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1.4.3 图像的表示

《计算机科学概论(第12版)》第1章数据存储,在本章中,我们学习有关计算机中数据表示和数据存储的内容。我们要研究的数据类型包括文本、数值、图像、音频和视频。除了传统计算外,本章的很多内容还涉及数字摄影、音频/视频录制和复制,以及远程通信等领域。本节为大家介绍图像的表示。

作者:刘艺/吴英/毛倩倩 译来源:人民邮电出版社|2018-01-28 20:15

1.4.3 图像的表示

图像的一种表示方法是:将图像解释为一组点,每一个点称为一个像素(pixel,是picture element的简写);然后,对每个像素的显示进行编码,整个图像就表示成了这些编码像素的集合,这个集合被称为位图(bit map)。这种方法很常用,因为许多显示设备(如打印机和显示器)都是基于像素概念操作的。因此,位图格式的图像更便于格式化显示。

位图中的像素编码方式随着应用的不同而不同。对于简单的黑白图像,每个像素由一个位表示,位的值取决于相对应像素是黑还是白。这是大多数传真机采用的方法。对于更加精致的黑白照片,每个像素由一组位(通常是8个)表示,这使得许多灰色阴影也可以表示出来。对于彩色图像,每个像素通过更为复杂的系统来编码。有两种方法很常用,其中一种是RGB编码,每个像素表示为3种颜色成分——红、绿、蓝,它们分别对应于光线的三原色。每一种颜色成分的强度一般是用一个字节来表示。因此,要表示原始图像中的一个单独像素,就需要3个字节的存储空间。

另一种替代简单RGB编码的方法是,使用一个“亮度”成分和两个颜色成分。在这种方法中,“亮度”成分被称为像素亮度,基本上就是红、绿、蓝三种颜色成分的总和。(事实上,它是像素中白光的数量,但是现在我们不需要考虑这些细节。)其他两种成分,称为蓝色色度和红色色度,分别由像素中的像素亮度与蓝或红光数量之间的差来决定。这3个成分合在一起就是再现这个像素所需要的全部信息。

利用亮度和色度成分进行图像编码这种方式的普及源自彩色电视广播领域,因为这种方法提供的彩色图像编码方式可以兼容老式黑白电视接收器。事实上,只需要利用编码彩色图像的亮度成分就可以制造出图像的灰度版本。

用位图表示图像的缺点在于,图像不能轻易调整到任意大小。基本上,放大图像的唯一途径就是变大像素,而这会使图像模糊。(这就是应用于数字照相机的“数字变焦”技术,与此相对的“光学变焦”是通过调整照相机镜头实现的。)

图像的另外一种表示方法,避免了这个缩放问题,将图像描述成了几何结构(如直线和曲线)的集合,这些几何结构可以用解析几何技术来编码。这种描述允许最终显示图像的设备决定几何结构的显示方式,而不是让设备再现特殊像素模式。这种方法被用在了当今的字处理系统中,用于产生可缩放的字体。例如,TrueType(由微软公司和苹果公司开发)是用几何结构描述文本符号的系统,而PostScript(由Adobe系统开发)提供了一种描述字符及更一般的图形数据的方法。这种表示图像的几何方法在计算机辅助设计(computer-aided design,CAD)系统中也很常见,用于在计算机屏幕上显示和操控三维物体的绘制。

许多绘图软件系统(如微软的画图工具)都允许用户用预先设定的形状(如矩形、椭圆形、基本线条等)画图,对于这些用户来说,用几何结构表示图像与用位图表示图像之间的区别是很明显的。用户只需从菜单中选择所需的几何形状,就可以用鼠标绘制出形状。在绘制过程中,软件保存了所画形状的几何描述。当鼠标给出方向后,内部的几何表示就被修改,再转化成位图形式显示出来。这种方法方便图像的缩放和形状的改变。然而,一旦绘制过程完成,系统就会去除基本的几何描述,仅保存位图,这意味着,再做其他修改需要经历冗长的一个像素接一个像素的修改过程。另外,一些绘图系统会将描述作为几何图形保存下来,并允许在之后进行修改。有了这些系统,就可以轻松地调整图形的大小,并可按各种尺寸显示清晰图像。


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