3.1 图像基础知识

图像是自然景物通过视觉在大脑中留下的影像，包含了景物的相关信息。

3.1.1 图形与图像

计算机图形图像主要分为两类：一类是位图图像；另一类是矢量图形。

1.位图图像

位图（Bitmap）图像也称为点阵图，简称图像，由一系列排列在一起的方格组成，每一个方格代表一个像素点，每一个像素点只能显示一种颜色。

用数码相机拍摄的照片、扫描仪扫描的图片、屏幕上抓取的图像等都属于位图。位图的最小单位由像素构成，缩放会失真，图像的清晰度与分辨率有关，如图3-1所示。

2.矢量图形

矢量图形（Vectorgraph）也叫向量图，简称图形。它使用直线和曲线来描述图形，在数学上定义为一系列由线连接的点。矢量图是通过数学的向量方式进行计算得到的图形，与分辨率无直接关系。

3.像素和分辨率

像素是组成图像的最基本单元，一幅图像通常由许多像素组成，每一个像素都有自己的位置，并记录着颜色信息。

分辨率是指在单位长度内含有的像素数或点数，单位为“像素/英寸”（Pixels Per Inch，PPI）或“点/英寸”（Dot Per Inch，DPI），意思是每英寸所包含的像素数或点数。

根据设备的不同，分辨率可分为屏幕分辨率、图像分辨率、打印机分辨率和扫描仪分辨率等。

3.1.2 图像的色彩

1.色彩

色彩是人类视觉系统的一种感觉，它是光经过物体的反射，刺激视网膜而获得的景象。色彩可分为无彩色（如黑、白、灰）和有彩色（如红、绿、蓝等）两大类。

自然界的色彩虽然各不相同，但任何有彩色的色彩都具有色相、亮度和饱和度这3个基本属性，称为色彩的三要素。

（1）色相

色相也称色名，指色彩的相貌和特征，是一种色彩区别于其他色彩的最根本的因素。自然界中如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色的种类就叫色相。

（2）亮度

亮度也称明度，是指色彩的明暗程度，也称深浅度，是表现色彩层次感的基础。

（3）饱和度

饱和度是指色彩的鲜浊程度。饱和度的变化可通过三原色互混产生，色彩越纯净，其饱和度越高。

2.色彩模式

色彩模式是指图像在显示、打印或扫描时定义颜色的方式。常见的色彩模式有RGB模式、CMYK模式、Lab模式、HSB模式、灰度模式、位图模式、索引模式及双色调模式等。

（1）RGB色彩模式

RGB色彩模式将自然界的光线看作由红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）3种基本光波叠加而成，是一种加光模式，如图3-2所示。所有的基色相加便形成白色；反之，当所有基色的值都为0时，便得到了黑色。RGB色彩模式是与设备有关的，不同的RGB设备展现的颜色不可能完全相同。

（2）CMYK色彩模式

CMYK色彩模式是一种减光模式，如图3-3所示。它是四色处理打印的基础，四色是青（Cyan）、洋红（Magenta）、黄（Yellow）和黑（Black）。CMYK模式被应用于印刷技术，印刷品通过吸收与反射光线的原理展现色彩。

（3）Lab色彩模式

Lab色彩模式是Photoshop内置的一种标准颜色模式，所定义的色彩最多，且与光线及设备无关，通常作为色彩模式转换时的中间模式，如图3-4所示。

（4）HSB色彩模式

HSB色彩模式基于人类对颜色的感觉，将颜色看作是由色相（Hue）、饱和度（Saturation）和亮度（Brightness）组成的，为将自然颜色转换为计算机创建的色彩提供了一种直觉方法。

（5）灰度（Grayscale）模式

灰度模式可用多达256级的灰度来表示图像，使图像的过渡更平滑细腻。图像的每个像素有一个0（黑色）～255（白色）之间的亮度值。

（6）位图（Bitmap）模式

位图模式仅含黑白两种颜色，所以其图像也叫作黑白图像。

（7）索引（Indexed Color）模式

索引模式是网络和动画中常用的图像模式，该模式最多有256种颜色。

（8）双色调（Duotone）模式

双色调模式是一种为打印而制定的色彩模式，主要用于输出适合专业印刷的图像，是8位的灰度、单通道图像。

3.1.3 图像的数字化与编码

1.图像数字化

计算机要对图像进行处理，首先必须获得图像信息并将其数字化。利用图像扫描仪、数码相机、摄像头等常用的图像输入设备对印刷品、照片或自然界的景物进行扫描或拍摄，完成图像输入过程。

图像数据的获取是图像数字化的基础。图像获取的过程实质上是模拟信号的数字化过程，处理步骤分为以下3步。

1）采样：在x，y坐标上对图像进行采样（也称为扫描），首先确定采样间隔即图像分辨率，然后逐行对原始图像进行扫描。设y坐标不变，对x轴按采样间隔得到一行离散的像素点x_n及相应的像素值。使y坐标也按采样间隔由小到大地变化，就可以得到一个离散的像素矩阵[x_n，y_n]，每个像素点有一个对应的色彩值，如图3-5所示。

2）量化：将扫描得到离散像素点对应的连续色彩值进行A/D转换（量化），量化的等级参数即为图像深度。这样，像素矩阵中的每个点（x_n，y_n）都有对应的离散像素值f_n。

3）编码：把离散的像素矩阵按一定方式编成二进制码组，然后把得到的图像数据按某种图像格式记录在图像文件中。

数字化后的图像可以通过如下公式计算文件的大小。

文件大小=图像分辨率×位深÷8

式中，位深表示一个像素所用的二进制位数，如8位、16位、24位等。

2.图像编码标准

（1）二值图像压缩标准

二值图像压缩标准JBIG（Joint Bi-level Image Expert Group）于1991年制定，采用了自适应技术，提高了压缩比，可用于渐进的传输与重建应用。

（2）静态图像压缩标准

JPEG标准是一种适用于彩色和单色多灰度或静止数字图像的压缩标准，包括基于DPCM（差分脉冲编码调制）和DCT（离散余弦变换）的无损压缩算法，以及基于Huffman编码的有损压缩算法两个部分。

JPEG标准的3个范畴如下。

1）基本顺序过程：实现有损图像压缩，重建图像的质量较高，人眼难以分辨与原图的差异；采用8×8像素自适应DCT算法、量化及Huffman型的熵编码器。

2）基于DCT的扩展过程：使用累进工作方式，采用自适应算术编码。

3）无失真过程：采用预测编码及Huffman编码（或算术编码），可保证重建图像数据与原始图像数据完全相同。

（3）JPEG 2000标准

为了弥补JPEG标准在不同领域性能上的缺憾，ISO/IEC SC29标准化小组于2000年确立了彩色静态图像的新一代编码标准JPEG 2000。

JPEG2000突破了以往图像压缩标准只对某种特征的某一类型的图像具有较好压缩性能的局限，支持对不同类型图像的有损压缩和无损压缩，可在压缩比高达200∶1时仍保持较高质量。

3.1.4 图像文件格式

图像文件的格式是指计算机用来表示、存储图像信息的格式。图像的文件格式有很多种，同一幅图像可以用不同的格式来存储，但不同格式之间所包含的图像信息并不完全相同，文件大小也有很大的差别。

1.PSD文件

这是Photoshop软件生成的默认图像文件格式，可以保存图像的图层、通道、调节层、文本层及色彩模式，占用磁盘空间大，且通用性差。

2.BMP文件

BMP（Bitmap File）图像文件是Windows操作系统通用的图像文件格式，有黑白、16色、256色和真彩色之分。BMP格式可以支持RGB、索引颜色、灰度和位图等颜色模式，但不支持Alpha通道（指图片的透明和半透明度）。

3.GIF文件

GIF是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文件所占用存储空间小，可以缩短网络传输时间，被广泛应用于网页中。GIF图像最多支持256色，可以保留索引颜色图像中的透明度，但不支持Alpha通道。

4.TIFF文件

TIFF（TIF）是绘图、图像编辑和页面排版中的一种重要的图像文件格式，可在应用程序和计算机平台之间交换文件。

5.JPEG文件

JPEG（JPG）文件采用一种有损压缩算法，其压缩比为1∶5～1∶50，甚至更高。JPEG格式文件的压缩比例可以选择，支持灰度图像、RGB真彩色图像和CMYK真彩色图像，但不支持Alpha通道。

6.PNG文件

PNG文件格式可以保存32位彩色，且支持透明背景，还可以在不失真的情况下压缩并保存图像，文件尺寸大。

7.EPS文件

EPS文件格式用于印刷及打印，可以同时包含矢量图形和位图图像，大多数图像类软件都支持该格式。

8.WMF文件

WMF文件只在Windows中使用，用于保存函数调用信息。WMF文件具有设备无关性，文件结构好，但解码复杂，其效率比较低。

9.PDF文件

PDF文件格式是Adobe公司专为线上出版而定制的，可以包含图形和文本，是网络下载常用的文件格式。