浓缩就是精华——图形图像压缩存储技术

Author: Hitzone工作组 杨俊 Date: 2000年 第3期

  随着科学技术的不断发展,人们对家庭电脑的要求越来越高,除了让它充当文字编辑机、游戏机外,对它的多媒体功能也提出了相当的要求,人们开始使用它的图形处理功能,用来编辑相片和打印精细的图片。但要编辑一幅精细的图片需要不小的存储空间,这给家庭用户带来了诸多不便,例如较难携带多幅图片、编辑时内存不够、甚至在存盘时出现硬盘空间告急等问题。不过随着图形图像压缩技术的不断创新,这一问题将得到缓解。首先让我们来看看图形文件是如何存储的。
#1    图像存储原理
  从结构上讲,图形文件分为两种,即位图和矢量图。在位图中,图像由许多的屏幕小点(我们通常说的像素)组成,这些小点对应显存中的“位”,而就是这些“位”决定了像素的图形属性,如像素的颜色、灰度、明暗对比度等。当一个像素所占的位数多时,它所能表现的颜色就更多、更丰富,从整体上看,图像的色彩就更艳丽,分辨率就更高。位图中所分的二位图、八位图等正是指像素所占的位数。当位图被放大或缩小时,由于像素的数量没有改变,图像的分辨率就会降低,图像的外观自然就大打折扣。相信朋友们在Word或WPS当中插入图像,安排图文结构时,或多或少都会遇到这种情况。就这方面来看,位图的缺点是显而易见的——分辨率的固定导致大分辨率的清晰图像占用大量空间;像素的分散性使动态图像的表达显得困难,例如看VCD时出现马赛克现象,就是像素丢失造成的。
  因此,研究人员开发出一种新的图形格式——矢量图。顾名思义,矢量图就是用矢量代替位图中的“位”。简单说来,矢量图不再给图的全部像素作统一的标记,而是用矢量给图的几何部分作标记。例如,一幅矢量图是绿色背景上,有一个黑色的圆圈。它的表达方式是先用语句调用调色板描述背景,再用带矢量的数学公式来描述圆圈的大小、形状等,这就使得图形的放大、缩小和移动变得十分简单,仅仅把公式中的矢量变量改一改就可以了,可以说矢量图的优点是很多的:能无限放大、缩小而不失真;不需要将图像每一点的状态记录下来,因而比相同质量和大小的位图占用的空间少得多,它甚至可以方便地通过更改内部公式制作动画,比位图省事多了。像Flash和CorelDraw等就是这样。
#1    多样化的图像存储方式
  我们现在所用的各式各样的图像存储方式,归根到底都离不开上面提到的两种最基本的原理。下面我就现在大家常见的几种图形存储方式作一个肤浅的介绍。
#1  BMP(BitMap)——位图老祖宗
  到现在为止,BMP还是Windows图形界面的基本构件之一,现在Windows的桌面依旧离不开它。BMP的颜色模式分为四种:2位(黑白)、4位(16色)、8位(256色)、24位(65535色)。由于这种格式无压缩,所以体积巨大。一张640×480的图,若色彩丰富的话,可高达1M~2M。即便如此,到现在它还得到不少人青睐的原因是,它不会丢失任何的图像细节,哪怕是一个细小的点,十分适合对图像要求严格的行业使用。
#1  JPG、JPEG(Joined Photographic Experts Group)——静态图像专家组
  这是位图的另一种。还记得当初第一次见到JPG格式时的情景——目瞪口呆,它竟能把一幅1.05M的BMP图压缩成119K,并且在显示器上看,和原来的没什么不同。这就是JPEG格式的过人之处,它提供2:1到40:1的压缩比例,在8×8面积像素单元内进行压缩,当单元颜色值较单一时,则输出一种颜色,也就是说,它在压缩时只储存单元内相差较大的颜色值,随着压缩比例的上升,这一储存值便相应减少,利用人的视觉的灵敏度,将一些常人不易察觉的颜色变化略去。因此,在使用相同压缩比的条件下,一些颜色较单一的图像失真度较少,相反的就大一些。所以朋友们在制作使用JPEG图时,不妨多试几次不同的压缩率,以找到压缩率与失真度之间的最佳结合点。一般说来,JPEG格式的位图可获得10:1的压缩率而我们却不觉得它有失真现象。凭借此两大法宝,JPG、 JPEG广泛应用于各种领域,尤其在因特网上,可以说它对缩减网页的大小功不可没。(JPEG格式的^03020101a^像)
#1  GIF——动态位图开国元老
  GIF包括三种格式,均为8位位图,最大支持256种颜色。一种是静态的GIF图,数据经过一定的压缩。另外两种是GIF89a和GIF87a。支持动画格式和透明效果,压缩方式与静态GIF图类似,可说是GIF的延续,但是由于它对颜色的支持不是很丰富,所以不论是动态的还是静态的GIF图,它都会使用真彩色的图像失真。因此,动态GIF图一般仅在网页中存在,而静态GIF图在JPEG及下面将提到的PNG格式的双重夹击下,越来越少人使用了。
#1  PNG——GIF补丁版
  PNG是一种较新的位图格式,比较少人用,由于它与GIF格式相类似,支持透明格式,可惜并不支持动画效果,但最大可支持24位真彩色,多少弥补了静态GIF的不足。PNG格式的压缩算法有其独到之处,对8位及以下位图的压缩能力比JPEG的压缩算法要好。在肉眼观察失真度相当的情况下,JPEG格式仅有20~25:1,某些8位图片用PNG格式存储可达40~50:1的压缩比!可见以前的JPEG还没有到孤独求败的地步。但是,用PNG格式储存24位真彩图时,由于其要保留对透明格式的支持,状况惨不忍睹,文件比BMP格式的还大,难以想像它是怎么计算的。
#1  TIF、TIFF(Taggered Image File Format)——标记图像文件格式
  TIF、TIFF主要用于页面排版的一种位图格式,用LZW编码压缩(与ARJ齐名的压缩方式),压缩比为2:1,这种格式通常使用在OCR软件识别扫描文档的存储中。
#1  PCD ——PhotoShop 的专利
  PhotoShop专用的位图储存格式,可以说,它的保真度和BMP没什么两样,但是因为它要记录层,而且每一个层就是一幅等大小的图像,体积自然就比BMP大多了。不过正是因为这个层的存在,使得它可以存储许多BMP所不能存储的效果,因此很多美工、图像编辑人员用它来存储作品。
#1  WMF——Windows位元文件
  Windows自定义的一种矢量图格式,Office剪辑库中的图形就使用这种格式。
#1  CDR——另一种选择
  CorelDRAW系列软件定义的矢量图格式,可导入位图并进行压缩。与其相似的还有PhotoShop、FreeHand等软件各自定义的矢量图格式,由于各自的压缩算法不同,只有在未压缩的情况下才能相互调用。
  另外,还有一些常见但不常用的图形格式,如PCX、PIC、TAG等,这里就不再多说了。
#1    从现在到未来
  ISO组织已经制定出最新的JPEG压缩格式 ——JPEG2000。它的最终技术方案将会在2000年底制定。JPEG2000计划采用离散微波转换的最新演算技术,最高压缩比可达200:1,比现在所有的图像压缩方式更为强悍,在JPEG2000计划中还会加入“动态”的功能,也就是某些影像产品如MOV、AVI、MPEG可以直接编码压缩成JPEG的单张画面,或着制作出全屏幕每秒30张的影像文件。各家厂商现在已经可以开始以JPEG2000 Wavelet为基础开发软硬件了。相信大家和我都一样,很想尽快使用这一技术,可惜的是,不一定每个图形软件都会加入对它的支持,这是因为在JPEG2000计划中,只有一部分的使用权限是完全免费的,而根据JPEG2000开发的软硬件,就必须付权利金了。比方说如果友立开发的PhotoImpact,使用了JPEG2000的技术,友立就必须付权利金给ISO,而使用者用PhotoImpact做出的JPEG2000图档,就不需要付费,这样的话,它在一些免费的图形软件上的推广就不得不令人担忧了。不过相信这对JPEG2000的推出不会有太大的影响,很快我们就可以等到支持这一技术的软件问世了,届时我们就可以亲身感受一下这一技术的威力了。(JPEG2000格式的^03020101b^像)
  在这个对影像要求越来越高的时代,对图形图像压缩技术的追求也是没有止境的。未来的技术,一定会为我们呈现出一个精美绝伦的图像世界。