你了解常用的图象格式吗?


定 义
   GIF 是用于压缩具有单调颜色和清晰细节的图像(如线状图、徽标或带文字的插图)的标准格式。
历 史 在早期,GIF所用的LZW压缩算法是Compuserv所开发的一种免费算法。然而令很多软件开发商感到意外的是,GIF文件所采用的压缩算法忽然成了Unisys公司的专利。据Unisys公司称,他们已注册了LZW算法中的W部分。如果要开发生成(或显示)GIF文件的程序,则需向该公司支付版税。由此,人们开始寻求一种新技术,以减少开发成本。PNG(Portable Network Graphics,便携网络图形)标准就在这个背景下应运而生了。它一方面满足了市场对更少的法规限制的需要,另一方面也带来了更少的技术上的限制,如颜色的数量等。 

在2003年6月20日,LZW算法在美国的专利权已到期而失效。在欧洲、日本及加拿大的专利权亦已分别在2004年的6月18日、6月20日和7月7日到期失效。尽管如此,PNG文件格式凭着其技术上的优势,已然跻身于网络上第三广泛应用格式。与GIF相关的专利于2006年8月11日过期。 


工作原理
   GIF(Graphics Interchange Format)的原义是“图像互换格式”,是CompuServe公司在 1987年开发的图像文件格式。GIF文件的数据,是一种基于LZW算法的连续色调的无损压缩格式。其压缩率一般在50%左右,它不属于任何应用程序。目前几乎所有相关软件都支持它,公共领域有大量的软件在使用GIF图像文件。GIF图像文件的数据是经过压缩的,而且是采用了可变长度等压缩算法。所以GIF的图像深度从lbit到8bit,也即GIF最多支持256种色彩的图像。GIF格式的另一个特点是其在一个GIF文件中可以存多幅彩色图像,如果把存于一个文件中的多幅图像数据逐幅读出并显示到屏幕上,就可构成一种最简单的动画。 

分 类

   GIF分为静态GIF和动画GIF两种,支持透明背景图像,适用于多种操作系统,“体型”很小,网上很多小动画都是GIF格式。其实GIF是将多幅图像保存为一个图像文件,从而形成动画,所以归根到底GIF仍然是图片文件格式。但GIF只能显示256色。

GIF主要分为两个版本,即GIF 89a和GIF 87a: 

GIF 87a:是在1987年制定的版本 
GIF 89a: 是1989年制定的版本。在这个版本中,为GIF文档扩充了图形控制区块、备注、说明、应用程序编程接口等四个区块,并提供了对透明色和多帧动画的支持 
GIF格式自1987年由CompuServe公司引入后,因其体积小而成像相对清晰,特别适合于初期慢速的互联网,而从此大受欢迎。它采用无损压缩技术,只要图像不多于256色,则可既减少文件的大小,又保持成像的质量。(当然,现在也存在一些hack技术,在一定的条件下克服256色的限制,具体参见真彩色)然而,256色的限制大大局限了GIF文件的应用范围,如彩色相机等。(当然采用无损压缩技术的彩色相机照片亦不适合通过网络传输。)另一方面,在高彩图片上有着不俗表现的JPG格式却在简单的折线上效果差强人意。因此GIF格式普遍适用于图表,按钮等等只需少量颜色的图像(如黑白照片)。 

JPEG
JPEG是Joint Photographic Experts Group(联合图像专家组)的缩写,文件后辍名为".jpg"或".jpeg",是最常用的图像文件格式,由一个软件开发联合会组织制定,是一种有损压缩格式,能够将图像压缩在很小的储存空间,图像中重复或不重要的资料会被丢失,因此容易造成图像数据的损伤。尤其是使用过高的压缩比例,将使最终解压缩后恢复的图像质量明显降低,如果追求高品质图像,不宜采用过高压缩比例。但是JPEG压缩技术十分先进,它用有损压缩方式去除冗余的图像数据,在获得极高的压缩率的同时能展现十分丰富生动的图像,换句话说,就是可以用最少的磁盘空间得到较好的图像品质。而且 JPEG是一种很灵活的格式,具有调节图像质量的功能,允许用不同的压缩比例对文件进行压缩,支持多种压缩级别,压缩比率通常在10:1到40:1之间,压缩比越大,品质就越低;相反地,压缩比越小,品质就越好。比如可以把1.37Mb的BMP位图文件压缩至20.3KB。当然也可以在图像质量和文件尺寸之间找到平衡点。JPEG格式压缩的主要是高频信息,对色彩的信息保留较好,适合应用于互联网,可减少图像的传输时间,可以支持24bit真彩色,也普遍应用于需要连续色调的图像。 

JPEG格式是目前网络上最流行的图像格式,是可以把文件压缩到最小的格式,在 Photoshop软件中以JPEG格式储存时,提供11级压缩级别,以0—10级表示。其中0级压缩比最高,图像品质最差。即使采用细节几乎无损的10 级质量保存时,压缩比也可达 5:1。以BMP格式保存时得到4.28MB图像文件,在采用JPG格式保存时,其文件仅为178KB,压缩比达到24:1。经过多次比较,采用第8级压缩为存储空间与图像质量兼得的最佳比例。 

JPEG格式的应用非常广泛,特别是在网络和光盘读物上,都能找到它的身影。目前各类浏览器均支持JPEG这种图像格式,因为JPEG格式的文件尺寸较小,下载速度快。 

JPEG2000作为JPEG的升级版,其压缩率比JPEG高约30%左右,同时支持有损和无损压缩。JPEG2000格式有一个极其重要的特征在于它能实现渐进传输,即先传输图像的轮廓,然后逐步传输数据,不断提高图像质量,让图像由朦胧到清晰显示。此外,JPEG2000还支持所谓的"感兴趣区域" 特性,可以任意指定影像上感兴趣区域的压缩质量,还可以选择指定的部分先解压缩。 

JPEG2000和JPEG相比优势明显,且向下兼容,因此可取代传统的JPEG格式。JPEG2000即可应用于传统的JPEG市场,如扫描仪、数码相机等,又可应用于新兴领域,如网路传输、无线通讯等等。

BMP
BMP是一种与硬件设备无关的图像文件格式,使用非常广。它采用位映射存储格式,除了图像深度可选以外,不采用其他任何压缩,因此,BMP文件所占用的空间很大。BMP文件的图像深度可选lbit、4bit、8bit及24bit。BMP文件存储数据时,图像的扫描方式是按从左到右、从下到上的顺序。 

由于BMP文件格式是Windows环境中交换与图有关的数据的一种标准,因此在Windows环境中运行的图形图像软件都支持BMP图像格式。 

典型的BMP图像文件由三部分组成:位图文件头数据结构,它包含BMP图像文件的类型、显示内容等信息;位图信息数据结构,它包含有BMP图像的宽、高、压缩方法,以及定义颜色等信息。

具体数据举例:
如某BMP文件开头:
424D 4690 0000 0000 0000 4600 0000 2800 0000 8000 0000 9000 0000 0100*1000 0300 0000 0090 0000 A00F 0000 A00F 0000 0000 0000 0000 0000*00F8 0000 E007 0000 1F00 0000 0000 0000*02F1 84F1 04F1 84F1 84F1 06F2 84F1 06F2 04F2 86F2 06F2 86F2 86F2 .... ....

BMP文件可分为四个部分:位图文件头、位图信息头、彩色板、图像数据阵列,在上图中已用*分隔。 

一、图像文件头 
  1)1:(这里的数字代表的是"字",即两个字节,下同)图像文件头。424Dh=’BM’,表示是Windows支持的BMP格式。 
  2)2-3:整个文件大小。4690 0000,为00009046h=36934。 
  3)4-5:保留,必须设置为0。 
  4)6-7:从文件开始到位图数据之间的偏移量。4600 0000,为00000046h=70,上面的文件头就是35字=70字节。 
  5)8-9:位图图信息头长度。 
  6)10-11:位图宽度,以像素为单位。8000 0000,为00000080h=128。 
  7)12-13:位图高度,以像素为单位。9000 0000,为00000090h=144。 
  8)14:位图的位面数,该值总是1。0100,为0001h=1。

二、位图信息头 
  9)15:每个像素的位数。有1(单色),4(16色),8(256色),16(64K色,高彩色),24(16M色,真彩色),32(4096M色,增强型真彩色)。1000为0010h=16。 
  10)16-17:压缩说明:有0(不压缩),1(RLE 8,8位RLE压缩),2(RLE 4,4位RLE压缩,3(Bitfields,位域存放)。RLE简单地说是采用像素数+像素值的方式进行压缩。T408采用的是位域存放方式,用两个字节表示一个像素,位域分配为r5b6g5。图中0300 0000为00000003h=3。 
  11)18-19:用字节数表示的位图数据的大小,该数必须是4的倍数,数值上等于位图宽度×位图高度×每个像素位数。0090 0000为00009000h=80×90×2h=36864。 
  12)20-21:用象素/米表示的水平分辨率。A00F 0000为0000 0FA0h=4000。 
  13)22-23:用象素/米表示的垂直分辨率。A00F 0000为0000 0FA0h=4000。 
  14)24-25:位图使用的颜色索引数。设为0的话,则说明使用所有调色板项。 
  15)26-27:对图象显示有重要影响的颜色索引的数目。如果是0,表示都重要。 

三、彩色板 
  16)28-35:彩色板规范。对于调色板中的每个表项,用下述方法来描述RGB的值: 
  1字节用于蓝色分量 
  1字节用于绿色分量 
  1字节用于红色分量 
  1字节用于填充符(设置为0) 
  对于24-位真彩色图像就不使用彩色板,因为位图中的RGB值就代表了每个象素的颜色。 
  如,彩色板为00F8 0000 E007 0000 1F00 0000 0000 0000,其中: 
  00FB 0000为FB00h=1111100000000000(二进制),是红色分量的掩码。 
  E007 0000为 07E0h=0000011111100000(二进制),是绿色分量的掩码。 
  1F00 0000为001Fh=0000000000011111(二进制),是红色分量的掩码。 
  0000 0000总设置为0。 
  将掩码跟像素值进行“与”运算再进行移位操作就可以得到各色分量值。看看掩码,就可以明白事实上在每个像素值的两个字节16位中,按从高到低取5、6、5位分别就是r、g、b分量值。取出分量值后把r、g、b值分别乘以8、4、8就可以补齐第个分量为一个字节,再把这三个字节按rgb组合,放入存储器(同样要反序),就可以转换为24位标准BMP格式了。

四、图像数据阵列 
  17)17-...:每两个字节表示一个像素。阵列中的第一个字节表示位图左下角的象素,而最后一个字节表示位图右上角的象素。

五、存储算法
BMP文件通常是不压缩的,所以它们通常比同一幅图像的压缩图像文件格式要大很多。例如,一个800×600的24位几乎占据1.4MB空间。因此它们通常不适合在因特网或者其它低速或者有容量限制的媒介上进行传输。 根据颜色深度的不同,图像上的一个像素可以用一个或者多个字节表示,它由n/8所确定(n是位深度,1字节包含8个数据位)。图片浏览器等基于字节的ASCII值计算像素的颜色,然后从调色板中读出相应的值。更为详细的信息请参阅下面关于位图文件的部分。 n位2n种颜色的位图近似字节数可以用下面的公式计算: BMP文件大小约等于 54+4*2的n次方+(w*h*n)/8
,其中高度和宽度都是像素数。 需要注意的是上面公式中的54是位图文件的文件头,是彩色调色板的大小。另外需要注意的是这是一个近似值,对于n位的位图图像来说,尽管可能有最多2n中颜色,一个特定的图像可能并不会使用这些所有的颜色。由于彩色调色板仅仅定义了图像所用的颜色,所以实际的彩色调色板将小于。 如果想知道这些值是如何得到的,请参考下面文件格式的部分。 由于存储算法本身决定的因素,根据几个图像参数的不同计算出的大小与实际的文件大小将会有一些细小的差别。 


png
PNG是20世纪90年代中期开始开发的图像文件存储格式,其目的是企图替代GIFTIFF文件格式,同时增加一些GIF文件格式所不具备的特性。流式网络图形格式(Portable Network Graphic Format,PNG)名称来源于非官方的“PNG's Not GIF”,是一种位图文件(bitmap file)存储格式,读成“ping”。PNG用来存储灰度图像时,灰度图像的深度可多到16位,存储彩色图像时,彩色图像的深度可多到48位,并且还可存储多到16位的α通道数据。PNG使用从LZ77派生的无损数据压缩算法。 

PNG文件格式保留GIF文件格式的下列特性: 

使用彩色查找表或者叫做调色板可支持256种颜色的彩色图像。 

流式读/写性能(streamability):图像文件格式允许连续读出和写入图像数据,这个特性很适合于在通信过程中生成和显示图像。 

逐次逼近显示(progressive display):这种特性可使在通信链路上传输图像文件的同时就在终端上显示图像,把整个轮廓显示出来之后逐步显示图像的细节,也就是先用低分辨率显示图像,然后逐步提高它的分辨率。 

透明性(transparency):这个性能可使图像中某些部分不显示出来,用来创建一些有特色的图像。 

辅助信息(ancillary information):这个特性可用来在图像文件中存储一些文本注释信息。 

独立于计算机软硬件环境。 

使用无损压缩。 

PNG文件格式中要增加下列GIF文件格式所没有的特性: 

每个像素为48位的真彩色图像。 

每个像素为16位的灰度图像。 

可为灰度图和真彩色图添加α通道。 

添加图像的γ信息。 

使用循环冗余码(cyclic redundancy code,CRC)检测损害的文件。 

加快图像显示的逐次逼近显示方式。 

标准的读/写工具包。 

可在一个文件中存储多幅图像。 

文件结构 

PNG图像格式文件(或者称为数据流)由一个8字节的PNG文件署名(PNG file signature)域和按照特定结构组织的3个以上的数据块(chunk)组成。 

PNG定义了两种类型的数据块,一种是称为关键数据块(critical chunk),这是标准的数据块,另一种叫做辅助数据块(ancillary chunks),这是可选的数据块。关键数据块定义了4个标准数据块,每个PNG文件都必须包含它们,PNG读写软件也都必须要支持这些数据块。虽然PNG文件规范没有要求PNG编译码器对可选数据块进行编码和译码,但规范提倡支持可选数据块。
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