1.1.3 數字圖像文件

為了對數字圖像文件進行正常存取，這里介紹數字圖像文件的結構。盡管圖像文件種類繁多，但其結構卻很相似。

1.圖像基本類型

為了更清楚地解釋數字圖像文件結構，下面先簡單介紹一下數字圖像按顏色的不同進行的基本分類。

（1）二值圖像

二值圖像的像素值僅由0、1兩個值構成，“0”代表黑色，“1”代表白色。由于每一像素取值僅有0、l兩種可能，所以計算機中二值圖像像素的像素值通常用1個二進制位表示。

（2）16色圖像

16色圖像像素值的取值范圍為[0,15]。每一個像素值由4個二進制位表示。實際上，像素值并不代表具體顏色，而是調色板中16種顏色的索引值。由于這類圖像只能顯示16種顏色，因此顯示效果不是很好，現在只在圖標等較少的場合中有應用。

（3）256色圖像

256色圖像像素值的取值范圍為[0,255]。每一個像素值由8個二進制位表示。和16色圖像一樣，像素值也不代表具體顏色，而是調色板中256種顏色的索引值。和16色圖像相比，由于這種圖像可顯示顏色更豐富，故顯示效果明顯改善。

256色圖像更重要的一種應用格式是256灰度圖像。256灰度圖像實際上是256色圖像的一個特例。其圖像像素值的取值范圍仍然是[0,255]，但每一個數值代表一種灰度，“0”表示純黑色，“255”表示純白色，中間的數字從小到大表示由黑到白的過渡色。就文件格式而言，256灰度圖像仍然采用256色圖像的格式，只不過其調色板中256種顏色已由小到大定義成了不同灰度顏色。由于256灰度圖像去除了顏色信息，因此，在很多圖像分析場合，尤其是數字圖像模式識別應用中較常用。

（4）真彩色圖像

和上述各種圖像不同，真彩色圖像的像素值直接表示具體顏色，因此沒有調色板。一般真彩色圖像的每個像素值由3字節組成，分別表示紅（R）、綠（G）、藍（B）三原色的亮度值。組合在一起，真彩色圖像共可以表示256×256×256=16777 216種，或16M種顏色。由于真彩色圖像所能表示的顏色數量已經超過人眼所能分辨的顏色數量，因此，實際應用中認為真彩色圖像的顯示效果和數字化前的原始圖像是一樣的，這也是真彩色圖像名稱的由來。

2.圖像文件結構

在計算機中，數據是以文件的形式存儲在外存儲器中，圖像數據也不例外。圖像文件就是以數字形式存儲起來的圖像。為了便于讀寫，圖像數據一般以一定的格式存放。目前已知有幾十種圖像文件格式，它們雖各不相同，但都具有相似的特征。圖像文件一般由文件頭、像素數據和調色板數據等3部分組成。

（1）文件頭

文件頭用于存放圖像基本信息，包括各種特征參數、像素數據與調色板數據在文件中的存放位置，以及文字注解等。文件頭分固定格式及靈活格式兩大類。前者如BMP、PCX文件等，其存儲規定的參數，且數據在文件中的存儲位置是固定的。后者如TIF文件，文件中除了規定的參數外，還可自行定義特征參數，數據在文件中的存儲位置也不固定，且同一文件中還可存放多幅圖像。還有一些格式介于兩者之間，如GIF和TGA文件格式等。

（2）像素數據

像素數據以位圖的形式存放，每個像素數據對應圖像相應位置上的顏色值，具體顏色值的定義由調色板數據提供。像素數據有壓縮和不壓縮之分。壓縮數據可以節省存儲容量，但在存取時需進行壓縮和解壓縮處理，處理速度慢。不壓縮的像素數據在不同格式的圖像文件中的存儲結構基本相同。

（3）調色板數據

調色板數據是指二值、16色和256色圖像的色調數據，一般放在文件頭中。上述3種圖像顯示時需要調色板數據。真彩色圖像的像素數據中已有顏色分量，故不再需要調色板數據。

3.圖像文件常用參數

在圖像的顯示控制中最重要的參數為圖像的寬度、高度、每像素所占位數、位平面數、圖像類型、像素數據存儲位置、調色板數據存儲位置、壓縮類型和圖像掃描方向等。這些參數可分為圖幅參數、類型參數、位置參數和壓縮類型參數等4類。

（1）圖幅參數

圖像的寬度和高度是圖像的基本參數。由圖像寬度可以計算出每行字節數，即由圖像寬度乘上每像素字節數直接求得，但有的圖像格式要求每行字節數是4的倍數（如BMP文件）或偶數（如PCX文件），計算時需作調整。

（2）類型參數

圖像的類型參數通過每像素所占位數進行表示，包括1、4、8、24等。其中，類型為1、4、8的圖像中，每像素數據僅為調色板上顏色索引號，因此，其對應調色板所存儲的顏色個數分別為2、16和256。而類型為24的圖像是真彩色圖像，由于其每像素數據直接表示對應顏色值，因此，它不需要調色板數據。

有的圖像類型還特別注明圖像是黑白還是彩色。有了這個參數，類型為8的黑白圖像文件中，每像素數據可以直接表示對應黑白灰度值（0～255），因此可以省略調色板數據（如TIF、TGA文件）。

（3）位置參數

像素數據和調色板數據的位置參數用于對圖像數據的存數、取數指針進行定位。它們的存放位置可以固定，也可以不固定，因文件不同而不同。

這里，需注意的是圖像掃描的方向或數據存儲的順序。大多數圖像文件采用的掃描方向為自上而下（如PCX、GIF、TIF與JPEG文件），少數為自下而上（如BMP、TGA文件）。因此，在對讀取了的圖像數據進行顯示或處理時，需按照文件類型進行相應調整。

（4）壓縮類型參數

壓縮類型參數用于注明圖像文件是否壓縮、采用何種壓縮等，供存數、取數程序確定是否需要壓縮和解壓縮。

綜上所述，盡管計算機中存儲的圖像文件類型繁多，但不同類型的圖像文件均可根據圖像中每像素所占位數和位平面數等圖像類型參數來區分，如表1-1所示。圖像文件按每像素所占總位數可分為4類，即黑白二值、16色彩色、256色彩色和24位真彩色。有些圖像文件中用圖像類型參數來區別黑白圖像和彩色圖像。表1-1中，pal表示該文件采用調色板，需要調色板數據；rgb表示彩色分量排列順序為紅、綠、藍，bgr則相反，為藍、綠、紅；bw、wb則表示省略調色板，前者表示黑白圖像中零值為黑色，高數值為白色，后則相反，零值為白色，高數值為黑色；*表示該類圖像支持的數據類型。

此外，16色彩色和真彩色圖像可分為單一位平面結構與多位平面結構兩類。單一位平面結構下，圖像數據以像素為單位集中存放，與顯示存儲器中的存放形式相同。而圖像文件中的多位平面存儲結構與顯示存儲器中的有所不同，它是按行為單位存放的。在同一行中圖像數據以顏色分量為單位集中在一起，每個位平面相當于一行黑白圖像，幾個位平面的數據依次存放。