图片的由来与存储

我们知道,计算机中的数据都是0和1,但是展示在我们屏幕上的却是多姿多彩,文字、图片、视频和游戏等等,0和1怎么变成我们从屏幕看到的内容的?

黑白图片

假定,1=白色,0=黑色,我们现在就可以用0和1组合为一个黑白画面了

我们使用ps新建一个只有0、1的位图

img

图片新建完成如下(放大后效果)

[图片上传失败...(image-ce5cfe-1626784673662)]

假定我们直接按1表示白,0表示黑的方式排列,可以得到我们的存储结果

img

图片存储格式

我们按 OS/2 bmp 方式进行保存(win位图最初保存方式,且无压缩,这里面去除了ps自动生成的元信息)

img

OS/2 bmp:

0x00-0x01: 2byte 424D表示BMP格式

0x02-0x05: 4byte 此文件大小是0x0030bit(注意高低位,低位在前)

0x06-0x09: 4byte 保留位

0x0A-0x0D: 4byte 偏移量,数据开始起点,图中数据从0x0020开始

0x0E-0x11: 4byte BITMAPINFOHEADER结构体大小(以下为结构体定义),图中大小为0x000C(OS/2:12 | Windows DIB 40)

0x12-0x13: 2byte 图像宽 图中为4像素

0x14-0x15: 2byte 图像高 图中为2像素

0x16-0x17: 2byte 图像平面数 图中为1

0x18-0x19: 2byte 一个像素有多少bit 图中为1

0x1A-0x1C: 3byte 0表示的颜色BGR格式,图中为0x000000黑色

0x1D-0x1F: 3byte 1表示的颜色BGR格式,图中为0xFFFFFF白色

由于Windows默认的扫描的最小单位是4byte,所以bmp默认每行对齐是4的倍数,我们可以得到第一行的长度为宽度4*1分辨率*1位(bit)=4bit,对齐为byte时最小单位4byte,所以需要占用4byte,但仅前4个bit填充的值有效。

且bmp是从左下角开始扫码,从左到右,从下到上,二进制转换0101为5,1010为a

最终对应的结果在不对齐的情况下为a5a5,在对齐后补0的情况如下所示:


A0 00 00 00 50 00 00 00 A0 00 00 00 50 00 00 00

但是ps等软件在生成时会有一些元信息,所以可能会出现对齐为4byte时不是补0的情况,在算法读取时会自动跳过,但是人眼进行查看时,会造成干扰,自己排除掉即可

img

上图中,6 7F、8 22 56 F3等数据都是干扰数据,可替换为0或者替换为其它内容。

图片放大

图片放大是在图片使用中最常使用的功能,我们从图片放大这个角度看下黑白颜色后面该怎么处理,尝试放大下面这个长宽2x2的黑白图

[图片上传失败...(image-7f34f4-1626784673662)]

我们存储在电脑中的数据可以抽象理解为,长宽2个像素的

img

当我们将这个放大为长宽4个像素很好处理

[图片上传失败...(image-12625-1626784673662)]

我们得到的图片还是这样的没什么变化

但是当我们想将这个放大为长宽3像素呢?要知道,我们的图片放大缩小,从来都不是按倍数放大,动不动就直接放大2倍的,几乎没有。

可能我们得到的理想结果是

e ø.5 1 ø.5 ø.5 ø.s

但是我们的01世界中,不存在0.5这种数据,按四舍五入或者退1法,我们可以得到这样的结果

1 1 1
img

但是这无疑是差距太大了,一个小的图片差距都如此大,更大一点的图片也会出现更大的偏差,无疑只使用黑白两个颜色是无法将图片的细节表述清楚的。

那么我们现在拓展下:0b00表示黑色,0b11表示白色,0b01与0b10表示灰色。这样在放大的时候可以有灰色填充,某些细节可以达到完善的程度了。(这只是一个极端例子,不用深究,我要表达的是0与1黑白中间拓展更多的颜色表达,让图片内容更加丰富)

8位灰阶

在计算机中,8位是1个字节,1byte=8bit,我们存储的最小单元几乎都是使用byte进行存储,8位灰阶就是将黑白颜色数据继续拓展,都是黑、灰、白色之间,有256个层次组成。

或许五彩斑斓的黑无法实现,但是层次分明的灰是可以达成的。

img

彩色图片

层次分明的灰再怎么分明,都无法表达我们看到的真实颜色,光学三原色与颜料三原色中红、绿、蓝可以组合出所有颜色,依据无色系黑白灰+彩色系红绿蓝可以组合出任何颜色的特性,我们继续拓展到0和1中的队伍来。

img

首先 红+绿+蓝,在RGB光学三原色中可以组成白色,所有颜色都不存在,则可以变成黑色。

按上图我们先简单扩展(自定义),3位表示3个颜色0b000表示白色 0b100 表示红色 0b010表示绿色,0b001表示蓝色,0b111是白色,对应的0b010+0b001=0b011,蓝+绿=青,0b110=红+绿=黄,0b101=红+蓝=紫。彩色出现了。

那么现在我们已经有了最基本的颜色后,我们依然需要进行图片的放大

看下面这个四像素的图片,我们依然希望放大

img
е10 001 тео оое

图片的放大肯定不是相加,而是中间是一个过渡的颜色进行替换,我们现在使用最简单粗暴的替换颜色相加取中间值的方式处理。

以红绿中间的填充色为例(0b010+0b100)/2,应该是靠近这两个颜色中的颜色,结果是2.5,我们不能用0b010绿色去填充,也不能用0b100红色去填充,如果使用0b110,黄色,更是相差太远,在一个大的照片的放大过程中,尽量的贴合两边的颜色的中间颜色,应该是棕褐色,既有绿的过渡也需要红的过渡。(下图的展示可能不是很明显,也不很合适,因为图片的放大,极少有长宽2像素放大为长宽3像素这种操作,颜色直接的过渡也不会这么夸张。)

img

对于我们棕褐色,在我们刚才的拓展中,是不存在的,正如灰色在01表示的黑白中不存在,所以我们依然需要一个拓展来表达更多的颜色。

我们现在将颜色拓展为6个bit了,0b000000表示黑色,0b111111表示白色,其余的0b1100000是红,0b001100是绿,0b000011是蓝色。第0-2位的00-11中可以表达4种不同程度的红,黑(无红)、淡红、浅红、正红,其余的等同划分。

现在,差不多可以将棕色表达出来了,虽然依然不够细致,我们现在有2^6 = 64种颜色了。

高彩色

15或16位彩色(高彩色):电脑所用的三原色是红、绿和蓝。在15位彩色中,每种原色有2^5 = 32个层次,共32768种颜色;而在16位彩色中,绿色有2^6=64个,共有65536个颜色

真彩色

24位彩色(真彩色):每种原色都有256个层次,它们的组合便有256256256种颜色。

32位彩色

32位彩色:除了24位彩色的颜色外,额外的8位是储存重叠图层的图形资料(alpha频道)。

另外有高动态范围影像(High Dynamic Range Image),这种影像使用超过一般的256色阶来储存影像,通常来说每个像素会分配到32+32+32个bit来储存颜色资讯,也就是说对于每一个原色都使用一个32bit的浮点数来储存.

补充

各种类型文件头标准编码

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