【多媒体应用】图形和图像

前言

计算机中的“图”有两种常用的表示形式，一种被称为“图形”(graphic)的矢量图，它是由叫作矢量的数学对象所以定义的直线和曲线等组成的；另一种被称为“图像”(image)，也叫作点阵图像或位图图像，它是用像素来代表图像，每个像素被分配一个特定位置和颜色值。图形和图像在一定的条件下也是可以转换的。

图形

由矢量表示的图形是一系列计算机指令来描述和记录的一幅图的内容，即通过指令描述构成一幅图的所有直线、曲线、圆、圆弧、矩形等图元的位置、维数和形状，也可以用更加复杂的形式表示图中的曲面、光照、材质等效果。在屏幕上显示一幅图形时，首先要解释这些指令，然后将描述图形的指令转换成屏幕上显示的形状和颜色。

编辑矢量图的软件通常称为绘图软件，如适于绘制机械图、电路图的AutoCAD软件等。

图像

图像是指用像素点来描述的图，一般是用摄像机或扫描仪等输入设备捕捉实际场景画面，在计算机内存中由一组二进制位组成，这些位，定义图像中每个像素点的颜色和亮度。

屏幕上的一个点也称为一个像素，显示一幅图像时，屏幕上的像素与图像中的点相对应。图像适合表现比较细腻、层次较多、色彩较丰富、包含大量细节的图，并可直接、快速的显示在屏幕上。

图像的获取

将现实世界的景物或物理介质的图文输入计算机的过程称为图像的获取。多媒体应用中基本图像可通过不同的方式获得，如：可以直接利用数字图像库的图像；可以利用绘图软件创建的图像；可以利用数字转换设备采集图像。

1）利用数字图像库的图像

是利用已有的图像，哪里有呢？光盘和因特网上。图像内容丰富，基本可以满足用户要求，但有时候缺乏创意性。用户可以根据自己需要进一步编辑和处理。

2）利用绘图软件创建图像

通过画图、Photoshop、美图秀秀都可以自制一个图像。

3）利用数字转换设备采集图像

数字转换设备可以把采集到的图像转换成计算机能够记录和处理的数字图像数据。

例如：用扫描仪扫描一本书，用手机拍摄一张图等。从现实世界中获取图像所使用的设备统称为图像获取设备。

数字转换设备获取图像的过程实质上是信号扫描和数字化的过程，分为采样，量化和编码。

图像的属性

描述一幅图像需要使用图像的属性。图像的属性包含分辨率、像素深度、真/伪彩色、图像的表示法和种类等。

1）分辨率

平常我们遇到的分辨率有两种，即图像分辨率和显示分辨率。

图像分辨率，确定的是组成一幅图像的像素数目。

显示分辨率，指的是显示设备能够显示图像的区域大小。

关系：当图像分辨率大于显示分辨率时，在屏幕上只能显示部分图像；图像分辨率小于显示分辨率时，图像只占屏幕的一部分。比如，我们设置桌面背景的图片，在图片分辨率大于显示分辨率的时候，这个图片在桌面上就显示不全；如果图片的分辨率小于显示分辨率的时候，这个图片就只占桌面的一部分。你可以在自己电脑上做实验，要注意的一点就是，系统有时候会自动调整要成为桌面壁纸的图片，为了我们看出区别，我们要避免这种情况。所以要设置一下，将个性化里面的显示设置，背景设置为适应模式，如下图所示：

显示分辨率一般用显示设备水平方向和垂直方向上的最大像素数目来表示。例如，显示分辨率为1600×900表示显示屏分成1600行（垂直分辨率），每行（水平分辨率）显示1024个像素。图像分辨率也是这样的。

对应打印设备或图像扫描设备，一般使用其处理能力即每英寸的像素点数（dpi，Dots Per Inch）来表示其分辨率。例如，用200dpi来扫描一幅2×2.5英寸的彩色照片，可以得到一幅400×500个像素点的图像。

2）像素深度

是指存储每个像素所用的二进制位数，它也是用来度量图像的色彩分辨率的。像素深度确定彩色图像的每个像素可能有的颜色数。它决定了彩色图像中可出现的最多颜色数。

如一幅图像的图像深度为b位，则该图像的最多颜色数为2b种。

一幅彩色图像的每个像素用R、G、B3个分量表示，若3个分量的像素位分别为4，4，2，则最大颜色数目是22+2+4 = 210 =1024，也就是说，像素的深度为10位，每个像素可以是1024种颜色中的一种。表示一个像素的位数越多，它能表达的颜色数目就越多，它的深度也就越深。

3）真彩色和伪彩色

真彩色是指组成一幅彩色图像的每个像素值中有R、G、B3个基色分量，每个基色分量直接决定显示设备的基色强度。例如，R，G，B分量都用8位来表示，可生成的颜色数就是224种，每个像素的颜色就是由其中的数值直接决定的。这样得到的色彩可以反映原图像的真实色彩，称之为真彩色。

为了减少彩色图形的存储空间，在生成图像时，对图像中的不同色彩进行采样，产生包含各种颜色的颜色表，即色彩查找表。

图像中的每个像素的颜色不是由3个基色分量的数值直接表达，而是把像素值作为地址索引在色彩查找表中查找这个像素实际的R、G、B分量，将图像的这种颜色表达方式称为伪彩色。需要说明的是，对于这种伪彩色图像的数据除了保存代表像素颜色的索引数据外，还要保存一个色彩查找表（调色板）。色彩查找表可以是一个预先定义的表，也可以是对图像进行优化后产生的色彩表。常用的256色的彩色图像使用了8为的索引，即每个像素占用一个字节。

图像的压缩编码

在扫描生成一幅图像时，实际上是按一定的图像分辨率和一定的像素深度对模拟图片或照片进行采样，从而生成一幅数字化的图像。图像的图像分辨率越高，像素度越深，则数字化后的图像效果越逼真，图像数据量越大。如果按照像素点及其深度映射的图像数据大小采样，计算数据量公式为：图像数据量=图像的总像素数×像素深度/8(Byte)。

例如，一幅640×480×8/8 = 300KB

可见数据量很大，可是在现代通信中，利用网络传输图像的速度是一项很重要的指标，采用压缩编码技术，减少图像的数据量是提高网络传输速度的重要手段。

数据压缩分为简单的两类，即无损压缩和有损压缩。

1）无损压缩：无损压缩方式是指压缩前和解压缩后的数据完全一致。

2）有损压缩：意味着压缩前和解压缩后的数据并非完全一致，有丢失的信息，但对于多媒体信息的压缩编码允许一定的信息失真，比如人眼和人耳所不敏感的图像或声音信息，允许在可接受的感知失真度之下损失部分信息已获取极高的压缩率。有损压缩技术广泛应用于多媒体信息的压缩编码中。计算机中使用的静态图像压缩编码方法有多种国际标准和工业标准。目前使用最广泛的编码标准就是JPEG。

JPEG（Joint PhotoGraphic Experts Group）是一个由ISO和IEC两个组织机构联合组成的专家组，负责制定静态和数字图像数据压缩编码标准，这个专家组开发的算法称为JPEG算法，并且称为国际上通用的标准，因此又称为JPEG标准。JPEG是一个适用范围很广的静态图像数据压缩标准，适用于连续色调的静态图形编码，即可用于灰度图像又可用于真彩色图像。

图像文件格式

数字图像在计算机中存储时，其文件格式很多，下面介绍几个常用的文件格式。

1）JPEG文件（.jpg)。采用JPEG压缩算法，其压缩比为5:1~50:1，甚至更高。对一幅图像按JPEG格式进行压缩时，可以根据压缩比与压缩效果要求选择压缩质量因子。JPEG格式文件的压缩比例很高，非常适用于要处理大量图像的场合，它是一种由损压缩的静态图像文件存储格式，压缩比例可以选择，支持灰度图像、RGB真彩色图像等。你可以打开两个图片算一算，有的压缩的比例大，有的压缩的比例小。

2）GIF文件（.gif）。CompuServe公司开发的图像文件格式，它以数据块为单位来存储图像的相关信息。GIF文件格式采用了LZW无损压缩算法按扫描行压缩图像数据。它可以在一个文件中存放多幅彩色图像，每一幅图像都由一个图像描述符、可选的局部彩色表和图像数据组成。如果把存储于一个文件中的多幅图像逐幅读出来显示到屏幕上，可以像播放幻灯片那样显示或者构成简单的动画效果，也就是我们常见的GIF动图。GIF图像深度为1~8位，即最多支持256种色彩的图像。

GIF文件格式定义了两种数据存储方式，一种是按行连续存储，存储顺序与显示器的显示顺序相同；另一种是按交叉方式存储，由于显示图像需要较长的时间，使用这种方法存放图像数据，用户可在图像数据全部收到之前浏览这幅图像的全貌，而不觉得等待时间太长。目前，GIF文件格式在HTML文档中得到广泛的应用，大多是多态图的形式。

3）PNG文件格式。它是作为GIF的替代品而开发的，能够避免使用GIF文件所遇到的常见问题。它从GIF那里继承了许多特征，增加了一些GIF文件所没有的特性。当用来存储灰度图像时，灰度图像的深度可达16位；存储彩色图像时，彩色图像的深度可达48位。PNG文件支持无损数据压缩。

总结

以上大多是书上的知识，加了一些自己的理解，觉得还是比较深刻的，对于每天见到的图片的基本信息，也有了新的认识，之前第一遍看的时候，有一个问题不太懂，就是根据像素算大小的时候，跟实际的不对应。现在明白了，原来它以什么格式存储下来，就以什么算法相应的给压缩了。现在，图像基本属性也算了解了不少，以上知识，如有错误，敬请指出，欢迎交流。

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