顏色的算法。位圖占用的存儲(chǔ)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(jìn)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(qiáng)、剪切、濾波等一系列的操作，效果非常不錯(cuò)，由該軟件生成的圖像文件格式目前已經(jīng)作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)予以存在。

許多人將圖像處理與photoshop畫(huà)上了等號(hào)，這是一種非常錯(cuò)誤的概念。photoshop只是一種通用的圖像處理軟件，一般是用來(lái)提高視覺(jué)感受，而實(shí)際的圖像處理工作主要是針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域提取不同的信息的，這是photoshop不善長(zhǎng)甚至不支持的。2/4/202393.3圖像處理軟件針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域需要不同的圖像處理算法，因此用戶最好還是根據(jù)對(duì)某個(gè)圖像處理軟件或高級(jí)程序語(yǔ)言的掌握程度來(lái)編寫(xiě)自己的圖像處理程序。我們采用matlab來(lái)實(shí)現(xiàn)各種類型的圖像處理。因?yàn)閿?shù)字圖像實(shí)際上就是一組有序的離散數(shù)據(jù)，使用matlab可以對(duì)這些離散數(shù)據(jù)形成的矩陣進(jìn)行一次性的處理。

2/4/2023103.4圖像相關(guān)術(shù)語(yǔ)1像素（pixel）

像素是構(gòu)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(gè)數(shù)據(jù)組成的矩陣，矩陣的每個(gè)元素就被稱為像素。像素點(diǎn)是與圖像的分辨率相關(guān)的，分辨率越高，像素點(diǎn)越小，圖像越清晰。2/4/2023113.4圖像相關(guān)術(shù)語(yǔ)2DPI（dotperinch）

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

PPI是指每英寸的像素值，一般用于衡量一個(gè)圖像輸入設(shè)備（如掃描儀）的分辨率的高低，反映圖像中存儲(chǔ)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(shí)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(guò)改變顯示模式來(lái)改善圖像質(zhì)量是徒勞的2/4/2023133.4圖像相關(guān)術(shù)語(yǔ)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?cái)?shù)集合，一般用在屏幕上顯示的水平和垂直像素?cái)?shù)目表示，最大分辨率為1024x768的顯示器。計(jì)算機(jī)顯示器的屏幕顯示分辨率由顯卡決定。

2/4/2023143.4圖像相關(guān)術(shù)語(yǔ)5位(bit)與顏色(color)在圖像處理中，“位”是用來(lái)衡量每個(gè)像素存儲(chǔ)信息的位數(shù)，顏色是通過(guò)數(shù)字“位”實(shí)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(shuō)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(guān)術(shù)語(yǔ)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(jiǎn)稱LUT，是由圖像采集卡上分別代表R、G、B的3個(gè)讀/寫(xiě)存儲(chǔ)器所組成，每個(gè)存儲(chǔ)器包含256個(gè)單元，每單元占8位二進(jìn)制位。LUT中存放的是三基色光（紅、綠、藍(lán)）的映射參數(shù)，將每一個(gè)像素的256級(jí)灰度值映射成紅、綠和藍(lán)值。LUT輸出驅(qū)動(dòng)3個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將對(duì)應(yīng)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(guān)術(shù)語(yǔ)7灰度圖像（grayimage）

即為黑白圖像。對(duì)于灰度等級(jí)為256的灰度圖像，0代表黑，255代表白色，從1到254的每個(gè)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(shí)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(guān)術(shù)語(yǔ)9偽彩色圖像（pseudocolorimage）

偽彩色圖像也是一種彩色圖像，它是通過(guò)人工方式對(duì)圖像著色后顯示出來(lái)的，主要用在黑白圖像的著色顯示上。人眼對(duì)黑白的分辨能力較低，大約有40級(jí)，而且灰度差<5時(shí)，人眼無(wú)法分辨；而人眼對(duì)彩色的分辨能力是相對(duì)較高的，大約在200級(jí)，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(duì)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(chǔ)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(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)見(jiàn)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(gè)文件頭，在文件頭之后才是圖像數(shù)據(jù)。文件頭的內(nèi)容一般包括文件類型、文件制作者、制作時(shí)間、版本號(hào)、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(chǔ)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(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。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），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。

對(duì)于真彩色圖，3個(gè)字節(jié)表示一個(gè)像素2/4/2023263.5.2TIF圖像文件格式標(biāo)記圖像文件格式TIF(TagImageFileFormat)是現(xiàn)存圖像文件格式中最復(fù)雜的一種，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。

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(chǔ)的文件主要為不同的系統(tǒng)平臺(tái)交流和傳輸圖像提供方便，是Web及其他聯(lián)機(jī)服務(wù)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(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。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(gè)國(guó)際數(shù)字圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，主要是為了解決專業(yè)攝影師所遇到的圖像信息過(guò)于龐大的問(wèn)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(xì)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(guān)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(jìn)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(chǔ)格式來(lái)存儲(chǔ)圖像：uint8(8位無(wú)符號(hào)整數(shù))、uint16(16位無(wú)符號(hào)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(gè)值。二進(jìn)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(wú)符號(hào)整數(shù))和雙精度的數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)，但不支持uint16(16位無(wú)符號(hào)整數(shù))。圖像數(shù)組大?。簃×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(jí)（亮度）的圖像，如64級(jí)，256級(jí)等。如當(dāng)像素灰度級(jí)用8bit表示時(shí)，每個(gè)像素的取值就是256種灰度中的一種，即每個(gè)像素的灰度值為0到255中的一個(gè)。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(gè)二維的平面矩陣，其中行與列的乘積代表其圖片中像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)。注意：灰度圖像一般看起來(lái)是一副黑白圖像，但是色彩明暗度較二值圖像更為豐富。因?yàn)槊恳粋€(gè)像素點(diǎn)的取值在[0,1]或[0,255]之間?！?...........像素點(diǎn)取值：[0,1]或[0,255]mnm*n個(gè)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(biāo)的圖像。在matlab中，包含一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣X和一個(gè)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(gè)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(diǎn)數(shù)。Map矩陣的每一行指定一個(gè)顏色的紅、綠、藍(lán)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(gè)像素的顏色通過(guò)使用X的數(shù)值作為map的下標(biāo)來(lái)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(diǎn)對(duì)應(yīng)雙精度色圖矩陣（色彩）………………39調(diào)色板通常與索引圖像存儲(chǔ)在一起，裝載圖像時(shí)，調(diào)色板將和圖像數(shù)據(jù)一同自動(dòng)裝載。圖中的像素由整數(shù)表示，這個(gè)整數(shù)將作為存儲(chǔ)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)組大小：m×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(guān)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(gè)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(gè)像素由三個(gè)數(shù)值來(lái)指定紅、綠和藍(lán)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(lái)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(gè)像素的顏色由存儲(chǔ)在相應(yīng)位置的紅、綠、藍(lán)顏色分量共同決定。RGB圖像是24位圖像，紅綠藍(lán)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(shí)色彩，所以稱為RGB圖像為真彩圖像。2/4/202342在一個(gè)雙精度類型的RGB數(shù)組中，每一個(gè)顏色分量都是一個(gè)[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(gè)像素的三個(gè)顏色分量都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)數(shù)組的第三位中。例如，像素（10，5）的紅、綠、藍(lán)顏色分量分別存儲(chǔ)在RGB（10，5，1）、RGB（10，5，2）和RGB（10，5，3）中。43上圖是一個(gè)2048*1536大小的圖像，其中這個(gè)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(lán)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(gè)像素點(diǎn)直接加載上色圖矩陣中對(duì)應(yīng)的顏色值。圖像在圖像（x1,y