图形与图像数据表示全解析

### 图形与图像数据表示全解析 在当今数字化的时代，图形和图像无处不在，从我们日常用手机拍摄的照片，到专业医疗领域的影像诊断，再到卫星拍摄的地球图像，图形和图像数据的处理与应用已经深入到各个领域。了解图形和图像数据的表示方式，对于我们更好地处理、存储和传输这些数据至关重要。下面将详细介绍常见的图像数据类型、文件格式以及相关处理技术。 #### 1. 图像数据类型 图像数据类型多种多样，常见的有24位颜色和8位颜色，不同的数据类型在颜色表示、存储空间等方面存在差异。同时，由于图像文件存储大小较大，大多数图像格式都采用了压缩技术，压缩技术可分为无损压缩和有损压缩。 ##### 1.1 24位彩色图像 在24位彩色图像中，每个像素由三个字节表示，通常代表RGB（红、绿、蓝）。每个值的范围是0 - 255，因此这种格式支持256 × 256 × 256，即总共16,777,216种可能的组合颜色。然而，这种灵活性也带来了存储上的代价，例如，一个640 × 480的24位彩色图像在不进行任何压缩的情况下需要921.6 kB的存储空间。 值得注意的是，许多24位彩色图像实际上是以32位图像的形式存储的，每个像素额外的一个字节用于存储α（alpha）值，该值代表特殊效果信息，最简单的用途是作为透明度标志。 以“forestfire.bmp”图像为例，它是一个24位的Microsoft Windows BMP格式图像。通过将每个颜色通道的字节值0 - 255视为强度，我们可以分别显示该图像的红、绿、蓝通道的灰度图像。 ##### 1.2 高比特深度图像 有些图像格式出于各种原因，如医疗责任等，要求尽可能忠实地呈现所观察的场景，这类图像通常不进行压缩。例如，患者肝脏的图像需要非常准确地呈现红色和紫色等颜色。 此外，一些特殊的相机可以捕捉到比RGB更多的颜色信息，从而获得更多关于被成像场景的信息。例如，安全摄像头可以使用不可见光（如红外线、紫外线），医疗领域可以利用额外的颜色信息更好地诊断皮肤疾病，如皮肤癌。在卫星成像中，使用高比特深度可以获取更多关于作物生长类型等信息，尽管目前可能无法利用所有数据，但考虑到将相机送入高空或太空的成本，获取尽可能多的信息是有必要的。 这类图像被称为多光谱（超过3种颜色）或高光谱（有大量图像平面，如卫星成像中的224种颜色）图像。不过，本文主要关注灰度或RGB彩色图像。 ##### 1.3 8位彩色图像 当存储空间成为问题时（这几乎是常态，例如我们不想不必要地填满智能手机的内存），可以通过量化颜色信息来获得合理准确的彩色图像。许多系统可以利用仅用8位信息存储的颜色信息（即所谓的“256种颜色”）来生成屏幕图像。即使系统具备处理24位信息的电子设备，由于向后兼容性的要求，我们也需要了解8位彩色图像文件，而且它们体积更小，非常实用。 8位彩色图像文件使用查找表的概念来存储颜色信息。图像实际上存储的不是颜色，而是一组字节，每个字节是一个索引，指向一个包含3字节值的表，该表指定了具有该查找表索引的像素的24位颜色。这有点像儿童的数字填色艺术套装，数字1可能代表橙色，数字2代表绿色，实际颜色集合没有内在规律。 在图像中仔细选择要表示的颜色是有意义的。例如，如果图像主要是红色的日落，那么精确表示红色并只存储少量绿色是合理的。 我们可以通过构建颜色直方图来分析24位图像中的颜色分布。假设将24位图像中的所有颜色收集到一个256 × 256 × 256的单元格集合中，并在每个单元格中存储属于该颜色的像素数量。例如，如果恰好有23个像素的RGB值为(45, 200, 91)，则将值23存储在三维数组中索引为[45, 200, 91]的元素处。这种数据结构称为颜色直方图，它是图像处理中图像变换和操作的非常有用的工具。 以“forestfire.bmp”图像为例，其3D直方图显示了像素RGB值的分布，通过聚类可以选择最重要的256组颜色。经过处理后得到的8位图像与原始24位图像的差异相对较小，但在医疗成像等领域，仅“合理准确”的图像可能是不够的，因此64位成像在医疗应用中的考虑并非不合理。 同时，8位图像在存储空间上比24位图像有很大的节省。一个640 × 480的8位彩色图像仅需要300 kB的存储空间，而同样大小的24位彩色图像需要921.6 kB（同样不进行任何压缩）。 ##### 1.4 颜色查找表（LUTs） 8位彩色图像的核心思想是为每个像素只存储索引或代码值。例如，如果一个像素存储的值为25，则意味着要查找颜色查找表（LUT）中的第25行。虽然图像以二维数组的形式显示，但通常按行 - 列顺序存储为一个长系列的值。对于8位图像，图像文件可以在文件头信息中存储每个索引对应的R、G、B的8位值。LUT通常也被称为调色板。 颜色选择器由一组相当大的颜色块（或半连续的颜色范围）组成，鼠标点击可以选择指示的颜色。实际上，颜色选择器显示的是与索引值0 - 255相关联的调色板颜色。 通过简单地更改颜色表，可以实现简单的动画过程，这被称为颜色循环或调色板动画。由于颜色表的更新速度很快，这可以产生简单而令人愉悦的效果，例如文本框周围带有彩色球的跑马灯效果。由于更改小调色板数据很简单，这种