数字图像的基本概念

数字图像的基础

• 图像的离散化

  • 连续图像：人眼直接感受到的图像
  • 数字图像：把连续的图像数字化、离散化之后的图像，它是对连续图像的一种近似

• 像素（Pixel）：试图想中的一个最小单位

• 位图（bitmap）：通过记录每一个像素值来存储和表达的图像
  在当前的显示和打印技术中，这些像素点已经可以做的非常小，而且排列紧凑，因此能够精确地表现出线条的变化和色彩的细微过度产生逼真的效果。

• 色彩深度/位深度：保存位图时，需要记录每一个像素的颜色值，位图中每个像素点要用到多少二进制位来表示

• BMP格式：Windows系统的标准位图格式

可以通过windows的图片属性来查看位深度

例如，这个图片的位深度是24，说明它的每个像素点都需要使用三个字节来存储，这种格式被称为24位真彩色。

二值图像

那么它为什么被称作真彩色呢？除了24位，位图的深度还可以有哪些呢？
我们一起来看一下。

• 二值图像：每个像素只有2种可能的取值，使用1位二进制来表示，位深度为1
  0代表黑色，1代表白色，就是黑白图像
  
  这个图如果被存为二值位图，那这张图就是他的全部二进制信息。
  
  
  在日常生活中，我们提到照片时会说这是黑白照片，那个是彩色照片，或者提到家里当年的电视机，也会说黑白电视机，彩色电视机等。
  
  从图像色彩模式的角度来看，这种说法并不严谨，因为我们通常所说的黑白照片，黑白电视机不仅有黑色和白色两种颜色，还存在黑色到白色之间多种级别的灰色。

严格意义上的黑白图像，只有黑色和白色两种颜色，而不存在各种过度的灰色。

在对图像进行处理和分析时，我们常常会对图像进行二值化处理，使得图像变得简单，突现出感兴趣的目标，并且能够有效的减少数据量。

另外除了黑白图像之外，只要是仅有两种颜色的图像，都可以被称为二值图像。

灰度图像

我们前面提到的黑白照片，黑白电视机中的图像，在计算机领域被称为灰度图像。

存储灰度图像时，每个像素使用一个字节来表示，位深度为8，可以表示从0~255一共256种级别的灰度，其中零表示黑色，255表示白色。1-254表示不同级别的灰色。

一副512×512像素的灰度图，像在计算机中保存，需要占据256k的字节。

除了常见的从黑色到白色的灰度图像，其他任何一种单一颜色不同亮度的图像也都可以称为灰度图像。

将这三张图片叠加在一起，就获得了rgb彩色图像。

彩色图像（RGB）

每个像素都有红（R）、绿（G）、蓝（B）三个分量。
通过他们的组合，就可以获得很多种不同的颜色。

1个分量使用1个字节，1个像素点使用3个字节，位深度为24。
用这种方式可以表示256256256=16777216种颜色。

虽然自然界中的色彩是不能用任何数字来归纳的，也永远不限于这1,600万多种颜色，但是相对于人眼的视觉能力，这个程度已经基本可以反映出原图的真实色彩，因此我们把它称为24位真彩色。

通常把RGB三种分量称为色彩通道，如红色通道，绿色通道。

RGBA图像

RGB图像再加上一个8位的透明度信息Alpha，称为RGBA图像。这个透明度称为Alpha通道或者透明通道。

当透明度的值是255时，图像完全不透明，就相当于没有这个通道的效果是一样的。值为0时图像是完全透明的，无论什么颜色都不可见。0~255之间的值，就是各种不同级别的透明度。这种而RGBA图像也称为32位真彩色图像。

256色彩色图像

还有256色的彩色图像。

• 在这种图像中，每个像素的颜色是由一个8位二进制数来指定，因此一张图中最多只能包含256种颜色。

但是这个二进制数并不代表某种确定的颜色，而是在调色板中的索引值，它对应的颜色是按照这个索引值在调色板中查询出来的。

• 因此对于不同的图像所对应的256种颜色可能是不一样的。
• 在保存和装载256色的彩色图像时，需要将调色板信息和图像一同保存和装载。

图像格式

BMP格式的位图需要保存每个像素的颜色信息，占用的存储空间比较大，它不支持文件压缩，也不适用于网页。为了减少图像文件所占的空间，就要对图像进行压缩。

图像压缩

• 图像压缩就是牺牲图像质量来减少它所占的空间，力求达到图像品质和图像大小之间的最佳点。
• 不同的图像压缩算法，对应不同的图像格式。

图像格式

JPEG格式

• JPEG是最常用的图片格式之一，它是一种有损压缩方案，可以在保持高质量的图片质量的前提下去除冗余的图像和色彩数据。

• 它的压缩率很高，可以达到100:1，JPEG图像可以被压缩到原图的1/20的大小，而图片的质量不会有明显的下降，由于所占的空间比较小，因此非常适合存储照片，以及在网页中显示图片。

• JPEG适用于色彩丰富细节清晰细腻的大图像。
  
  但是对于所含颜色比较小，具有大块颜色相近的区域或者亮度差异十分明显的简单图片,压缩效果不太理想，例如在这个图中蓝天部分就出现了明显的色块。
  

• 每次编辑和保存JPEG图像都会降低图像质量，不适合需要进行多次编辑的情况。

PNG格式

PNG图片编辑是一种无损压缩的位图图像格式，他对图片本身质量的减损非常低，因此逐渐流行起来，但是一些比较旧的浏览器和程序可能不支持png文件，png更适合有规律渐变色彩的图像，而对于色彩丰富，大图像表现与色彩丰富，细节清晰细腻的大图像表现的效果不如JPEG。

GIF格式

GIF也是一个大家都非常熟悉的图片格式。

• 很多同学一听到GIF就想到动图，实际上GIF格式的图片是分为静态和动态两种的。
• 动态图片由多幅图片保存为一个图片，循环显示，形成动画效果。
• 只支持256色，适用于色彩简单、颜色较少的小图像。

TIFF格式

TIFF格式是图像文件格式中最复杂的一种。

• 定义了4种不同类型的格式。
  分别适用于
  • 二值图像
  • 黑白灰度图像
  • 带调色板的彩色图像
  • RGB真彩色图像
• 支持RGB、JPEG等多种编码方法
• TIFF格式具有非常好的扩展性，方便性，可修改性的，可以广泛应用于图像编辑和输出，是印刷行业中最常用的格式
• Web浏览器中不支持TIFF格式

色彩模式

色彩模式就是图像记录颜色的方式。

• 二值图像、灰度图像、RGB图像、RGBA图像
• CMYK–印刷四分色
  • C：Cyan=青色
  • M：Magenta=洋红色
  • Y：Yellow=黄色
  • K：black=黑色
• YCbCr–数字电视等消费类视频产品中常用的色彩编码方案
  • Y：亮度
  • Cb：蓝色色度
  • Cr：红色色度
• HSI
  • H：色调
  • S：饱和度
  • I：亮度

图像类型

• 序列图像：时间上有一定的顺序和间隔、内容上相关的一组图像，例如视频图像
  • 其中每幅图像，称为帧图像
  • 帧图像之间的时间间隔是固定的
    
• 深度图像
  • 是一种三维场景信息的表达方式
  • 每个像素点的取值，代表这个点离摄像机的距离
  • 采用灰度图表示，每个像素点由一个字节表示
  • 深度图像中，像素点的取值并不代表实际的距离，颜色的深浅只是代表相对距离的远近