1.4 圖像存儲與格式

表達一幅圖像需要用到大量的數據，因而圖像存儲會需要大量的空間。在圖像處理和分析系統中，大容量和快速的圖像存儲器是必不可少的。圖像數據在聯機存儲器和數據庫存儲器中一般以圖像文件的形式存儲，所采用的圖像文件格式不僅要能描述圖像數據本身，一般還要能描述圖像的其他信息，以方便對圖像數據的提取和使用。

1.4.1 圖像存儲器件

在計算機中，圖像數據最小的量度單位是比特（bit）。存儲器的存儲量常用字節（byte，B）、千字節（KB）、兆（106）字節（MB）、吉（109）字節（GB）、太（1012）字節（TB）等表示。1 byte=8 bit。例如，存儲1幅1024×1024像素的24bit彩色圖像就需要3MB的存儲器。

用于圖像處理和分析的數字存儲器可分為如下3類。

（1）處理和分析過程中使用的快速存儲器。

（2）用于比較快地重新調用的在線或聯機存儲器。

（3）不經常使用的數據庫（檔案庫）存儲器。

例1.4.1　存儲器實例

計算機內存是一種提供快速存儲功能的存儲器。目前一般微型計算機的內存常為幾個GB。另一種提供快速存儲功能的存儲器是特制的硬件卡，也叫幀緩存。它常可存儲多幅圖像并可以視頻速度（每秒25或30幅圖像）讀取。它也可以允許對圖像實時進行放大縮小，以及垂直翻轉和水平翻轉等操作。目前常用的幀緩存容量常可達幾十個GB。近年來得到廣泛應用的閃存從其工作原理和結構來說與內存有些相似之處，但它在斷電后仍能保持存儲的內容。

磁盤是比較通用的在線存儲器，常用的Winchester磁盤一般已可存儲上百個GB的數據。近年還常用光盤（magneto-optical，MO）存儲器，它可在5?in的光片上存儲上GB的數據。在線存儲器的一個特點是需要經常（隨機地）讀取數據，所以一般不采用磁帶一類的順序介質。對更大的存儲要求，還可以使用光盤塔，一個光盤塔可放幾十個到幾百個光盤，利用機械裝置插入或從光盤驅動器中抽取光盤。

數據庫存儲器的特點是要求非常大的容量，但對其上數據的讀取不太頻繁。一般常用磁帶和光盤作為數據庫存儲器。一條長13 ft（1 ft=30.48 cm）的磁帶可存儲達到GB的數據。但磁帶的儲藏壽命較短，在控制很好的環境中也只有7年。一般常用的一次寫多次讀（WORM）光盤可在12 in的光盤上存儲6 GB數據，在14 in的光盤上存儲10 GB數據。另外WORM光盤在一般環境下可儲藏30年以上。在主要是讀取的應用中，也可將WORM光盤放在光盤塔中。一個存儲量達到TB級的WORM光盤塔可存儲上百萬幅1024×1024像素的8 bit圖像。

1.4.2 圖像文件格式

圖像數據文件存儲在計算機內有一定的格式。現在圖像文件格式已有很多種，基本上對應圖像表達的兩種形式，一種是矢量形式，另一種是光柵形式。在矢量形式中，圖像是用一系列線段或線段的組合體來表示的，線段的灰度（色度）可以是均勻的或變化的，在線段的組合體中各部分也可使用不同的灰度。矢量文件和程序文件一樣，里面有一系列命令和數據，執行這些命令就可根據數據畫出圖案。矢量文件主要用于人工繪制的圖形數據。表示自然圖像數據的文件主要使用光柵形式，這種形式與人對圖像的理解一致（一幅圖像是許多圖像點的集合），比較適合色彩、陰影或形狀變化復雜的真實圖像。它的主要缺點是缺少直接表示像素間相互關系的結構，且限定了圖像的分辨率。后者帶來兩個問題，一個是將圖像放大到一定程度就會出現方塊效應，另一個是如果將圖像縮小后再恢復到原尺寸則圖像會變得模糊。

不同的系統平臺和軟件常使用不同的圖像文件格式。例如，Macintosh機上普遍使用MacPaint格式（固定大小，寬576像素，高720像素），PC Paintbrush支持PCX格式（包括單色、16色、256色），Digital Research（現Novell）支持GEM IMG格式，Sun Microsystems支持Sun光柵格式等。

下面簡單介紹4種應用比較廣泛的圖像文件格式。

1. BMP格式

BMP是Windows系統中的一種標準圖像格式，全稱是Microsoft設備獨立位圖（DIP）。BMP圖像文件也稱位圖文件，包括三部分：① 位圖文件頭（也稱表頭）；② 位圖信息（常稱調色板）；③ 位圖陣列（即圖像數據）。一個位圖文件只能存放一幅圖像。

位圖文件頭長度固定為54 B，它給出圖像文件的類型、大小、打印格式和位圖陣列的起始位置等信息。位圖信息給出圖像的長、寬、每個像素的位數（可以是1、4、8、24，分別對應單色、16色、256色和真彩色的情況）、壓縮方法、目標設備的水平和垂直分辨率等信息。位圖陣列給出原始圖像里每個像素的值（例如對真彩色圖像每3個字節表示一個像素，分別是藍、綠、紅的值），它的存儲格式可以有壓縮（僅用于16色和256色圖像）和非壓縮兩種。位圖陣列數據以圖像的左下角為起點進行排列。

2. GIF格式

GIF是一種公用的圖像文件格式標準，它是8位（8 bit）文件格式（一個像素一個字節），所以最多只能存儲256色圖像，不支持24位（24 bit）的真彩色圖像。GIF文件中的圖像數據均為壓縮過的，采用的壓縮算法是改進的LZW算法，所提供的壓縮比通常在1：1到3：1之間，當圖像中有隨機噪聲時效果不太好。

GIF文件結構較復雜，一般包括七個數據單元：文件頭、通用調色板、圖像數據區，以及4個補充區（如果用戶只是利用GIF格式存儲用戶圖像信息，則可不設置）。其中文件頭和圖像數據區是不可缺少的單元。

一個GIF文件中可以存放多幅圖像（這個特點對實現網頁上的動畫是很有利的），所以文件頭中會包含適用于所有圖像的全局數據和僅屬于其后那幅圖像的局部數據。當文件中只有一幅圖像時，全局數據和局部數據一致。多幅圖像存放時，每幅圖像集中成一個圖像數據塊，每塊的第一個字節是標識符，指示數據塊的類型（可以是圖像塊、擴展塊或文件結束符）。

3. TIFF格式

TIFF是一種獨立于操作系統和文件系統的圖像格式（如在Windows系統和Macintosh機上都可使用），很便于在軟件之間進行圖像數據交換。TIFF圖像文件包括文件頭（表頭）、文件目錄（標識信息區）和文件目錄項（圖像數據區）。文件頭只有一個，且在文件前端，它給出數據存放順序、文件目錄的字節偏移信息。文件目錄給出文件目錄項的個數信息，并有一組標識信息，給出圖像數據區的地址。文件目錄項是存放信息的基本單位，也稱域。域主要分5類：基本域、信息描述域、傳真域、文獻存儲和檢索域。此外還有其他建議不再使用的域。

TIFF格式的描述能力很強，可制定私人用的標識信息。TIFF格式支持任意大小的圖像，文件可分5類：二值圖像、灰度圖像、調色板彩色圖像、全彩色RGB圖像和YcbCr圖像。一個TIFF文件中可以存放多幅圖像，也可存放多份調色板數據。TIFF格式中采用了10多種壓縮方法，其中包括游程算法、LZW壓縮算法、JPEG標準算法等（參見第7章和第8章）。

4. JPEG格式

JPEG是對靜止灰度或彩色圖像的一種國際壓縮標準（參見第8章），尤其適用于拍攝的自然照片，所以已在數字照相機上得到廣泛使用。JPEG圖像文件格式在內容和編碼方式方面都比其他圖像文件格式要復雜（可節省的空間也比較大），但在使用時并不需要用到每個數據區的詳細信息。

JPEG標準本身只是定義了一個規范的編碼數據流，并沒有規定圖像數據文件的格式。Cube Microsystems公司定義了一種JPEG文件交換格式（JFIF）。JFIF圖像是一種或者使用灰度表示，或者使用Y，Cb，Cr分量彩色表示的JPEG圖像。它包含一個與JPEG兼容的文件頭。一個JFIF文件通常包含單個圖像，圖像可以是灰度圖像，其中的數據為單個分量；也可以是彩色圖像，其中的數據包括三個分量。