2.1 數(shù)字圖像的類型

在計(jì)算機(jī)中，為方便對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理，靜態(tài)數(shù)字圖像根據(jù)其特性可以分為矢量（vector）圖和位圖（bitmap），位圖也稱為柵格圖像。

矢量圖是采用一系列繪圖指令來表示一幅圖，這種方法的本質(zhì)是以數(shù)學(xué)和幾何學(xué)中的公式描述一幅圖像，圖像中每一個(gè)形狀都是一個(gè)完整的公式，稱為一個(gè)對(duì)象。對(duì)象是一個(gè)封閉的整體，所以定義圖像上對(duì)象的變化以及與其他對(duì)象的關(guān)系對(duì)計(jì)算機(jī)來說是簡單的，所有這些變化都不會(huì)影響到圖像中的其他對(duì)象。數(shù)學(xué)形式的矢量圖文件具有兩個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)量很小；圖像質(zhì)量與分辨率無關(guān)。無論將矢量圖像放大或縮小多少次，圖像總是以顯示設(shè)備允許的最大清晰度顯示，在計(jì)算機(jī)計(jì)算與顯示一幅圖像時(shí)，也往往能看到畫圖的過程。但矢量圖也具有明顯的缺點(diǎn)，即不易制作色調(diào)豐富或色彩變化太多的圖像，而且繪出來的圖像逼真度差，也不易在不同的軟件間交換文件。

位圖是計(jì)算機(jī)表示數(shù)字圖像最常用的一種類型。根據(jù)顏色和灰度級(jí)數(shù)量，可以將位圖分為二值圖像、灰度圖像、索引圖像和RGB彩色圖像四種基本類型。目前，大多數(shù)圖像處理軟件都支持這四種類型的圖像。

1. 二值圖像

二值圖像的灰度值只有0、1，其中灰度值0代表黑色，1代表白色。因此，二值圖像所對(duì)應(yīng)的二維矩陣元素也由0、1構(gòu)成。由于每一像素（矩陣中每一元素）的取值只有0、1兩種，所以計(jì)算機(jī)中二值圖像的數(shù)據(jù)類型采用一個(gè)二進(jìn)制位表示。采用掃描儀掃描圖像時(shí)，若設(shè)置為LineArt格式，則掃描儀以一位顏色模式來看待圖像。若采樣點(diǎn)顏色為黑，則掃描儀將相應(yīng)的像素位元置為0，否則置為1。二值圖像通常用于文字、線條圖的掃描識(shí)別（OCR）和掩膜圖像的存儲(chǔ)。

二值圖像又稱為線畫稿，即只有黑、白兩種顏色，這種形式通常也稱為“黑白藝術(shù)”“位圖藝術(shù)”“一位元藝術(shù)”。

2. 灰度圖像

灰度圖像一般指具有256級(jí)灰度值的數(shù)字圖像，灰度圖像只有灰度值而沒有彩色。因此，每個(gè)像素都是介于黑色和白色之間的256種灰度中的一種。256級(jí)灰度值圖像的數(shù)據(jù)類型為8位無符號(hào)整數(shù)，灰度值0表示純黑色，255表示純白色，0～255之間的數(shù)字由小到大表示從純黑到純白之間的過渡色。二值圖像可以看成是灰度圖像的一個(gè)特例。

在一些軟件中，灰度圖像也可以采用雙精度數(shù)據(jù)類型（double）表示，對(duì)應(yīng)的像素值域?yàn)椋?，1），其中0代表純黑色，1代表純白色，0～1之間的小數(shù)表示不同的灰度等級(jí)。

3. 索引圖像

索引圖像的文件結(jié)構(gòu)與灰度圖像和RGB圖像文件不同，它既包括存放圖像數(shù)據(jù)的二維矩陣，還包括一個(gè)顏色索引矩陣（稱為MAP），因此稱為索引圖像，又稱為映射圖像。MAP矩陣也可以由二維數(shù)組表示，MAP的大小由存放圖像的矩陣元素的值域（即灰度值范圍）決定。例如，若矩陣元素值域?yàn)?～255，則MAP矩陣的大小為256×3，矩陣的三列分別為R（紅）、G（綠）、B（藍(lán)）值，以MAP=［R G B］表示。圖像矩陣的每一個(gè)灰度值對(duì)應(yīng)于MAP中的一行，如某一像素的灰度值為64，則表示該像素與MAP矩陣的第64行建立了映射關(guān)系，該像素在屏幕上的顯示顏色由MAP矩陣第64行的［R G B］疊加而成。也就是說，計(jì)算機(jī)打開圖像文件時(shí)，其索引矩陣也同時(shí)讀入，圖像每一像素的顏色以灰度值作為索引，通過檢索顏色索引矩陣MAP得到實(shí)際顏色。計(jì)算機(jī)中，索引圖像的數(shù)據(jù)類型一般為8位無符號(hào)整型，即索引矩陣MAP的大小為256×3。因此，一般索引圖像只能同時(shí)顯示256種顏色。

與灰度圖像一樣，索引圖像的數(shù)據(jù)類型也可采用雙精度浮點(diǎn)型（double）。索引圖像一般用于存放色彩要求比較簡單的圖像，如Windows中色彩構(gòu)成比較簡單的壁紙多采用索引圖像存放，如果圖像的色彩比較復(fù)雜，就要用到RGB彩色圖像。

4. RGB彩色圖像

RGB彩色圖像又稱為真彩色圖像，RGB彩色圖像與索引圖像都是計(jì)算機(jī)可以處理的彩色圖像。RGB彩色圖像也同樣以R、G、B三原色的疊加來表示每個(gè)像素的顏色。與索引圖像不同的是，RGB彩色圖像每一個(gè)像素的顏色值（由RGB三原色表示）直接存放在圖像矩陣中，不需要進(jìn)行索引。由于數(shù)字圖像以二維矩陣表示，而每一像素的顏色需由R、G、B三個(gè)分量來表示，因此RGB彩色圖像矩陣需要采用三維矩陣表示，即M×N×3矩陣，M、N分別表示圖像的行、列數(shù)，三個(gè)M×N的二維矩陣分別表示各個(gè)像素的R、G、B顏色分量。RGB彩色圖像的數(shù)據(jù)類型一般為8位無符號(hào)整型，通常用于表示和存放真彩色圖像，當(dāng)然也可以存放灰度圖像。

雖然索引圖像和RGB彩色圖像都可以存放彩色圖像，但兩者之間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同，因此存在明顯差別。由于索引圖像所表示的顏色數(shù)量是由索引矩陣MAP的大小決定的，而MAP的大小又由像素灰度值的值域決定，所以在8位無符號(hào)整型數(shù)據(jù)的情況下，索引圖像只能表示256種顏色；而RGB彩色圖像則將每一像素的R、G、B三個(gè)顏色分量直接存放在三維圖像矩陣中，因此理論上其所表示的顏色可多達(dá)224（28×28×28）種顏色，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于索引圖像的256（28）種顏色，而且像素的顏色直接存放在圖像矩陣中，在讀取數(shù)據(jù)時(shí)無須索引，所以RGB彩色圖像的顯示速度很快。但索引圖像也有自己的優(yōu)點(diǎn)。首先，其所占用的存儲(chǔ)空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于RGB彩色圖像，因此在對(duì)圖像顏色要求不高的情況下，一般可采用索引圖像存放彩色圖像。其次，由于索引圖像的顏色值存放在索引矩陣MAP中，在修改圖像的顏色時(shí)直接修改索引矩陣即可，而不需要修改圖像矩陣，因此在比較選擇不同的圖像處理方案時(shí)，索引圖像顯得非常方便。

綜上所述，可以看出在圖像的四種基本類型中，隨著圖像所表示的顏色類型的增加，圖像所需的存儲(chǔ)空間逐漸增加。二值圖像僅能表示黑、白兩種顏色，但所需的存儲(chǔ)空間最少；灰度圖像可以表示由黑到白漸變的256個(gè)灰度級(jí)，每個(gè)像素需要一個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)空間；索引圖像可以表示256種顏色，與灰度圖像一樣，每個(gè)像素需要一個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)，而為了表示256種顏色，還需要一個(gè)256×3顏色索引矩陣；RGB彩色圖像可以表示224種顏色，相應(yīng)的每個(gè)像素需要3字節(jié)的存儲(chǔ)空間，是灰度和索引圖像的3倍。因此，在用高級(jí)語言（如C++）編程存取不同類型圖像文件時(shí)要注意文件指針的最小尋址單元。表2-1給出了四種基本圖像類型表示的顏色類型和存儲(chǔ)空間的統(tǒng)計(jì)（假設(shè)圖像大小為M×N）。

對(duì)于數(shù)字圖像處理技術(shù)而言，一般都包括以上這四種基本類型圖像文件。此外，在多媒體技術(shù)中還會(huì)遇到高維圖像，即圖像矩陣的維數(shù)大于3，如多媒體動(dòng)畫圖像，由于一個(gè)動(dòng)畫圖像可包含多幀RGB彩色圖像，因此動(dòng)畫圖像本質(zhì)上是四維矩陣M×N×3×P，即每一幀圖像本身是一個(gè)三維矩陣（M×N×3），而動(dòng)畫彩色圖像共有P幀RGB彩色圖像。