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圖像和圖形知識
閱讀：5956 發布時間：2006-4-101.有關色彩的基本常識
我們知道，只要是彩色都可用亮度、色調和飽和度來描述，人眼中看到的任一彩色光都是這三個特征的綜合效果。那么亮度、色調和飽和度分別指的是什么呢？
★ 亮度：是光作用于人眼時所引起的明亮程度的感覺，它與被觀察物體的發光強度有關；
★ 色調：是當人眼看到一種或多種波長的光時所產生的彩色感覺，它反映顏色的種類，是決定顏色的基本特性，如紅色、棕色就是指色調；
★ 飽和度：指的是顏色的純度，即摻入白光的程度，或者說是指顏色的深淺程度，對于同一色調的彩色光，飽和度越深顏色越鮮明或說越純。通常我們把色調和飽和度通稱為色度。 現在你該明白了，亮度是用來表示某彩色光的明亮程度，而色度則表示顏色的類別與深淺程度。除此之外，自然界常見的各種顏色光，都可由紅（r）、綠（g）、藍（b）三種顏色光按不同比例相配而成；同樣絕大多數顏色光也可以分解成紅、綠、藍三種色光，這就形成了色度學中zui基本的原理----三原色原理（rgb）。
2.目前常見的圖形（圖像）格式
一般來說，目前的圖形（圖像）格式大致可以分為兩大類：一類為位圖；另一類稱為描繪類、矢量類或面向對象的圖形（圖像）。前者是以點陣形式描述圖形（圖像）的，后者是以數學方法描述的一種由幾何元素組成的圖形（圖像）。一般說來，后者對圖像的表達細致、真實，縮放后圖形（圖像）的分辨率不變，在專業級的圖形（圖像）處理中運用較多。
在介紹圖形（圖像）格式前，我們實在有必要先了解一下圖形（圖像）的一些相關技術指標:分辨率、色彩數、圖形灰度。
★ 分辨率：分為屏幕分辨率和輸出分辨率兩種，前者用每英寸行數表示，數值越大圖形（圖像）質量越好；后者衡量輸出設備的精度，以每英寸的像素點數表示；
★ 色彩數和圖形灰度：用位（bit）表示，一般寫成2的n次方，n代表位數。當圖形（圖像）達到24位時，可表現1677萬種顏色，即真彩。灰度的表示法類似；
下面我們就通過圖形文件的特征后綴名（就是如圖.bmp這樣的）來逐一認識當前常見的圖形文件格式：bmp、dib、pcp、dif、wmf、gif、jpg、tif、eps、psd、cdr、iff、tga、pcd、mpt。
★ bmp（bit map picture）:pc機上zui常用的位圖格式，有壓縮和不壓縮兩種形式，該格式可表現從2位到24位的色彩，分辨率也可從480x320至1024x768。該格式在windows環境下相當穩定，在文件大小沒有限制的場合中運用極為廣泛。
★ dib（device independent bitmap）:描述圖像的能力基本與bmp相同，并且能運行于多種硬件平臺，只是文件較大。
★ pcp（pc paintbrush）:由zsoft公司創建的一種經過壓縮且節約磁盤空間的pc位圖格式，它zui高可表現24位圖形（圖像）。過去有一定市場，但隨著jpeg的興起，其地位已逐漸日落終天了。
★ dif（drawing interchange formar）:autocad中的圖形文件，它以ascii方式存儲圖形，表現圖形在尺寸大小方面十分，可以被coreldraw，3ds等大型軟件調用編輯。
★ wmf（windows metafile format）:microsoft windows圖元文件，具有文件短小、圖案造型化的特點。該類圖形比較粗糙，并只能在microsoft office中調用編輯。
★ gif（graphics interchange format）:在各種平臺的各種圖形處理軟件上均可處理的經過壓縮的圖形格式。缺點是存儲色彩zui高只能達到256種。
★ jpg（joint photographics expert group）:可以大幅度地壓縮圖形文件的一種圖形格式。對于同一幅畫面，jpg格式存儲的文件是其他類型圖形文件的1/10到1/20，而且色彩數zui高可達到24位，所以它被廣泛應用于internet上的homepage或internet上的圖片庫。
★ tif（tagged image file format）:文件體積龐大，但存儲信息量亦巨大，細微層次的信息較多，有利于原稿階調與色彩的復制。該格式有壓縮和非壓縮兩種形式，zui高支持的色彩數可達16m。
★ eps（encapsulated postsc-ript）:用postsc-ript語言描述的ascii圖形文件，在postsc-ript圖形打印機上能打印出高品質的圖形（圖像），zui高能表示32位圖形（圖像）。該格式分為photoshop eps格式adobeillustrator eps和標準eps格式，其中后者又可以分為圖形格式和圖像格式。
★ psd（photoshop standard）:photoshop中的標準文件格式，專門為photoshop而優化的格式。
★ cdr（coreldraw）:coreldraw的文件格式。另外，cdx是所有coreldraw應用程序均能使用的圖形（圖像）文件，是發展成熟的cdr文件。
★ iff（image file format）:用于大型超級圖形處理平臺，比如amiga機，好萊塢的特技大片多采用該圖形格式處理。圖形（圖像）效果，包括色彩紋理等逼真再現原景。當然，該格式耗用的內存外存等的計算機資源也十分巨大。
★ tga（tagged graphic）:是true vision公司為其顯示卡開發的圖形文件格式，創建時期較早，zui高色彩數可達32位。vda，pix，win，bpx，icb等均屬其旁系。
視頻（動畫）
1.動態圖像的組成
動態圖像，包括動畫和視頻信息，是連續漸變的靜態圖像或圖形序列，沿時間軸順次更換顯示，從而構成運動視感的媒體。當序列中每幀圖像是由人工或計算機產生的圖像時，我們常稱作動畫；當序列中每幀圖像是通過實時攝取自然景象或活動對象時，我們常成為影像視頻，或簡稱為視頻。動態圖像演示常常與聲音媒體配合進行，二者的共同基礎是時間連續性。一般意義上談到視頻時，往往也包含聲音媒體。但在這里，視頻（動畫）特制不包含聲音媒體的動態圖像。
2.動畫的定義
什么是動畫？所謂動畫，就是通過以每秒15到20幀的速度（相當接近于全運動視頻幀速）順序地播放靜止圖像幀以產生運動的錯覺。因為眼睛能足夠長時間地保留圖像以允許大腦以連續的序列把幀連接起來，所以能夠產生運動的錯覺。我們可以通過在顯示時改變圖像來生成簡單的動畫。zui簡單的方法是在兩個不同幀之間的反復。這種方法對于指示"是"或"不是"的情況來說是很好的解決方法。另一種制作動畫的方法是以循環的形式播放幾個圖像幀以生成旋轉的效果，并且可以依靠計算時間來獲得較好的回放，或用記時器來控制動畫。
3.常見的視頻文件格式
視頻信息在計算機中存放的格式有很多，目前zui流行的兩種格式是：
蘋果公司的quicktime和微軟的avi。
★ quicktime：是蘋果公司采用的面向zui終用戶桌面系統的低成本、全運動視頻的方式，現在在軟件壓縮和解壓縮中也開始采用這種方式了。其向量量化是quicktime軟件的壓縮技術之一，它在zui高為30幀/秒下提供的視頻分辨率是320x240，其壓縮率能從25到200。
★ avi：類似于quicktime，是微軟公司采用的音頻視頻交錯格式，也是一種桌面系統上的低成本、低分辨率的視頻格式。avi可在160x120的視窗中以15幀/秒回放視頻，并可帶有8位的聲音，也可以在vga或超級vga監視器上回放。avi很重要的一個特點是可伸縮性，使用avi算法時的性能依賴于與它一起使用的基礎硬件。
mpeg-4簡介
mpeg-4是目前業界*的視頻壓縮技術，具有直覽圖像清晰，傳輸帶寬要求低，遠程監控方便等特點。
mpeg 協會創建于1987年。mpeg是motion pictures expert group的縮寫。這個協會是一個性的機構，主要致力于影像壓縮的研究。mpeg-1，用于vcd內的壓縮技術，mpeg-2，用于dvd內的壓縮技術，以及mp3壓縮方法，都是由這個協會創建的。mpeg的壓縮方式的優點除了畫面質量高，帶寬要求低以外，也是在于它是現在數碼影像屆*的商業標準。使用mpeg壓縮方式的影像數據流可以通過各類的媒體播放器播放。
以下是mpeg-4與mpeg-1和mpeg-2的比較：
mpeg-1 mpeg-2 mpeg-4
標準創建時間 1992 1995 1999
zui高圖像分辨率 352 x 288 1920 x 1152 720 x 576
普通pal制式分辨率 352 x 288 720 x 576 720 x 576
普通ntsc制式分辨率 352 x 288 640 x 480 640 x 480
*聲音頻率 48 khz 96 khz 96 khz
zui多聲音通道 2路 8路 8路
zui高數據流量 3 mbps 80 mbps 5 to 10 mbps
一般數據流量 1380 kbps （352 x 288） 6500 kbps （720 x 576） 880 kbps （720 x 576）
幀每秒（pal） 25 25 25
幀每秒（ntsc） 30 30 30
圖像質量 一般 非常好 非常好
編碼硬件要求 低 高 非常高
解碼硬件要求 非常低 中等 高
->監控常識
監控系統性能對比表
比較內容 計算機數字壓縮監控系統 閉路電視監控系統 多媒體監控系統
壓縮方式 對圖像進行數字壓縮 無圖像數字壓縮 不對圖像進行數字壓縮
配 置 在*的計算機上集成，設備簡潔，可靠性高 由監視器、錄像機、編碼器*、視頻轉換器、圖像分割器、矩陣等組成。設備多、可靠性低 由監視器、錄像機、編碼器*、視頻轉換器、圖像分割器、矩陣等組成。設備多、可靠性低
紀錄方式 數字信號 模擬信號 模擬信號
圖 像 由計算機顯示器顯示，圖像分辨率達1024x768， 16位增強色，高分辨率，高清晰度，高畫質 采用監視器顯示，掃描線分辨率為300線 可由計算機顯示器顯示分辨率可達1204x768或由顯示器顯示分辨率為300線
傳 輸 可通過普通線遠距離傳輸圖形信號，傳輸速度率為5/幀秒，且能保證圖像質量 不能遠距離傳輸 可進行單幀傳輸
安 全 系統智能化，自動登陸每一個進入系統的人員，有多個安全防范等級，能有效的防范內部人員作案 任何人都可進入系統而不被紀錄，不能防范內部人員作案 不能對每個進入系統的人進行安全檢測，不能防范內部人員作案
系 統 采用計算機中文視窗win2000操作平臺，可支持各種軟、硬件的擴展，隨著計算機升級而升級 系統一經配套組合，便不可升級 系統一經配套組合，便不可升級
操 作 操作簡單到只要一按電源開關即可，全自動進入監視狀態 需要開啟每一臺設備的電源，并設置每一設備的參數后，方可工作 需要開啟每一臺設備的電源，并設置每一設備的參數后，方可工作
值 守 可無人值守 根據系統大小，需多人值守 根據系統大小，需多人值守
功 耗 150w-500w 500w-3000w 500w-3000w
錄 制 可多個硬盤循環錄制 磁帶更換錄制 不能循環錄制
回 放 可單幀畫面回放檢索即連續回放，畫面質量可靠 只能利用錄像機暫停鍵查看畫面，畫面質量差 可單幀畫面回放或利用錄像機暫停鍵查看畫面
檢 索 多檢索點，可根據文件類型攝像機型號及文件的年月日時分秒進行所要的畫面檢索 需耗費很多時間自在錄像帶上反復進退查找確定時刻的畫面內容，對某一時刻進行檢索難度大，偶然性強 檢索方式略多于模擬紀錄方式
編 輯 支持多種軟件，可對圖像的每一幀畫面進行多次編輯、修復、打印 不能編輯、修復、打印 可對圖像的每一幀畫進行多次編輯、修復、打印
圖像校正 計算機軟件可調整圖像清晰度\對比度、亮度及色度等 不能做任何校正 可部分調整圖像清晰度對比度亮度及色度等
報 警 智能報警，即可將報警后的圖像錄入，也可將報警前的內容錄下來 只能錄下報警后的內容 可將報警后的的內容，也可將報警前的內容自動錄入
維 修 無需拆機維護，經培訓后普通保安人員即可進行維護 對系統中的每一部分都必須專人定期保養維護，如：清潔錄像機磁頭、保存錄像帶等 對系統中的每一部分都必須專人定期保養維護
占用空間
相當于pc機的體積，占用空間很小 設備及連線復雜，占用空間較大 設備及連線復雜，占用空間較大
價 格 經濟，原有設備不至浪費，免費升級軟件，可在相當長的時間內不被淘汰 設備投資大，維修費用高，且無升級潛力 設備投資大，維修費用高，且無升級潛力
多媒體數據壓縮和編碼技術標準
目前，被社會廣泛認可和應用的通用壓縮編碼標準大致有如下四種：
h.261、jpeg、 mpeg和dvi。
★ h.261：由ccitt（電報咨詢委員會）通過的用于音頻視頻服務的視頻編碼*（也稱px64標準），它使用兩種類型的壓縮:一幀中的有損壓縮（基于dct）和用于幀間壓縮的無損編碼，并在此基礎上使編碼器采用帶有運動估計的dct和dpcm（差分脈沖編碼調制）的混合方式。這種標準與jpeg及mpeg標準間有明顯的相似性，但關鍵區別是它是為動態使用設計的，并提供*包含的組織和高水平的交互控制。
★ jpeg：全稱是joint photogragh coding experts group（聯合照片專家組），是一種基于dct的靜止圖像壓縮和解壓縮算法，它由iso（標準化組織）和ccitt（電報咨詢委員會）共同制定，并在1992年后被廣泛采納后成為標準。它是把冗長的圖像信號和其它類型的靜止圖像去掉，甚至可以減小到原圖像的百分之一（壓縮比100:1）。但是在這個級別上，圖像的質量并不好；壓縮比為20:1時，能看到圖像稍微有點變化；當壓縮比大于20:1時，一般來說圖像質量開始變壞。
★ mpeg：是moving pictures experts group（動態圖像專家組）的英文縮寫，實際上是指一組由itu和iso制定發布的視頻、音頻、數據的壓縮標準。它采用的是一種減少圖像冗余信息的壓縮算法，它提供的壓縮比可以高達200:1，同時圖像和音響的質量也非常高。現在通常有三個版本:mpeg-1、mpeg-2、mpeg-4以適用于不同帶寬和數字影像質量的要求。它的三個zui顯著優點就是兼容性好、壓縮比高（zui高可達200:1）、數據失真小。
★ dvi：其視頻圖像的壓縮算法的性能與mpeg-1相當，即圖像質量可達到vhs的水平，壓縮后的圖像數據率約為1.5mb/s。為了擴大dvi技術的應用，in公司zui近又推出了dvi算法的軟件解碼算法，稱為indeo技術，它能將為壓縮的數字視頻文件壓縮為五分之一到十分之一。
說到mpeg，相信沒有哪位朋友會不知道，但要追根究底地問你mpeg到底是什么，恐怕就沒有多少人能正確地回答出來了。實際上，mpeg的全稱應該是moving pictures experts group（即動態圖像專家組），由iso（international standards organization，標準化組織）與iec（international electronic committee）于1988年聯合成立，致力于運動 圖像（mpeg視頻）及其伴音編碼（mpeg音頻）標準化工作。
mpeg共有4個版本，其中前兩個版本mpeg－1和mpeg－2應用比較廣泛，而mpeg－4雖然已推出近兩年，但有關它的應用卻直到zui近才活躍起來，mpeg－7則是屬于未來的標準。今天，我們就在了解mpeg這個家庭的成長歷程和各個成員的特點的基礎上，重點看看mpeg－4的特點和應用，相信在不久，大家就會廣泛地接觸到采用mpeg－4這種*技術制作的產品。
廣泛應用的mpeg－1與mpeg－2
mpeg－1標準（iso/iec11172）制定于1992年，是針對1.5mbps以下數據傳輸率的數字存儲媒體運動圖像及其伴音編碼設計的標準，主要用于在cd－rom（包括video－cd、cd－i等）存儲彩色的同步運動視頻圖像，它針對sif（標準交換格式）標準分辨率（ntsc制為352×240；pal制為352×288）的圖像進行壓縮，每秒可播放30幀畫面，具備cd（指激光唱盤）音質。同時，它還被用于網絡上的視頻傳輸，如非對稱數字用戶線路（adsl）、視頻點播（vod）、教育網絡等。
使用mpeg－1的壓縮算法，可以將一部120分鐘長的電影壓縮到1.2gb左右，因此，它被廣泛地應用于vcd制作和一些視頻片段的下載，目前90％以上的vcd都是用mpeg－1格式壓縮的。
mpeg－2標準iso/iec13818）制定于1994年，是針對3～10mbps的數據傳輸率制定的的運動圖像及其伴音編碼的標準。mpeg－2可以提供一個較廣的范圍改變壓縮比，以適應不同畫面質量、存儲容量和帶寬的要求。它在與mpeg－1兼容的基礎上實現了低碼率和多聲道擴展：mpeg－2可以將一部120分鐘長的電影壓縮到4～8gb（它提供的是我們通常所說的dvd品質），其音頻編碼可提供左右中及兩個環繞聲道、一個加重低音聲道和多達7個伴音聲道（因此dvd可有8種語言配音）。
除了作為dvd的標準外，mpeg－2還可用于為廣播、有線電視網、電纜網絡等提供廣播級的數字視頻。不過對普通用戶來說，由于現在電視機分辨率的限制，mpeg－2所帶來的高清晰度畫面質量（如dvd畫面）在電視上效果并不明顯，倒是其音頻特性（如加重低音、多伴音聲道等）得到了廣泛的應用。
mpeg－3是iso/ieczui初為hdtv（高清晰電視廣播）制定的編碼和壓縮標準，但由于mpeg－2的出色性能已能適用于hdtv，因此mpeg－3標準并未制定，我們通常所說的mp3指的是mpeg layer 3，只是mpeg的一個音頻壓縮標準。
令人稱道的mpeg－4
mpeg－4于1998年11月公布，預計投入使用的標準mpeg－4是針對一定比特率下的視頻、音頻編碼，更加注重多媒體系統的交互性和靈活性。為此，mpeg－4引入了av對象（audio/visual ob-jects），使得更多的交互操作成為可能：
"av對象"可以是一個孤立的人，也可以是這個人的語音或一段背景音樂等。它具有編碼、存儲與傳播及可交互操作的特性。
mpeg－4對av對象的操作主要有：采用av對象來表示聽覺、視覺或者視聽組合內容；組合已有的av對象來生成復合的av對象，并由此生成av場景；對av對象的數據靈活地多路合成與同步，以便選擇合適的網絡來傳輸這些av對象數據；允許接收端的用戶在av場景中對av對象進行交互操作等。
mpeg－4標準則由6個主要部分構成：
1、dmif（the deliveries multimedia integration framework，多媒體傳送整體框架）。主要用于解決交互網絡中、廣播環境下以及磁盤應用中多媒體應用的操作問題。通過傳輸多路合成比特信息來建立客戶端和服務器端的連接與傳輸。
2、數據平面。為了使基本流和av對象在同一場景中出現，mpeg－4引用了對象描述（od）和流圖桌面（smt）的概念。od傳輸與特殊av對象相關的基本流的信息流圖。桌面把每一個流與一個cat（channel association tag）相連，cat可實現該流的順利傳輸。
3、緩沖區管理和實時識別。mpeg－4定義了一個系統解碼模式（sdm），該解碼模式描述了一種理想的處理比特流句法語義的解碼裝置，它要求特殊的緩沖區和實時模式。通過有效地管理，可以更好地利用有限的緩沖區空間。
4、音頻編碼。mpeg－4不僅支持自然聲音，而且支持合成聲音。mpeg－4的音頻部分將音頻的合成編碼和自然聲音的編碼相結合，并支持音頻的對象特征。
5、視頻編碼。與音頻編碼類似，mpeg－4也支持對自然和合成的視覺對象的編碼。合成的視覺對象包括2d、3d動畫和人面部表情動畫等。
6、場景描述。mpeg－4提供了一系列工具，用于組成場景中的一組對象。一些必要的合成信息組成場景描述，用于描述各av對象在一具體av場景坐標下，如何組織與同步等問題。
mpeg－4的應用
與mpeg－1和mpeg－2相比，mpeg－4更適于交互av服務以及遠程監控，它的設計目標使其具有更廣的適應性和可擴展性： mpeg－4傳輸速率在4800－64000bps之間，分辨率為176×144，可以利用很窄的帶寬通過幀重建技術壓縮和傳輸數據，從而能以zui少的數據獲得*的圖像質量。因此，它將在數字電視、動態圖像、互聯網、實時多媒體監控、移動多媒體通信、internet/intranet上的視頻流與可視游戲、dvd上的交互多媒體應用等方面大顯身手。
當然，對于普通用戶來說，mpeg－4在目前來說zui有吸引力的地方還在于它能在普通cd－rom上基本實現dvd的質量：用mpeg－4 壓縮算法的asf（advanced streaming format，格式流）可以將120分鐘的電影壓縮為300mb左右的視頻流；采用mpeg－4壓縮算法的divx 視頻編碼技術可以將120分鐘的電影壓縮600mb左右，也可以將一部 dvd影片壓縮到 2 張 cd－rom上！也就是說，有了mpeg－4，你不需要購買 dvd－rom 就可以享受到和它差不多的視頻質量！播放這種編碼的影片對機器的要求并不高：只要你的電腦有300mhz 以上（無論是哪種型號）的cpu、64mb內存、8mb的顯卡就可以流暢地播放。
不過，和dvd相比，mpeg－4屬于一種高比率有損壓縮算法，其圖像質量始終無法和dvd的mpeg－2相比，畢竟dvd的存儲容量比較大。此外，要想保證高速運動的圖像畫面不失真，必須有足夠的碼率，目前mpeg－4的碼率雖然可以調到和dvd差不多，但總體效果還有不小的差距。因此，現在的mpeg－4只能面向娛樂、欣賞方面的市場，那些對圖像質量要求較高的專業視頻領域暫時還不能采用。
屬于未來的mpeg－7
繼mpeg－4之后，要解決的矛盾就是對日漸龐大的圖像、聲音信息的管理和迅速搜索。1998年10月基于這種設想的mpeg－7標準被提出，它的正式名稱是"多媒體內容描述接?quot;，將對各種不同類型的多媒體信息進行標準化的描述，并將該描述與所描述的內容相，以實現快速有效的搜索。
由于該標準不包括對描述特征的自動提取，它也沒有規定利用描述進行搜索的工具或任何程序，因此，它可以獨立于其他mpeg標準使用，但mpeg－4中所定義的對音頻、視頻對象的描述仍然適用于mpeg－7，這種描述是分類的基礎。我們可以也利用mpeg－7的描述來增強其他mpeg標準的功能。
mpeg－7的應用范圍很廣泛，既可應用于存儲（在線或離線），也可用于流式應用（如廣播、將模型加入internet等）。它還可以在實時或非實時環境下應用，如：數字圖書館（圖像目錄、音樂字典等）、多媒體名錄服務（如黃頁）、廣播媒體選擇（無線電信道，t道等）等。它在未來將會在教育、新聞、導游信息、娛樂、等各方面將發揮巨大的作用。
mpeg－1的出現使vcd取代了錄像帶，mpeg－2的出現使數字電視逐步取代模擬電視，mpeg－4的出現使多媒體系統的交互性和靈活性大為增強，而mpeg－7的出現將會帶我們進入一個互動多媒體的網絡時代。