影象數位化過程中的編碼方式決定了所得數位影像的什麼

決定了所得數位影像的「檔案格式」。數位化後得到的影象資料量十分巨大，必須採用編碼技術來壓縮其資訊量；在一定意義上講，編碼壓縮技術是實現影象傳輸與儲存的關鍵。為了使影象壓縮標準化，國際電信聯盟、國際標準化組織ISO和國際電工委員會IEC已經制定並繼續制定一系列靜止和活動影象編碼的國際標準，已批准的標準主要有JPEG標準、MPEG標準、H.261等。

本教學操作環境：windows7系統、Dell G3電腦。

影象數位化過程中的編碼方式決定了所得數位影像的「檔案格式」。

影象數位化是將空間分佈和亮度取值軍連續分佈的模擬影象經取樣和量化轉換成計算機能夠處理的數位影像的過程。

即將一幅畫面轉化成計算機能處理的形式——數位影像的過程。

影象數位化的具體過程

要在計算機中處理影象，必須先把真實的影象（照片、畫報、圖書、圖紙等）通過數位化轉變成計算機能夠接受的顯示和儲存格式，然後再用計算機進行分析處理。影象的數位化過程主要分取樣、量化與編碼三個步驟。

取樣

取樣的實質就是要用多少點來描述一幅影象，取樣結果品質的高低就是用前面所說的影象解析度來衡量。簡單來講，對二維空間上連續的影象在水平和垂直方向上等間距地分割成矩形網狀結構，所形成的微小方格稱為畫素點。一副影象就被取樣成有限個畫素點構成的集合。例如：一副640*480解析度的影象，表示這幅影象是由640*480=307200個畫素點組成。

如下圖所示，左圖是要取樣的物體，右圖是取樣後的影象，每個小格即為一個畫素點。

取樣頻率是指一秒鐘內取樣的次數，它反映了取樣點之間的間隔大小。取樣頻率越高，得到的影象樣本越逼真，影象的品質越高，但要求的儲存量也越大。

在進行取樣時，取樣點間隔大小的選取很重要，它決定了取樣後的影象能真實地反映原影象的程度。一般來說，原影象中的畫面越複雜，色彩越豐富，則取樣間隔應越小。由於二維影象的取樣是一維的推廣，根據訊號的取樣定理，要從取樣樣本中精確地復原影象，可得到影象取樣的奈奎斯特（Nyquist）定理：影象取樣的頻率必須大於或等於源影象最高頻率分量的兩倍。

取樣頻率是指一秒鐘內取樣的次數，它反映了取樣點之間的間隔大小。取樣頻率越高，得到的影象樣本越逼真，影象的品質越高，但要求的儲存量也越大。

在進行取樣時，取樣點間隔大小的選取很重要，它決定了取樣後的影象能真實地反映原影象的程度。一般來說，原影象中的畫面越複雜，色彩越豐富，則取樣間隔應越小。由於二維影象的取樣是一維的推廣，根據訊號的取樣原理，要從取樣樣本中精確地復原影象，可得到影象取樣的奈奎斯特(Nyquist)定理：影象取樣的頻率必須大於或等於源影象最高頻率分量的兩倍。 [3]

量化

量化是指要使用多大範圍的數值來表示影象取樣之後的每一個點。量化的結果是影象能夠容納的顏色總數，它反映了取樣的品質。

例如：如果以4位元儲存一個點，就表示影象只能有16種顏色；若採用16位元儲存一個點，則有216=65536種顏色。所以，量化位數越來越大，表示影象可以擁有更多的顏色，自然可以產生更為細緻的影象效果。但是，也會佔用更大的儲存空間。兩者的基本問題都是視覺效果和儲存空間的取捨。

假設有一幅黑白灰度的照片，因為它在水平於垂直方向上的灰度變化都是連續的，都可認為有無數個畫素，而且任一點上灰度的取值都是從黑到白可以有無限個可能值。通過沿水平和垂直方向的等間隔取樣可將這幅模擬影象分解為近似的有限個畫素，每個畫素的取值代表該畫素的灰度（亮度）。對灰度進行量化，使其取值變為有限個可能值。

經過這樣取樣和量化得到的一幅空間上表現為離散分佈的有限個畫素，灰度取值上表現為有限個離散的可能值的影象稱為數位影像。只要水平和垂直方向取樣點數足夠多，量化位元數足夠大，數位影像的品質就比原始模擬影象毫不遜色。

在量化時所確定的離散取值個數稱為量化級數。為表示量化的色彩值（或亮度值）所需的二進位制位數稱為量化字長，一般可用8位元、16位元、24位元或更高的量化字長來表示影象的顏色；量化字長越大，則越能真實第反映原有的影象的顏色，但得到的數位影像的容量也越大。

例如：下圖，沿線段AB（左圖）的連續影象灰度值的曲線（右圖），取白色值最大，黑色值最小。

先取樣：沿線段AB等間隔進行取樣，取樣值在灰度值上是連續分佈的，如下圖的左圖；

再量化：連續的灰度值再進行數位化（8個級別的灰度級標尺），如上圖的右圖。

壓縮編碼

數位化後得到的影象資料量十分巨大，必須採用編碼技術來壓縮其資訊量。在一定意義上講，編碼壓縮技術是實現影象傳輸與儲存的關鍵。已有許多成熟的編碼演演算法應用於影象壓縮。常見的有影象的預測編碼、變換編碼、分形編碼、小波變換影象壓縮編碼等。

當需要對所傳輸或儲存的影象資訊進行高比率壓縮時，必須採取複雜的影象編碼技術。但是，如果沒有一個共同的標準做基礎，不同系統間不能相容，除非每一編碼方法的各個細節完全相同，否則各系統間的連線十分困難。

為了使影象壓縮標準化，20世紀90年代後，國際電信聯盟(ITU)、國際標準化組織ISO和國際電工委員會IEC已經制定並繼續制定一系列靜止和活動影象編碼的國際標準，已批准的標準主要有JPEG標準、MPEG標準、H.261等。

編碼比較

BMP影象檔案格式

BMP是一種與硬體裝置無關的影象檔案格式，使用非常廣。它採用位對映儲存格式，除了影象深度可選以外，不採用其他任何壓縮，因此，BMP檔案所佔用的空間很大。

BMP檔案的影象深度可選lbit、4bit、8bit及24bit。BMP檔案儲存資料時，影象的掃描方式是按從左到右、從下到上的順序。由於BMP檔案格式是Windows環境中交換與圖有關的資料的一種標準，因此在Windows環境中執行的圖形影象軟體都支援BMP影象格式。

典型的BMP影象檔案由三部分組成：點陣圖檔案頭資料結構，它包含BMP影象檔案的型別、顯示內容等資訊；點陣圖資訊資料結構，它包含有BMP影象的寬、高、壓縮方法，以及定義顏色等資訊。

PCX影象檔案格式

PCX這種影象檔案的形成是有一個發展過程的。最先的PCX雛形是出現在ZSOFT公司推出的名叫PC PAINBRUSH的用於繪畫的商業軟體包中。以後，微軟公司將其移植到 Windows環境中，成為Windows系統中一個子功能。

先在微軟的Windows3．1中廣泛應用，隨著Windows的流行、升級，加之其強大的影象處理能力，使PCX同GIF、TIFF、BMP影象檔案格式一起，被越來越多的圖形影象軟體工具所支援，也越來越得到人們的重視。PCX是最早支援彩色影象的一種檔案格式，現在最高可以支援256種彩色。

PCX設計者很有眼光地超前引入了彩色影象檔案格式，使之成為現在非常流行的影象檔案格式。PCX影象檔案由檔案頭和實際影象資料構成。檔案頭由128位元組組成，描述版本資訊和影象顯示裝置的橫向、縱向解析度，以及調色盤等資訊：在實際影象資料中，表示影象資料型別和彩色型別。

PCX影象檔案中的資料都是用PCXREL技術壓縮後的影象資料。 PCX是PC機畫筆的影象檔案格式。PCX的影象深度可選為l、4、8bit。由於這種檔案格式出現較早，它不支援真彩色。PCX檔案採用 RLE行程編碼，檔案體中存放的是壓縮後的影象資料。

因此，將採集到的影象資料寫成PCX檔案格式時，要對其進行RLE編碼：而讀取一個PCX檔案時首先要對其進行RLE解碼，才能進一步顯示和處理。

TIFF影象檔案格式

TIFF(TaglmageFileFormat)影象檔案是由Aldus和Microsoft公司為桌上出版系統研製開發的一種較為通用的影象檔案格式。TIFF格式靈活易變，它又定義了四類不同的格式：TIFF-B適用於二值影象；TIFF-G適用於黑白灰度影象；TIFF-P適用於帶調色盤的彩色影象；TIFF-R適用於RGB真彩影象。

TIFF支援多種編碼方法，其中包括RGB無壓縮、RLE壓縮及JPEG壓縮等。 TIFF是現存影象檔案格式中最複雜的一種，它具有擴充套件性、方便性、可改性，可以提供給IBMPC等環境中執行、影象編輯程式。

TIFF影象檔案由三個資料結構組成，分別為檔案頭、一個或多個稱為IFD的包含標記指標的目錄以及資料本身。 TIFF影象檔案中的第一個資料結構稱為影象檔案頭或IFH。

這個結構是一個TIFF檔案中唯一的、有固定位置的部分；IFD影象檔案目錄是一個位元組長度可變的資訊塊，Tag標記是TIFF檔案的核心部分，在影象檔案目錄中定義了要用的所有影象引數，目錄中的每一目錄條目就包含影象的一個引數。

GIF檔案格式

GIF(Graphics Interchange Format)的原義是「影象互換格式」，是CompuServe公司在 1987年開發的影象檔案格式。GIF檔案的資料，是一種基於LZW演演算法的連續色調的無失真壓縮格式。其壓縮率一般在50%左右，它不屬於任何應用程式。目前幾乎所有相關軟體都支援它，公共領域有大量的軟體在使用GIF影象檔案。

GIF影象檔案的資料是經過壓縮的，而且是採用了可變長度等壓縮演演算法。所以GIF的影象深度從lbit到8bit，也即GIF最多支援256 種色彩的影象。

GIF格式的另一個特點是其在一個GIF檔案中可以存多幅彩色影象，如果把存於一個檔案中的多幅影象資料逐幅讀出並顯示到螢幕上，就可構成一種最簡單的動畫。

GIF解碼較快，因為採用隔行存放的GIF影象，在邊解碼邊顯示的時候可分成四遍掃描。第一遍掃描雖然只顯示了整個影象的八分之一，第二遍的掃描後也只顯示了1/4，但這已經把整幅影象的概貌顯示出來了。

在顯示GIF影象時，隔行存放的影象會給您感覺到它的顯示速度似乎要比其他影象快一些，這是隔行存放的優點。

JPEG檔案格式

JPEG是Joint Photographic Experts Group(聯合影象專家組)的縮寫，檔案後輟名為「．jpg」或「．jpeg」，是最常用的影象檔案格式，由一個軟體開發聯合會組織制定，是一種有失真壓縮格式，能夠將影象壓縮在很小的儲存空間，影象中重複或不重要的資料會被丟失，因此容易造成影象資料的損傷。

尤其是使用過高的壓縮比例，將使最終解壓縮後恢復的影象品質明顯降低，如果追求高品質影象，不宜採用過高壓縮比例。但是JPEG壓縮技術十分先進，它用有失真壓縮方式去除冗餘的影象資料，在獲得極高的壓縮率的同時能展現十分豐富生動的影象，換句話說，就是可以用最少的磁碟空間得到較好的影象品質。

而且 JPEG是一種很靈活的格式，具有調節影象品質的功能，允許用不同的壓縮比例對檔案進行壓縮，支援多種壓縮級別，壓縮比率通常在10：1到40：1之間，壓縮比越大，品質就越低；相反地，壓縮比越小，品質就越好。

比如可以把1．37Mb的BMP點陣圖檔案壓縮至20．3KB。當然也可以在影象品質和檔案尺寸之間找到平衡點。JPEG格式壓縮的主要是高頻資訊，對色彩的資訊保留較好，適合應用於網際網路，可減少影象的傳輸時間，可以支援24bit真彩色，也普遍應用於需要連續色調的影象。

JPEG格式是目前網路上最流行的影象格式，是可以把檔案壓縮到最小的格式，在 Photoshop軟體中以JPEG格式儲存時，提供11級壓縮級別，以0—10級表示。其中0級壓縮比最高，影象品質最差。即使採用細節幾乎無失真的10 級品質儲存時，壓縮比也可達 5：1。以BMP格式儲存時得到4．28MB影象檔案，在採用JPG格式儲存時，其檔案僅為178KB，壓縮比達到24：1。

經過多次比較，採用第8級壓縮為儲存空間與影象品質兼得的最佳比例。 JPEG格式的應用非常廣泛，特別是在網路和光碟讀物上，都能找到它的身影。

目前各類瀏覽器均支援JPEG這種影象格式，因為JPEG格式的檔案尺寸較小，下載速度快。 JPEG2000作為JPEG的升級版，其壓縮率比JPEG高約30%左右，同時支援有損和無失真壓縮。

JPEG2000格式有一個極其重要的特徵在於它能實現漸進傳輸，即先傳輸影象的輪廓，然後逐步傳輸資料，不斷提高影象品質，讓影象由朦朧到清晰顯示。

此外，JPEG2000還支援所謂的「感興趣區域」特性，可以任意指定影像上感興趣區域的壓縮品質，還可以選擇指定的部分先解壓縮。 JPEG2000和JPEG相比優勢明顯，且向下相容，因此可取代傳統的JPEG格式。

JPEG2000即可應用於傳統的JPEG市場，如掃描器、數碼相機等，又可應用於新興領域，如網路傳輸、無線通訊等等。

TGA格式

TGA格式(Tagged Graphics)是由美國Truevision公司為其顯示卡開發的一種影象檔案格式，檔案字尾為「．tga」，已被國際上的圖形、影象工業所接受。 TGA的結構比較簡單，屬於一種圖形、影象資料的通用格式，在多媒體領域有很大影響，是計算機生成影象向電視轉換的一種首選格式。TGA影象格式最大的特點是可以做出不規則形狀的圖形、影象檔案，一般圖形、影象檔案都為四方形，若需要有圓形、菱形甚至是縷空的影象檔案時，TGA可就派上用場了! TGA格式支援壓縮，使用不失真的壓縮演演算法。

EXIF格式

EXIF的格式是1994年富士公司提倡的數碼相機影象檔案格式，其實與JPEG格式相同，區別是除儲存影象資料外，還能夠儲存攝影日期、使用光圈、快門、閃光燈資料等曝光資料和附帶資訊以及小尺寸影象。

FPX影象檔案格式

FPX影象檔案格式(擴充套件名為fpx)是由柯達、微軟、HP及Live PictureInc聯合研製，並於1996年6月正式發表，FPX是一個擁有多重解析度的影像格式，即影像被儲存成一系列高低不同的分辯率，這種格式的好處是當影像被放大時仍可維持影像的質素，另外，當修飾FPX影像時，只會處理被修飾的部分，不會把整幅影像一併處理，從而減小處理器及記憶體的負擔，使影像處理時間減少。

SVG格式

SVG是可縮放的向量圖形格式。它是一種開放標準的向量圖形語言，可任意放大圖形顯示，邊緣異常清晰，文字在SVG影象中保留可編輯和可搜尋的狀態，沒有字型的限制，生成的檔案很小，下載很快，十分適合用於設計高解析度的Web圖形頁面。

PSD檔案格式

這是Photoshop影象處理軟體的專用檔案格式，副檔名是．psd，可以支援圖層、通道、蒙板和不同色彩模式的各種影象特徵，是一種非壓縮的原始檔案儲存格式。掃描器不能直接生成該種格式的檔案。PSD檔案有時容量會很大，但由於可以保留所有原始資訊，在影象處理中對於尚未製作完成的影象，選用PSD格式儲存是最佳的選擇。

CDR檔案格式

CDR格式是著名繪圖軟體CorelDRAW的專用圖形檔案格式。由於CorelDRAW是向量圖形繪製軟體，所以CDR可以記錄檔案的屬性、位置和分頁等。但它在相容度上比較差，所有CorelDraw應用程式中均能夠使用，但其他影象編輯軟體打不開此類檔案。

PCD檔案格式

PCD是Kodak PhotoCD的縮寫，副檔名是．pod，是Kodak開發的一種Photo CD檔案格式，其他軟體系統只能對其進行讀取。該格式使用YCC色彩模式定義影象中的色彩。YCC和CIE色彩空間包含比顯示器和列印裝置的RGB色和 CMYK色多得多的色彩。PhotoCD影象大多具有非常高的品質。

DXF檔案格式

DXF是Drawing Exchange Format的縮寫，擴充套件名是．dxf，是AutoCAD中的圖形檔案格式，它以ASCII方式儲存圖形，在表現圖形的大小方面十分精確，可被CorelDraw和3DS等大型軟體呼叫編輯。

UFO檔案格式

它是著名影象編輯軟體Ulead Photolmapct的專用影象格式，能夠完整地記錄所有 Photolmapct處理過的影象屬性。值得一提的是，UFO檔案以物件來代替圖層記錄影象資訊。

EPS檔案格式

EPS是Encapsulated PostScript的縮寫，是跨平臺的標準格式，擴充套件名在PC平臺上是．eps，在Macintosh平臺上是．epsf，主要用於向量影象和光柵影象的儲存。EPS格式採用 PostScript語言進行描述，並且可以儲存其他一些型別資訊，例如多色調曲線、Alpha通道、分色、剪輯路徑、掛網資訊和色調曲線等，因此EPS 格式常用於印刷或列印輸出。Photoshop中的多個EPS格式選項可以實現印刷列印的綜合控制，在某些情況下甚至優於TIFF格式。

PNG影象檔案格式

PNG(Portable Networf Graphics)的原名稱為「可移植性網路影象」，是網上接受的最新影象檔案格式。PNG能夠提供長度比GIF小30%的無失真壓縮影象檔案。它同時提供 24位元和48位元真彩色影象支援以及其他諸多技術性支援。由於PNG非常新，所以目前並不是所有的程式都可以用它來儲存影象檔案，但Photoshop可以處理PNG影象檔案，也可以用PNG影象檔案格式儲存。

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