数字图像的类别和获取

5．3．1　数字图像的类别和获取

1）矢量图与位图

计算机中的数字图像按照其生成方法可以分为两类：通过计算机合成制作的图像称为矢量图形，简称“图形”；通过扫描仪、数码相机等数字设备所获取的图像称为“采样图像”、“点阵图像”或“位图图像”，简称“图像”。虽然这两种生成图像的方法不同，但在显示器上显示的结果几乎没有什么差别。

图形文件只记录生成图形元素的算法和特征点信息（几何图形的大小、形状以及位置、维数等），因此称为“矢量图”。图形的格式是一组描述点、线、面等几何元素特征的指令集合。绘图程序就是通过读取图形格式指令，并将其转换为屏幕上可显示的形状和颜色（如画点、画线、画曲线、画圆、画矩形等），从而生成图形的软件。这种方法实际上是用数学方法来描述一幅图，然后变成许多的数学表达式，再编程，用计算机语言来表达。在计算机上显示图形时，相邻的特征点之间的曲线用诸多小直线连接形成。若曲线围成封闭图形，可用着色算法填充颜色。

矢量图的最大优点是可以分别控制处理图中的各个部分，如目标图形元素的移动、缩小放大、旋转、拷贝、属性的改变（如线条变宽变细、颜色的改变）；不同的物体可在屏幕上重叠并保持各自的特征，必要时也可以分开独立显示；相同的或类似的图可以作为图形的构造块，存储到图形构件库中，以便加速图形的生成，而且可以减小矢量图文件的大小。

矢量图主要用于线框形的图画、工程制图、美术字等。大多数CAD和3D造型软件采用矢量图形作为基本图形存储格式。计算机中图形的存储格式大小都不固定，与特定的绘图软件有关。常用的矢量图形文件有＊．3DS（用于3D造型软件）、＊．DXF（用于CAD）、＊．WMF（用于桌面出版系统）等。

矢量图形文件的特点是数据量相对比较小，图形的绘制和显示需要计算机执行相应的算法，所以需要一定的时间开销。因此，当图形很复杂时，计算机就要花费很长的时间去执行绘图指令。此外，对于一幅复杂的彩色照片（例如一幅真实世界的彩照），恐怕就很难用数学来描述，因而就不能用矢量图表示，而是采用位图表示。

点位图是把一幅彩色图分成许多的像素（pixel），如图5．3所示。每个像素用若干个二进制位来指定该像素的颜色、亮度和属性。因此一幅位图由许多描述每个像素的数据组成，这些数据通常称为“图像数据”，存储图像数据的文件又称为“图像文件”。点位图的获取通常用扫描仪以及摄像机、录像机、激光视盘与视频信号数字化卡这类设备，通过这些设备把模拟的图像信号经过采样和量化等过程转换成数字图像数据。

图5．3　一幅图像由许多像素组成

位图文件占据的存储器空间相对于矢量图文说来要大得多。影响位图文件大小的因素主要有两个参数：图像分辨率和像素深度。分辨率越高，就是组成一幅图的像素越多，图像数据越多，则图像文件越大；像素深度越深，就是表达单个像素的颜色和亮度的位数越多，图像数据越大，图像文件就越大。而矢量图文件的大小则主要取决于图形的复杂程度。

位图的位用来定义图中每个像素的颜色和亮度信息，例如黑白线条图常用1位二进制值来表示像素，灰度图常用4位二进制位（16种灰度等级）或8位二进制位（256种灰度等级）表示，而彩色图像则有多种描述方法。位图适用于表现层次和色彩比较丰富、包含大量细节的图像，具有灵活和富于创造力等特点。位图图像的关键处理技术包括图像的扫描、编辑、压缩与解压缩、色彩一致性再现等，常用的图像处理软件有PhotoShop、画笔、CorelDraw等等。

矢量图与位图相比，显示位图文件比显示矢量图文件要快；矢量图侧重于绘制和创造，位图偏重于获取和复制。矢量图和位图之间可以用软件进行转换，矢量图转换成位图时采用光栅化技术，相对容易；位图转换成矢量图时用跟踪技术，这种技术在理论上说是容易些，但在实际中很难实现，对复杂的彩色图像尤其如此。

2）灰度图与彩色图

灰度图可按照灰度等级的数目来划分。只有黑白两种颜色的图像称为单色图像，如图5．4所示的即为标准单色图。图中的每个像素的像素值用1位二进制位存储，它的值只有“0”或者“1”，一幅640×480的单色图像需要占据37．5KB的存储空间。

图5．5是一幅标准灰度图。如果每个像素的像素值用一个字节表示，灰度值级数就等于256级，每个像素可以是0～255之间的任何一个值，那么一幅640×480的灰度图像就需要占据300KB的存储空间。

图5．4　标准单色图

图5．5　标准灰度图

彩色图像可按照颜色的数目来划分，例如256色图像和真彩色（2²⁴＝16 777 216种颜色）图像等。图5．6是一幅用256色标准彩色图像（图5．6（a））转换成的256级灰度图像（图5．6（b）），彩色图像的每个像素的R、G和B值用一个字节来表示，一幅640×480的8位彩色图像需要300KB的存储空间；图5．7是一幅真彩色图像（图5．7（a））转换成的256级灰度图像（图5．7（b）），每个像素的R、G、B值分别用一个字节表示，一幅640×480的真彩色图像需要900KB的存储空间。

许多24位彩色图像是用32位存储的，这个附加的8位叫做“Alpha通道”，它所表示的Alpha值常用来表示像素产生的特技效果。

真彩色表示的图像需要很大的存储空间，网络传输时也很费时间。由于人的视角系统具有相对比较低的颜色分辨率这个特点，因此在没有必要使用真彩色的情况下就尽可能不用。

图5．6　256色标准彩色图像转换成的灰度图像

图5．7　24位真彩色图像转换成的灰度图像