位图文件内部初探

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 windows 95 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（run length encoding）。

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， bit per pixel）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 microsoft paintbrush，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(tagged image file format) 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（graphics interchange format，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(portable network graphic，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(joint photographic experts group，发音做jay-peg) 文件格式最初由 c-cube microsystems 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。