影像數位化過程中的編碼方式決定了所得數位影像的什麼

決定了所得數位影像的「檔案格式」。數位化後所得到的影像資料量十分龐大，必須採用編碼技術來壓縮其資訊量；在一定意義上講，編碼壓縮技術是實現影像傳輸與儲存的關鍵。為了使影像壓縮標準化，國際電信聯盟、國際標準化組織ISO和國際電工委員會IEC已經制定並繼續制定一系列靜止和活動影像編碼的國際標準，已批准的標準主要有JPEG標準、MPEG標準、H.261等。

本教學操作環境：windows7系統、Dell G3電腦。

影像數位化過程中的編碼方式決定了所得數位影像的「檔案格式」。

影像數位化是將空間分佈和亮度取值軍連續分佈的類比影像經採樣和量化轉換成電腦能夠處理的數位影像的過程。

即將一幅畫面轉換成電腦能處理的形式－數位影像的過程。

圖像數位化的具體過程

要在電腦中處理圖像，必須先把真實的圖像（照片、畫報、書籍、圖紙等）透過數位化轉變成電腦能夠接受的顯示和儲存格式，然後再用電腦進行分析處理。影像的數位化過程主要分採樣、量化與編碼三個步驟。

取樣

取樣的實質就是要用多少點來描述一幅影像，取樣結果品質的高低就是用前面所說的影像解析度來衡量。簡單來講，對二維空間上連續的影像在水平和垂直方向上等間距地分割成矩形網狀結構，所形成的微小方格稱為像素點。一副影像就被取樣成有限個像素點構成的集合。例如：一副640*480解析度的影像，表示這幅影像是由640*480=307200個像素點組成。

如下圖所示，左圖是要取樣的物體，右圖是取樣後的影像，每個小格即為一個像素點。

取樣頻率是指一秒鐘內取樣的次數，它反映了取樣點之間的間隔大小。取樣頻率越高，得到的影像樣本越逼真，影像的品質越高，但要求的儲存量也越大。

在進行取樣時，取樣點間隔大小的選取很重要，它決定了取樣後的影像能真實地反映原始影像的程度。一般來說，原始影像中的畫面越複雜，色彩越豐富，則取樣間隔應越小。由於二維影像的取樣是一維的推廣，根據訊號的取樣定理，要從取樣樣本中精確地復原影像，可得到影像取樣的奈奎斯特（Nyquist）定理：影像取樣的頻率必須大於或等於來源影像最高頻率分量的兩倍。 

取樣頻率是指一秒鐘內取樣的次數，它反映了取樣點之間的間隔大小。取樣頻率越高，得到的影像樣本越逼真，影像的品質越高，但要求的儲存量也越大。

在進行取樣時，取樣點間隔大小的選取很重要，它決定了取樣後的影像能真實地反映原始影像的程度。一般來說，原始影像中的畫面越複雜，色彩越豐富，則取樣間隔應越小。由於二維影像的取樣是一維的推廣，根據訊號的取樣原理，要從取樣樣本中精確地復原影像，可得到影像取樣的奈奎斯特(Nyquist)定理：影像取樣的頻率必須大於或等於來源影像最高頻率分量的兩倍。 [3] 

量化

量化是指要使用多大範圍的數值來表示影像取樣之後的每一個點。量化的結果是影像能夠容納的顏色總數，它反映了採樣的品質。

例如：如果以4位元儲存一個點，就表示影像只能有16種顏色；若採用16位元儲存一個點，則有216=65536種顏色。所以，量化位數越來越大，表示影像可以擁有更多的顏色，自然可以產生更細緻的影像效果。但是，也會佔用更大的儲存空間。兩者的基本問題都是視覺效果和儲存空間的取捨。

假設有一幅黑白灰度的照片，因為它在水平於垂直方向上的灰度變化都是連續的，都可認為有無數個像素，而且任一點上灰度的取值都是從黑到白可以有無限個可能值。透過沿水平和垂直方向的等間隔採樣可將這幅模擬影像分解為近似的有限個像素，每個像素的值代表該像素的灰階（亮度）。對灰度進行量化，使其取值變為有限個可能值。

經過這樣取樣和量化得到的一幅空間上表現為離散分佈的有限個像素，灰階取值上表現為有限個離散的可能值的影像稱為數位影像。只要水平和垂直方向採樣點數夠多，量化位元數夠大，數位影像的品質就比原始類比影像毫不遜色。

在量化時所決定的離散取值個數稱為量化級數。為表示量化的色彩值（或亮度值）所需的二進位位數稱為量化字長，一般可用8位元、16位元、24位元或更高的量化字長來表示影像的顏色；量化字長越大，則越能真實第反映原有的影像的顏色，但得到的數位影像的容量也越大。

例如：下圖，沿線段AB（左圖）的連續影像灰階值的曲線（右圖），取白色值最大，黑色值最小。

先取樣：沿線段AB等間隔進行取樣，取樣值在灰階值上是連續分佈的，如下圖的左圖；

再量化：連續的灰階值再數位化（8個等級的灰階標尺），如上圖的右圖。

壓縮編碼

數位化後得到的影像資料量十分龐大，必須採用編碼技術來壓縮其資訊量。在某種意義上講，編碼壓縮技術是實現影像傳輸與儲存的關鍵。已有許多成熟的編碼演算法應用於影像壓縮。常見的有影像的預測編碼、變換編碼、分形編碼、小波變換影像壓縮編碼等。

當需要對所傳輸或儲存的影像資訊進行高比率壓縮時，必須採取複雜的影像編碼技術。但是，如果沒有一個共同的標準做基礎，不同系統間不能相容，除非每一編碼方法的各個細節完全相同，否則各系統間的連接十分困難。

為了使影像壓縮標準化，20世紀90年代後，國際電信聯盟(ITU)、國際標準化組織ISO和國際電工委員會IEC已經制定並繼續制定一系列靜止和活動影像編碼的國際標準，已核准的標準主要有JPEG標準、MPEG標準、H.261等。

編碼比較

BMP影像檔案格式

BMP是一種與硬體裝置無關的圖像檔案格式，使用非常廣。它採用位元映射儲存格式，除了影像深度可選以外，不採用其他任何壓縮，因此，BMP檔案所佔用的空間很大。

BMP檔案的圖片深度可選lbit、4bit、8bit及24bit。 BMP檔案儲存資料時，影像的掃描方式是依照從左到右、從下到上的順序。由於BMP檔案格式是Windows環境中交換與圖表相關的資料的一種標準，因此在Windows環境中執行的圖形影像軟體都支援BMP影像格式。

典型的BMP影像檔案由三個部分組成：點陣圖檔案頭資料結構，它包含BMP影像檔案的類型、顯示內容等資訊；點陣圖資訊資料結構，它包含有BMP影像的寬、高、壓縮方法，以及定義顏色等資訊。

PCX圖像檔案格式

PCX這種圖像檔案的形成是有一個發展過程的。最先的PCX雛形是出現在ZSOFT公司推出的名叫PC PAINBRUSH的用於繪畫的商業軟體包中。以後，微軟公司將其移植到 Windows環境中，成為Windows系統中一個子功能。

先在微軟的Windows3．1中廣泛應用，隨著Windows的流行、升級，加之其強大的映像處理能力，使PCX同GIF、TIFF、BMP映像檔格式一起，被越來越多的圖形影像軟體工具所支持，也越來越受到人們的重視。 PCX是最早支援彩色影像的一種檔案格式，現在最高可以支援256種彩色。

PCX設計者很有眼光地超前引入了彩色圖像檔案格式，使之成為現在非常流行的圖像檔案格式。 PCX影像檔案由檔案頭和實際影像資料構成。文件頭由128位元組組成，描述版本資訊和影像顯示設備的橫向、縱向分辨率，以及調色板等資訊：在實際影像資料中，表示影像資料類型和彩色類型。

PCX映像檔中的資料都是用PCXREL技術壓縮後的圖片資料。 PCX是PC機畫筆的圖像檔案格式。 PCX的影像深度可選為l、4、8bit。由於這種文件格式出現較早，它不支援真彩色。 PCX檔案採用 RLE行程編碼，文件體內存放的是壓縮後的影像資料。

因此，將擷取的影像資料寫成PCX檔案格式時，要對其進行RLE編碼：而讀取一個PCX檔案時首先要對其進行RLE解碼，才能進一步顯示和處理。

TIFF映像檔格式

TIFF(TaglmageFileFormat)映像檔是由Aldus和Microsoft公司為桌上出版系統開發的一種較為通用的映像檔格式。 TIFF格式靈活易變，它又定義了四類不同的格式：TIFF-B適用於二值影像；TIFF-G適用於黑白灰階影像；TIFF-P適用於帶調色板的彩色影像；TIFF- R適用於RGB真彩影像。 

TIFF支援多種編碼方法，其中包括RGB無壓縮、RLE壓縮及JPEG壓縮等。 TIFF是現存影像檔案格式中最複雜的一種，它具有擴展性、方便性、可改性，可提供給IBMPC等環境中運作、影像編輯程式。

 TIFF影像檔案由三個資料結構組成，分別為檔案頭、一個或多個稱為IFD的包含標記指標的目錄以及資料本身。 TIFF影像檔案中的第一個資料結構稱為影像檔案頭或IFH。

這個結構是一個TIFF檔案中唯一的、有固定位置的部分；IFD影像檔案目錄是一個位元組長度可變的資訊區塊，Tag標記是TIFF檔案的核心部分，在影像檔案目錄中定義了要使用的所有影像參數，目錄中的每一目錄條目就包含影像的一個參數。

GIF檔案格式

GIF(Graphics Interchange Format)的原義是“映像互換格式”，是CompuServe公司在 1987年開發的映像檔格式。 GIF檔案的數據，是一種基於LZW演算法的連續色調的無損壓縮格式。其壓縮率一般在50%左右，它不屬於任何應用。目前幾乎所有相關軟體都支援它，公共領域有大量的軟體在使用GIF影像檔。

 GIF影像檔案的資料是經過壓縮的，而且是採用了可變長度等壓縮演算法。所以GIF的影像深度從lbit到8bit，也也就是GIF最多支援256 種色彩的影像。

GIF格式的另一個特點是其在一個GIF檔案中可以存多幅彩色影像，如果把存於一個檔案中的多幅影像資料逐幅讀出並顯示到螢幕上，就可構成一種最簡單的動畫。

 GIF解碼較快，因為採用隔行存放的GIF影像，在邊解碼邊顯示的時候可分成四遍掃描。第一遍掃描雖然只顯示了整個影像的八分之一，第二遍的掃描後也只顯示了1/4，但這已經把整個影像的概貌顯示出來了。

在顯示GIF影像時，隔行存放的影像會給您感覺到它的顯示速度似乎比其他影像快一些，這是隔行存放的優點。

JPEG檔案格式

JPEG是Joint Photographic Experts Group(聯合影像專家群組)的縮寫，檔案後退出名為“．jpg”或“．jpeg” ，是最常用的影像檔案格式，由一個軟體開發聯合會組織制定，是一種有損壓縮格式，能夠將影像壓縮在很小的儲存空間，影像中重複或不重要的資料會被遺失，因此容易造成影像資料的損傷。

尤其是使用過高的壓縮比例，將使最終解壓縮後恢復的影像品質明顯降低，如果追求高品質影像，不宜採用過高壓縮比例。但JPEG壓縮技術十分先進，它用有損壓縮方式去除冗餘的影像數據，在獲得極高的壓縮率的同時能展現十分豐富生動的影像，換句話說，就是可以用最少的磁碟空間得到較好的圖像品質。

而且JPEG是一種很靈活的格式，具有調節影像品質的功能，允許以不同的壓縮比例對檔案進行壓縮，支援多種壓縮級別，壓縮比率通常在10：1到40： 1之間，壓縮比越大，品質就越低；相反地，壓縮比越小，品質越好。

例如可以把1．37Mb的BMP位圖檔案壓縮至20．3KB。當然也可以在影像品質和檔案尺寸之間找到平衡。 JPEG格式壓縮的主要是高頻訊息，對色彩的訊息保留較好，適合應用於互聯網，可減少影像的傳輸時間，可以支援24bit真彩色，也普遍應用於需要連續色調的影像。

JPEG格式是目前網路上最受歡迎的圖片格式，是可以把檔案壓縮到最小的格式，在Photoshop軟體中以JPEG格式儲存時，提供11級壓縮級別，以0—10級表示。其中0級壓縮比最高，影像品質最差。即使採用細節幾乎無損的10 級質量保存時，壓縮比也可達 5：1。以BMP格式儲存時得到4．28MB影像文件，在採用JPG格式儲存時，其檔案僅178KB，壓縮比達到24：1。

經過多次比較，採用第8級壓縮為儲存空間與影像品質兼得的最佳比例。 JPEG格式的應用非常廣泛，特別是在網路和光碟讀本上，都能找到它的身影。

目前各類瀏覽器皆支援JPEG這種圖片格式，因為JPEG格式的檔案尺寸較小，下載速度快。 JPEG2000作為JPEG的升級版，其壓縮率比JPEG高約30%左右，同時支援有損和無損壓縮。

JPEG2000格式有一個極其重要的特徵在於它能實現漸進傳輸，即先傳輸影像的輪廓，然後逐步傳輸數據，不斷提高影像質量，讓影像由朦朧到清晰顯示。

此外，JPEG2000也支援所謂的「感興趣區域」特性，可以任意指定影像上感興趣區域的壓縮質量，還可以選擇指定的部分先解壓縮。 JPEG2000和JPEG相比優勢明顯，且向下相容，因此可取代傳統的JPEG格式。

JPEG2000即可應用於傳統的JPEG市場，如掃描器、數位相機等，又可應用於新興領域，如網路傳輸、無線通訊等等。

TGA格式

TGA格式(Tagged Graphics)是由美國Truevision公司為其顯示卡開發的圖像檔案格式，檔案後綴為“．tga” ，已被國際上的圖形、影像工業所接受。 TGA的結構較簡單，屬於一種圖形、影像資料的通用格式，在多媒體領域有很大影響，是電腦生成影像轉換為電視的首選格式。 TGA影像格式最大的特色是可以做出不規則形狀的圖形、影像文件，一般圖形、影像檔案皆為四方形，若需要有圓形、菱形甚至是縷空的影像檔案時，TGA可就派上用場了! TGA格式支援壓縮，使用不失真的壓縮演算法。

EXIF格式

EXIF的格式是1994年富士公司提倡的數位相機影像檔案格式，其實與JPEG格式相同，差異是除儲存影像資料外，還能夠儲存攝影日期、使用光圈、快門、閃光燈資料等曝光資料和附帶資訊以及小尺寸影像。

FPX影像檔案格式

FPX映像檔格式(副檔名為fpx)是由柯達、微軟、HP及Live PictureInc聯合研製，並於1996年6月正式發表，FPX是一個擁有多重解析度的影像格式，即影像被儲存成一系列高低不同的分辯率，這種格式的好處是當影像被放大時仍可維持影像的質素，另外，當修飾FPX影像時，只會處理被修飾的部分，不會把整幅影像一併處理，從而減少處理器及記憶體的負擔，使影像處理時間減少。

SVG格式

SVG是可縮放的向量圖形格式。它是一種開放標準的向量圖形語言，可任意放大圖形顯示，邊緣異常清晰，文字在SVG圖像中保留可編輯和可搜尋的狀態，沒有字體的限制，生成的文件很小，下載很快，十分適合用於設計高解析度的Web圖形頁面。

PSD檔案格式

這是Photoshop影像處理軟體的專用檔案格式，檔案副檔名是． psd，可支援圖層、通道、蒙板和不同色彩模式的各種影像特徵，是一種非壓縮的原始檔案保存格式。掃描器不能直接產生該種格式的檔案。 PSD檔案有時容量會很大，但由於可以保留所有原始訊息，在影像處理中對於尚未製作完成的影像，選用PSD格式保存是最佳的選擇。

CDR檔案格式

CDR格式是著名繪圖軟體CorelDRAW的專用圖形檔案格式。由於CorelDRAW是向量圖形繪製軟體，所以CDR可以記錄檔案的屬性、位置和分頁等。但它在相容度上比較差，所有CorelDraw應用程式中均能夠使用，但其他影像編輯軟體打不開此類檔案。

PCD檔案格式

PCD是Kodak PhotoCD的縮寫，檔案副檔名是． pod，是Kodak開發的一種Photo CD檔案格式，其他軟體系統只能對其進行讀取。此格式使用YCC色彩模式定義影像中的色彩。 YCC和CIE色彩空間包含比顯示器和列印裝置的RGB色和 CMYK色多得多的色彩。 PhotoCD影像大多具有非常高的品質。

DXF檔案格式

DXF是Drawing Exchange Format的縮寫，副檔名是． dxf，是AutoCAD中的圖形檔案格式，它以ASCII方式儲存圖形，在表現圖形的大小方面十分精確，可被CorelDraw和3DS等大型軟體呼叫編輯。

UFO檔案格式

它是著名影像編輯軟體Ulead Photolmapct的專用影像格式，能夠完整地記錄所有 Photolmapct處理過的影像屬性。值得一提的是，UFO檔案以物件來取代圖層記錄影像資訊。

EPS檔案格式

EPS是Encapsulated PostScript的縮寫，是跨平台的標準格式，副檔名在PC平台上是． eps，在Macintosh平台上是． epsf，主要用於向量影像和光柵影像的儲存。 EPS格式採用 PostScript語言進行描述，並且可以保存其他一些類型信息，例如多色調曲線、Alpha通道、分色、剪輯路徑、掛網信息和色調曲線等，因此EPS 格式常用於印刷或打印輸出。 Photoshop中的多個EPS格式選項可實現印刷列印的綜合控制，在某些情況下甚至優於TIFF格式。

PNG映像檔格式

PNG(Portable Networf Graphics)的原始名稱為“可移植性網路映像”，是網路上接受的最新映像檔格式。 PNG能夠提供長度比GIF小30%的無損壓縮影像檔。它同時提供 24位元和48位元真彩色影像支援以及其他諸多技術性支援。由於PNG非常新，所以目前並不是所有的程式都可以用它來儲存圖像文件，但Photoshop可以處理PNG圖像文件，也可以用PNG圖像文件格式儲存。

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