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1、Mr. OH!主述ANAN 策划一个数字影像档案有多大？一个数字影像档案有多大？传统摄影时代，底片是一卷一卷地，每卷底片或可记录 24 张、36 张，完全按照规格标示，使用者既清楚 又不容易搞混。不过，当数位摄影时代来临底片罐逐渐被一张张的记忆卡所取代，拍摄剩余张数不单是随着 记忆卡的空间而改变，更会依照同学所选择的分辨率和压缩比不同，而跟着增加或减少。越来越多的 数字照 片透过影像档案压缩格式来 储存，同学可知道一张三百万画素的照片所占得记忆空间有多大吗？答案是 2048（画素长）X1536（画素宽）=3145728 画素；假如同学拍摄的是彩色影像，使用的是 24bit 彩色影像储存方式，那
2、么解析起来，RGB 三原色通道各包含了 8bit 的数据或可转换为 1Byte 的记忆容量； 也因此每一个画素都包含了 3 个 Bytes 的数据，换算起来 3145728 X3 = 9437184Byte；如果同学们有接着修 计算机概论的课程，就知道这个数字再除以 1024 就等于 9216KB，那再除以 1024 就可以得到约 9MB 的数 据。头昏了吗？数字影像中的数学数据数字影像中的数学数据上节我们只是简单的条列出一个数字影像档案的基本数学，在开始讨论多样的计算机图文件格式之前， Mr.OH! 先让同学了解一部计算机是如何排列这些数字成为影像数据 ！我们了解一般的电子图文件主要是靠 像
3、素（Pixel）所构成的，一个影像文件就是以上百、上千乃至上百万个像素以格状的排列方式来显示。计算 机用一个或多个位的数据组合记录每一个像素的亮度和色彩。影像数据的位数越大，其储存的数据量也就越 大，也就是所占的 MB（内存）也越大。 如果我们单以影像储存的色彩表现区分则可概分单位元影像（一般称 文字或黑白模式）、灰阶影像和彩色影像三种类型。数字色彩所占据的空间数字色彩所占据的空间 单位元影像，每个像素只用一个位来记录，其又分成两种不同的类型：黑白影像（Line Art）和半色调 影像（Halftone）。黑白影像（Line Art），最为简单，以黑点和白点来记录影像的变化，一般用于 OCR
4、的 判读。半色调影像（Halftone）则可产生近似灰阶影像的错觉效果，和黑白影像（Line Art）不同的是，较 暗的区域是以较多的黑点来表示，而较亮的区域用较少的黑点来表示。因此，可以制造出成影像的层次感， 报纸上看到的图片多半属于这类半色调影像。 黑白影像（Line Art）半色调影像（Halftone）灰阶影像（GREY）彩色影像（RGB）灰阶影像，虽然也是黑白影像的一种，单它包含了更多黑色和白色的资料，特别是真实的纪录了灰阶层 次！对于灰阶影像而言，每个像素用更多的位来表示，例如要表现 16 阶的灰阶层次需要用到 4 个位，再更进一步，8 个位则可以表现多达 256 阶的灰阶层次，也
5、使得黑白照片的层次表现更加立体与真实。 分割阶度示意图，一个全彩色可以 1677 万种组合（True Color）彩色影像包含的数据最为复杂。为了获取彩色影像，数字相机和扫描仪使用分色处理（ RGB（红色 Red 、绿色 Green 和蓝色 Blue）来分析接收到的影像光线。透过这个模式，影像中所有的色彩都可以用红绿 蓝三原色以不同强度还原而成。而随着您所使用数字相机或扫描仪的机型不同，依其设计可对色彩记录的极 限可达 24 位、30 位或 36 位 RGB 像素不等。越多的色彩位的数据代表越多颜色被解析出来（24 位可记录 1677 万色，30 位可记录 10 亿色，36 位则记录多达 68
6、7 亿种色彩），但同样的你的记忆也消耗的越快。 压缩数据缩减记忆空间压缩数据缩减记忆空间 数字影像的早期，内存的价格还没有像现在这么便宜与普及，想要让计算机处理复杂的真实数字影像相 当困难。很大一部份的原因就是庞大的影像数据所造成的处理速度缓慢， 更糟糕的是携带不便等种种缺点。 终于，计算机专家们想出了影像压缩这种解决之道。影像压缩可以根据原始影像数据来产生另外一组数 据，这组数据就称之为压缩结果。压缩结果的所占的内存大小通常比原始影像档案小很多。而某些档案 格式所提供的压缩结果是可还原的，透过适当的反压缩法使能还原成原始影像。WinRAR 3.14 版的操作画面如果同学们常常使用计算机交流档
7、案，应该很了解 ZIP 与 RAR 这种压缩档案格式。WinZip 可以透 过特殊的算法将一个或多个档案打包成一个较小的档案，方便使用者在网络或 E-mail 系统里传输。同样的 原理也可以应用在数字影像档案之中，所不同的是现今的操作系统已经直接支持相关的压缩算法，你不需要 进行解压缩的动作，你的看图软件或网页浏览器就会自动帮你解开数字影像档案。追求更精简的空间要求追求更精简的空间要求 - JPEG 破坏性压缩格式破坏性压缩格式然而，可还原的压缩方式对于数据量庞大的数字影像仍是少有帮助，为了更进一步提升压缩效率与节省 空间失真式的压缩算法被提出。失真式（Lossy）的影像压缩 主要是依据人眼特
8、性的考虑，保留下数字影 像档案中的明度细节，而将大量的色彩数据转换成较精简的模式以达到节省空间的目的。无失真档案的压缩 技术，压缩前的原始影像与压缩后还原的结果 可以丝毫不差。但我们所熟知的 JPEG(Joint Photographic Coding Expert Group)却不行，因为这是属于有失真的影像压缩格式。JPEG 压缩法对色彩数据的处理压缩法对色彩数据的处理JPEG 由国际标准组织(International Organization for Standardization ，简称 ISO) 和国际电 话电报咨询委员会(International Telegraph and T
9、elephone Consultative Committee ，简称 CCITT) 所建 立的一个数字影像压缩标准，主要是用于静态影像压缩方面。JPEC 采用可失真(Lossy) 编码法的概念，利用 数字余弦转换法(Discrete Cosine Transform，简称 DCT) 将影像数据先切割成 8X8 各区域，再依照每一个 区域中的数据较不重要的色彩部份予以去除，仅保留重要明度的信息，以达到高压缩率的目的。图左：原始影像的位色彩分割图 / 图右：经过 JPEG 算法处理过的分割图JPEG 著名的压缩色彩计算，很大一部份是将前面所提及的 RGB 数据，分解成 YCrCb 色彩空间， 该
10、色彩空间的公式如下：Y=Y= 0.299R0.299R + + 0.587G0.587G + + 0.114B0.114B 则另外两组颜色的值可以换算以下：则另外两组颜色的值可以换算以下：CrCr = = 0.713(R-Y)0.713(R-Y) = = 0.5000R-0.5000R- 0.4187G-0.4187G- 0.0813B0.0813BCbCb = = 0.564(B-Y)0.564(B-Y) =-0.1687R-=-0.1687R- 0.3313G0.3313G + + 0.5000B0.5000BJPEG 工作流程会将 RGB 色彩数据予以量化后，从中撷取系数中最接近的整数；
11、系数矩阵的左上角 量被定义为直流分量，该数值大小正比于分割区块中所有画素灰度值的平均亮度。此直流分量也将被设为单 维预测器，并用霍夫曼（Huffman）方法编码；由于量化后的交流系数在高频区块上会留下很多零系数，因此 零系数演算程可将二维 DCT 系数矩阵按“之”字形顺序转换为一维向量，然后采用零系数演算程与霍夫曼相 结合的方法编码这些向量，直流与交流系数编码后的码流就是压缩图像。解压缩方法可按压缩算法的逆方向 进行，但，因为量化过程之不可逆，从而还原后的影像与原来的不同产生失真。处理后的处理后的 JPEGJPEG 数据数据，依数据数据，依之之字形方式存入档案中，以扩展名字形方式存入档案中，以
12、扩展名 JPGJPG 或或 JPEJPE 识别识别饱受黑客攻击与失真所苦的饱受黑客攻击与失真所苦的 JPEG 格式格式对人类视觉来说，JPEG 可以说完全地在数字数据量与真实景物色彩之间取得了平衡。但是，此种算法 仍有相当多的缺点，特别是当风景图片上包含有文字字型时，即使使用低压缩比例的 JPEG，还原演算回来的 照片仍有可见的失真。虽然，JPEG 的失真比例可以利用参数来加以控制 ，一般而言，压缩率选择在 75%上 下时，JPEG 可得适当的影像质量。图左的影像质量与原图十分接近压缩率已达 65% / 图右压缩率为 25% ，但此时影像质量已经有明显的失真了近来 JPEG 档案格式更被计算机
13、黑客发现处理过程中存在缓冲区溢出的安全漏洞，其中 ActiveX 控 件(GDI+ Detection Tool）可能导致被侵入系统执行远程代码。所有应用程序在处理 JPEG 图片时都存在此安全 问题，黑客如成功利用此漏洞可能获得计算机的完全控制权。目前此一漏洞已经由微软发布的修补程序加以 补强了。未普及的未普及的 JPEG 2000JPEG 诸多缺点部份是制订时技术未达所致，新版的 JPEG 2000 同样是由 JPEG 组织负责制定。早在 1997 年三月就开始归画，但到了 2000 年底 JPEG2000 才制定完成。不过，网络的传播效应早已让 JPEG 成 为家喻户晓的名词，JPEG
14、2000 又与传统 JPEG 大不相同，主要在于它放弃了 JPEG 所采用的以离散余弦转 换 (Discrete Cosine Transform) 为主的区块编码方式，而以波动转换(Wavelet transform) 作为解析编码方式。虽然 JPEG2000 具有以下优点：比 JPEG 更高的压缩率、可同时支持失真和无失真压缩（JPEG 只能失 真压缩）以及渐进传输功能（类似 GIF 格式影像具有渐现之特性（不像现在的 JPEG 由上到下慢慢显示） ；此外，更新版的 JPEG2000 还支持指定区域压缩特性，你可以任意指定影像上不同区域的压缩质量， 还可以选择指定的部份先解压缩。尽管 JP
15、EG2000 的应用范围较 JPEG 更为广泛，但多数的数字照相机等硬 件厂商，仍不见大动作使用此一规格，反倒积极研发独家的 RAW 源文件格式。这使得目前 JPEG 2000 仅在 影像软件上生存，普及性远不如 JPEG 。网络上其它常见的影像档案压缩格式网络上其它常见的影像档案压缩格式GIFGIF : : 是 1987 年由 Compu-serve 所提出的影像压缩格式，所使用的压缩方法是蓝波- 立夫- 卫曲编码法，又可称为字符串表(String Table) 压缩法。其基本的原理是将原始影像数 据中重复的字符串编成一个表，然后再利用表上的索引值来取代原始影像数据中的字符串，由 于索引值的
16、体积远比原始影像中的字符串体积来的小，故 GIF 能影像有压缩的效果。然而，GIF 中所使用的蓝波- 立夫- 卫曲编码法并非标准的蓝波- 立夫- 卫曲法，它是经改良过后的版本， 它跟标准的蓝波- 立夫- 卫曲编码法最大的不同点在于：GIF 的蓝波- 立夫- 卫曲编码法其字 符串表没有最大体积的限制，而且以可变长度码来编码其索引值，故可有效的节省压缩后 的空间，提高压缩的比例。GIF 的缺点是由于蓝波- 立夫- 卫曲编码法的程序设计很困难，且 由于编法的限制 GIF 的色彩支持只到 256 色。因此如果影像只是由单纯的少数色彩所组成，例 如用于网页上的文字或商标，则 GIF 是一种相当合适的档案格式。但若为连续色调或是有复杂 色彩的影像，则 GIF 并不合适。PCXPCX : : PCX 这种影像压缩格式是由 Zsoft 公司所设计发展出来的，它是以变动长度编码法(Run Length Encoding ，简称 RLE)为其核心压缩技术，并以位为基本单位，水平式(R
