影像格式與影像壓縮

3課程內容

數位相機為了減低記憶體的消耗，提供了數種壓縮格式來儲存影像。

1.影像類型 

電子圖檔主要是由像素（Pixel）所構成的，一個影像檔就是由上百萬個像素以格狀的排列方式來顯示。電腦用多個位元的資料組合記錄每一個像素的亮度和色彩。影像資料的位元數越大，其儲存的資料量也就越大，也就是所佔的MB（記憶體）也越大。而依影像儲存的方式則可概分單位元影像（一般稱文字或黑白模式）、灰階影像和彩色影像三種類型。 
單位元影像，每個像素只用一個位元來記錄，其又分成兩種不同的類型：黑白影像（Line Art）和半色調影像（Halftone）。黑白影像（Line Art），最為簡單，以黑點和白點來記錄影像的變化，一般用於OCR的判讀。半色調影像（Halftone）則可產生近似灰階影像的錯覺效果，和黑白影像（Line Art）不同的是，較暗的區域是以較多的黑點來表示，而較亮的區域用較少的黑點來表示。因此，可以製造出成影像的層次感，報紙上看到的圖片多半屬於這類半色調影像。 
灰階影像，雖然也是黑白影像的一種，單它包含了更多黑色和白色的資料，特別是真實的紀錄了灰階層次！對於灰階影像而言，每個像素用更多的位元來表示，例如要表現 16 階的灰階需用到 4 個位元(bit)，8 個位元則可以表現多達 256 階的灰階層次(256=2^8) ,也使得黑白照片的層次表現更加立體與真實。 
彩色影像包含的資料最為複雜。為了獲取彩色影像，數位相機和掃描器使用分色處理（ RGB（紅色 Red 、綠色 Green 和藍色 Blue））來分析接收到的影像光線。透過這個模式，影像中所有的色彩都可以用紅綠藍三原色以不同強度還原而成。而隨著您所使用數位相機或掃描器的機型不同，依其設計可對色彩記錄的極限可達 24 位元、30 位元或 36 位元 RGB 像素不等。越多的色彩位元的資料代表越多顏色被解析出來（24 位元可記錄 1677 萬色，30 位元可記錄 10 億色，36 位元則記錄多達 687 億種色彩），但同樣的你的記憶也消耗的越快。

黑白影像（Line Art）	半色調影像（Halftone）
灰階影像（GREY）	彩色影像（RGB）

2.檔案格式 

隨著科技的進步，所需電腦處理的影像就越顯的複雜。為了因應龐大的影像資料所造成的顯示處理速度緩慢，攜帶不便等種 種缺點。電腦專家們想出了「影像壓縮」這種解決之道。影像壓縮可以根據原始影像資料來產生另外一組資料，這組資料就稱之為「壓縮結果」。壓縮結果的所佔的 記憶體大小通常比原始影像檔案小很多。而某些檔案格式所提供的壓縮結果是可還原的，透過適當的反壓縮法使能還原成原始影像。
目前影像壓縮的方法有很多種，基本上可以分為「無失真」及「有失真」兩類。例如我們常見的PCX 、GIF 、TIFF 、及TGA 等格式就是屬於無失真的影像壓縮格式, 其利用傳統壓縮原理及技術來處理影像檔案，所以壓縮前的原始影像與壓縮後還原的結果一樣。至於我們所熟知的 JPEG 則是屬於失真的影像壓縮格式。 
JPEG(Joint Photographic Coding Expert Group) 由國際標準組織(ISO) 和國際電話電報諮詢委員會(簡稱CCITT) 所建立的一個數位影像壓縮標準，用於靜態影像壓縮。於1987年正式推出，適用於儲存24位元全彩影像及縮小檔案大小，但不支援透明或動畫。JPEG 採用可失真(Lossy) 編碼法的概念，利用數位餘弦轉換法(Discrete Cosine Transform，簡稱DCT) 將影像資料中較不重要的部份去除，僅保留重要的資訊，以達到高壓縮率的目的，JPEG格式運用壓縮運算法則可以將影像資料壓縮成數十分之一的大小。雖然被JPEG處理後的影像會有失真的現象，但由於JPEG 的失真比例可以利用參數來加以控制；一般而言，當壓縮率( 即壓縮過後的體積除以原有資料量的結果) 在5% ～15% 之間時，JPEC 依然能保証其適當的影像品質，這是一般無失真壓縮法所作不到的。 

GIF : 是1987 年由Compu-serve 所提出的影像壓縮格式，所使用的壓縮方法是「藍波- 立夫- 衛曲編碼法」，又可稱為「字串表(String Table) 壓縮法」。其基本的原理是將原始影像資料中重複的字串編成一個表，然後再利用表上的索引值來取代原始影像資料中的字串，由於索引值的體積遠比原始影像中的字串體積來的小，故GIF 能影像有壓縮的效果, 但是GIF 的編碼法其字串表沒有最大體積的限制，而且以「可變長度碼」來編碼其索引值，故可有效的節省壓縮後的空間，提高壓縮的比例。GIF 的缺點是限制GIF 的色彩支援只到 256 色。因此如果影像只是由單純的少數色彩所組成，例如用於網頁上的文字或商標，則 GIF 是一種相當合適的檔案格式。但若為連續色調或是有複雜色彩的影像，則 GIF 並不合適。
PCX : PCX 這種影像壓縮格式是由Zsoft 公司所設計發展出來的，它是以變動長度編碼法(Run Length Encoding ，簡稱RLE)為其核心壓縮技術，並以位元為基本單位，水平式(Row by Row) 的進行編碼。所謂變動長度編碼法，簡單而言即是以 「資料的重複次數」加上「原始資料內容」來編碼的方法，故它將每段重複的資料以二個位元組來表示。由於變動長度編碼法的演算法簡單、易懂、且程式設計十分簡單，所以被廣泛的運用在影像儲存方面。目前幾乎所有支援影像的軟體，都會使用 PCX 的檔案格式。然而，由於變動長度編碼法對於資料的內容相當敏感，隨著影像複雜度的不同，其壓縮率也會大幅的波動，因此PCX 並不能保持一定的壓縮水準，有時遇到重複性低的影像資料時， PCX 處理過的影像記憶體常常會不減反增。   
參考文獻和網址：http://www.jpeg.org/http://www.netmechanic2.com/GIFbotsample/faq.htm張真誠與蔡文輝(1994) ：資料壓縮原理與實務。台北：松崗電腦圖書公司。戴顯權(1996)：資料壓縮。台北：松崗電腦圖書公司。