位图文件内部初探

　　最常用的几种图象文件格式怎样存储图象自从我在十四年前买回第一台pc以后，我就一直对计算机用1和0组成的数据流来存储那些复杂的信息很感兴趣。最初引起我注意的是当时曾很流行的印在杂志上的basic程序清单，它们带有很多数据段，你可将它们键入并运行，以建立其他的程序。从这里我明白了任何程序无论它多么复杂，也只不过是一系列的针对计算机微处理器的指令而已。接着，我对ascii码有了兴趣，然后是字处理文件格式，再后来吗，您就看到了图象。

　　直至今天仍让我着迷的一种技术是位图文件存储。一个位图存储了计算机上能够再现一幅图象所需的信息。我们经常在显示器上看到图象，例如一幅美丽的日落，然而在计算机眼里它只是一堆0和1的组合。归根结底，也就是位图文件里的这些位和字节来告诉计算机这幅图象中每个象素该是什么颜色，然后计算机把位图中的颜色转化成与它的显示卡兼容的格式，最后输出到显示器上。

　　这个过程中有趣的是计算机怎样解释位图中的数据，位图文件有多种格式，每种格式都有自己的方法对象素数据编码并给出此种格式所要求的一些其他信息，之所以windows95能够读取.bmp文件而不能读.gif文件，就是因为他的设计人员使paint程序能够对以.bmp格式存储的图象数据进行解码，而不是.gif。

　　到这里。您一定很想知道一个位图文件里究竟是什么，一种格式同另一种又有什么不同？那么就让我们来简单地看看在pc机上常用的六种位图文件格式。当然还有其他的文件格式，例如对于矢量图形，就是存储一些再现图象的指令而不是每个象素的颜色数据，但是在这里讨论的这六种位图文件格式才是您平时工作最可能使用的。

　　bmp文件

　　bmp（bitmap的缩写）文件格式是windows本身的位图文件格式，所谓本身是指windows内部存储位图即采用这种格式。一个.bmp格式的文件通常有.bmp的扩展名，但有一些是以.rle为扩展名的，rle的意思是行程长度编码（runlengthencoding）。这样的文件意味着其使用的数据压缩方法是.bmp格式文件支持的两种rle方法中的一种。

　　bmp文件可用每象素1、4、8、16或24位来编码颜色信息，这个位数称作图象的颜色深度，它决定了图象所含的最大颜色数。一幅1-bpp（位每象素，bitperpixel）的图象只能有两种颜色。而一幅24-bpp的图象可以有超过16兆种不同的颜色。

　　下一页的图说明了一个典型.bmp文件的结构。它是以256色也就是8-bpp为例的，文件被分成四个主要的部分：一个位图文件头，一个位图信息头，一个色表和位图数据本身。位图文件头包含关于这个文件的信息。如从哪里开始是位图数据的定位信息，位图信息头含有关于这幅图象的信息，例如以象素为单位的宽度和高度。色表中有图象颜色的rgb值。对显示卡来说，如果它不能一次显示超过256种颜色，读取和显示.bmp文件的程序能够把这些rgb值转换到显示卡的调色板来产生准确的颜色。

　　bmp文件的位图数据格式依赖于编码每个象素颜色所用的位数。对于一个256色的图象来说，每个象素占用文件中位图数据部分的一个字节。象素的值不是rgb颜色值，而是文件中色表的一个索引。所以在色表中如果第一个r/g/b值是255/0/0，那么象素值为0表示它是鲜红色，象素值按从左到右的顺序存储，通常从最后一行开始。所以在一个256色的文件中，位图数据中第一个字节就是图象左下角的象素的颜色索引，第二个就是它右边的那个象素的颜色索引。如果位图数据中每行的字节数是奇数，就要在每行都加一个附加的字节来调整位图数据边界为16位的整数倍。

　　并不是所有的bmp文件结构都象表中所列的那样，例如16和24-bpp，文件就没有色表，象素值直接表示rgb值，另外文件私有部分的内部存储格式也是可以变化的。例如，在16和256色.bmp文件中的位图数据采用rle算法来压缩，这种算法用颜色加象素个数来取代一串颜色相同的序列，而且，windows还支持os/2下的.bmp文件，尽管它使用了不同的位图信息头和色表格式。

　　pcx文件

　　.pcx是在pc上成为位图文件存储标准的第一种图象文件格式。它最早出现在zsoft公司的paintbrush软件包中，在80年代早期授权给微软与其产品捆绑发行，而后转变为microsoftpaintbrush，并成为windows的一部分。虽然使用这种格式的人在减少，但这种带有.pcx扩展名的文件在今天仍是十分常见的。

　　pcx文件分为三部分，依次为：pcx文件头，位图数据和一个可选的色表。文件头长达128个字节，分为几个域，包括图象的尺寸和每个象素颜色的编码位数。位图数据用一种简单的rle算法压缩，最后的可选色表有256个rgb值，pcx格式最初是为cga和ega来设计的，后来经过修改也支持vga和真彩色显示卡，现在pcx图象可以用1、4、8或24-bpp来对颜色数据进行编码。

　　tiff文件

　　pcx格式是所有位图文件格式中最简单的，而tiff(taggedimagefileformat)则是最难的一种。

　　tiff文件含有.tif的扩展名。它以8字节长的图象文件头开始(ifh)，这个文件头中最重要的成员是一个指向名为图象文件目录(ifd)的数据结构的指针。Ifd是一个名为标记（tag）的用于区分一个或多个可变长度数据块的表，标记中含有关于图象的信息。Tiff文件格式定义70多种不同类型的标记，有的用来存放以象素为单位的图象宽度和高度，有的用来存放色表(如果需要的话)，当然还必须有用来存放位图数据的标记，一个tiff格式文件完全为它的标记所决定，而且这种文件结构极易扩展，因为你要附加一些特征只须增加一些额外的标记。

　　究竟是什么使tiff文件如此复杂？一方面，要写一种能够识别所用不同标记的软件非常困难。大多数tiff的阅读程序只能识别一部分标记，所以会出现这种情况：有时一个应用程序创建的tiff文件，另一个应用程序却不能使用。创建tiff文件的程序还可能会在文件中加一些只有它自己认识的标记，虽然tiff的阅读程序可以跳过那些它们不认得的标记，但这样做总是有可能影响到图象的质量。

　　另一方面，一个tiff文件可以包含多个图象，每个图象都有自己的ifd和一系列标记。Tiff文件中的位图数据可能会用好几种方法来压缩，所以一个完备的tiff阅读程序应该有rle解压缩程序，lzw解压缩程序和其他一些算法的解压缩程序。然而更糟的是使用lzw的解码必须得到unisys公司的同意，且通常是需要付版税的。所以即使是一些相当不错的tiff阅读程序在它们遇到lzw算法压缩的图象时也是无能为力的。

　　尽管tiff是那么的复杂，但仍是一种最好的跨平台格式。因为它非常灵活，无论在视觉上还是其他方面，都能把任何图象编码成二进制形式而不丢失任何属性。

　　gif文件

　　当许多图象方面的权威一想到lzw的时候，他们也会想到gif（graphicsinterchangeformat，读作jiff）这是一种常用的跨平台的位图文件格式，最初为compuserve公司所创。Gif文件通常带有.gif的扩展名，而且在compuseve上大量存在。

　　gif文件的结构取决于它属于哪一个版本，目前的两种版本分别是gif87a和gif89a，前者较简单。无论是哪个版本，它都以一个长13字节的文件头开始，文件头中包含判定此文件是gif文件的标记、版本号和其他的一些信息。如果这个文件只有一幅图象，文件头后紧跟一个全局色表来定义图象中的颜色。如果含有多幅图象(gif和tiff格式一样，允许在一个文件里编码多个图象)，那么全局色表就被各个图象自带的局部色表所替代。

　　在gif87a文件中，文件头和全局色表之后是图象，它可能会是头尾相接的一串图象中的第一个，每个图象由三部分组成，一个10字节长的图象描述，一个可选的局部色表和位图数据。为有效利用空间，位图数据用lzw算法来压缩。

　　gif89a结构与此类似，但它还包括可选的扩展块来存放每个图象的附加信息。Gif89a详细定义了四种扩展块：图象控制扩展块，它用来描述图象怎样被显示(例如，显示是应该象一个透明物去覆盖上一个图象，还是简单的替换它)；简单文本扩展块，它包含显示在图象中的文本；注释扩展块，它以ascii文本形式存放注释;应用扩展块，它存放生成该文件的应用程序的私有数据。这些扩展块可以出现在文件中全局色表的任何地方。

　　gif最显著的优点是它的广泛使用和它的紧密性。但它有两个弱点，一个是用gif格式存放的文件最多只能含有256种颜色。另一个可能更重要，就是那些使用了gif格式的软件开发者必须征得compuserve的同意，他们每卖出一个拷贝都要向compuserve付版税。这个政策是compuserve仿效unisys公司作出的，它抑制了那些程序员在他的图象应用程序中支持gif文件。

　　png文件

　　png(portablenetworkgraphic，发音做ping)文件格式是作为gif的替代品开发的，它能够避免使用gif文件所遇到的常见问题。它从gif那里继承了许多特征，而且支持真彩色图象。更重要的是，在压缩位图数据时它采用了一种颇受好评的lz77算法的一个变种，lz77则是lzw的前身，而且可以免费使用。由于篇幅所限，在这里就不花时间来具体讨论png格式了。

　　jpeg文件

　　jpeg(jointphotographicexpertsgroup，发音做jay-peg)文件格式最初由c-cubemicrosystems推出，是为了提供一种存储深度位象素的有效方法，例如对于照片扫描，颜色很多而且差别细微(有时也不细微)。Jpeg和这里讨论的其他格式的最大区别是jpeg使用一种有损压缩算法，无损压缩算法能在解压后准确再现压缩前的图象，而有损压缩则牺牲了一部分的图象数据来达到较高的压缩率。但是这种损失很小以至于人们很难察觉。

　　jpeg图象压缩是一个复杂的过程，经常需要专门的硬件来帮助。首先图象以象素为单位分成8*8的块。然后，每个块分三个步骤被压缩。第一步使用dct(discretecosinetransform)离散余弦变换把8*8的象素矩阵变成8*8的频率（也就是颜色改变的速度）矩阵。第二步对频率矩阵中的值用量化矩阵进行量化，滤掉那些总体上对图象不重要的部分。第三步，也就是最后一步，对量化后的频率矩阵使用无损压缩。

　　因为被量化后的频率矩阵缺了许多高频信息，通常能被压缩到一半甚至更少。无损压缩一般根本不能压缩真正的照片图象，所以50%的压缩率已是相当不错了，但另一方面，无损压缩能把一些图象文件尺寸减少90%，这样的图象文件就不适合用jpeg来压缩。

　　jpeg的有损部分产生在第二步，量化矩阵的值越高，从图象中丢掉的信息就越多，从而压缩率就越高，可是同时图象的质量就越差。在jpeg压缩时可以选择一个量化因子，这个因子的值决定了量化矩阵中的数值。理想的量化因子要在压缩率和图象质量间达到平衡，所以对不同的图象要选择不同的量化因子，通常要经过若干次尝试后方可确定.