本節書摘來自異步社群《matlab圖像處理375例》一書中的第1章，第1.1節，作者：matlab技術聯盟著，更多章節内容可以通路雲栖社群“異步社群”公衆号檢視
圖像是客觀對象的一種相似性的、生動性的描述或寫真，是人類社會活動中最常用的資訊載體。或者說圖像是客觀對象的一種表示，它包含了被描述對象的有關資訊，是人們最主要的資訊源。
matlab圖像處理375例
數字圖像處理（digital image processing）是通過計算機對圖像進行去除噪聲、增強、複原、分割、提取特征等處理的方法和技術。
1.1.1 什麼是數字圖像
圖像有多種含義，其中最常見的定義是指各種圖形和影像的總稱。在理科的學習以及日常的學習或統計中，圖像都是必不可少的組成部分，它為人類建構了一個形象的思維模式，有助于我們學習、思考問題。
随着數字技術的不斷發展和應用，現實生活中的許多資訊都可以用數字形式的資料進行處理和存儲，數字圖像就是這種以數字形式進行存儲和處理的圖像。
數字圖像是指一個被抽樣和量化後的二維函數（該二維函數由光學方法産生），采用等距矩形網格抽樣，對幅度進行等間隔量化。一幅圖像是指一個被量化的抽樣數值的二維矩陣。
1.1.2 圖像的分類
在計算機中，按照顔色和灰階的多少可以将圖像分為二值圖像、灰階圖像、索引圖像和真彩色rgb圖像4種基本類型。目前，大多數圖像處理軟體都支援這4種類型的圖像。
1．二值圖像
一幅二值圖像的二維矩陣僅由0、1兩個值構成，“0”代表黑色，“1”代表白色。由于每一像素（矩陣中每一進制素）取值僅有0、1兩種可能，是以計算機中二值圖像的資料類型通常為一個二進制位。二值圖像通常用于文字、線條圖的掃描識别（ocr）和掩膜圖像的存儲。二值圖像如圖1-1所示。
2．灰階圖像
灰階圖像中矩陣元素的取值範圍通常為[0，255]。是以其資料類型一般為8位無符号整數（int8），這就是人們經常提到的256灰階圖像。“0”表示純黑色，“255”表示純白色，中間的數字從小到大表示由黑到白的過渡色。
在某些軟體中，灰階圖像也可以用雙精度資料類型（double）表示，像素的值域為[0，1]，0代表黑色，1代表白色，0到1之間的小數表示不同的灰階等級。二值圖像可以看成是灰階圖像的一個特例。灰階圖像如圖1-2所示。
3．索引圖像
索引圖像的檔案結構比較複雜，除了存放圖像的二維矩陣外，還包括一個稱之為顔色索引矩陣map 的二維數組。
map 的大小由存放圖像的矩陣元素值域決定，如矩陣元素值域為[0，255]，則map 矩陣的大小為256×3，用map=[rgb]表示。map中每一行的3個元素分别指定該行對應顔色的紅、綠、藍單色值，map 中每一行對應圖像矩陣像素的一個灰階值，如某一像素的灰階值為64，則該像素就與map 中的第64行建立了映射關系，該像素在螢幕上的實際顔色由第64行的[rgb]組合決定。
也就是說，圖像在螢幕上顯示時，每一像素的顔色由存放在矩陣中該像素的灰階值作為索引通過檢索顔色索引矩陣map 得到。
索引圖像的資料類型一般為8位無符号整形（int8），相應索引矩陣map 的大小為256×3，是以一般索引圖像隻能同時顯示256種顔色，但通過改變索引矩陣，顔色的類型可以調整。索引圖像的資料類型也可采用雙精度浮點型（double）。
索引圖像一般用于存放色彩要求比較簡單的圖像，如windows中色彩構成比較簡單的桌面多采用索引圖像存放，如圖1-3所示。如果圖像的色彩比較複雜，就要用到真彩色rgb圖像。
4．真彩色rgb圖像
rgb圖像與索引圖像一樣都可以用來表示彩色圖像。與索引圖像一樣，它分别用紅（r）、綠（g）、藍（b）三原色的組合來表示每個像素的顔色。
與索引圖像不同的是，rgb圖像每一個像素的顔色值（由rgb三原色表示）直接存放在圖像矩陣中，由于每一像素的顔色需由r、g、b3個分量來表示，m、n分别表示圖像的行列數，3個m×n的二維矩陣分别表示各個像素的r、g、b3個顔色分量。
rgb圖像的資料類型一般為8位無符号整型，通常用于表示和存放真彩色圖像，當然也可以存放灰階圖像，如圖1-4所示。
1.1.3 圖像檔案格式
圖像是對人類感覺外界資訊能力的一種增強形式，是自然界景物的客觀反映，是各種觀測系統以不同形式和手段觀測客觀世界而獲得的、可以直接或間接作用于人眼的實體。
随着計算機技術的迅速發展，人們還可以人為地造出色彩斑斓、千姿百态的各種圖像。以下是計算機支援的幾種常用的圖像檔案格式。
1．bmp格式
bmp是英文bitmap（位圖）的簡寫，是windows作業系統中的标準圖像檔案格式，能夠被多種windows應用程式所支援。
随着windows作業系統的流行與豐富的windows應用程式的開發，bmp格式理所當然地被廣泛應用。
這種格式的特點是包含的圖像資訊較豐富，幾乎不進行壓縮，同時也導緻了它與生俱來的缺點——占用存儲空間過大。是以，目前bmp在單機上比較流行。
2．gif格式
gif是英文graphics interchange format（圖形交換格式）的縮寫。顧名思義，這種格式是用來交換圖檔的。事實上也是如此，20世紀80年代，美國一家著名的線上資訊服務機構compuserve針對當時網絡傳輸帶寬的限制，開發出了這種gif圖像格式。gif格式的特點是壓縮比高，存儲空間占用較少，是以這種圖像格式迅速得到了廣泛的應用。
最初的gif隻是簡單地用來存儲單幅靜止圖像（稱為gif87a），後來随着技術發展，可以同時存儲若幹幅靜止圖像進而形成連續的動畫，使之成為當時支援2d動畫為數不多的格式之一（稱為gif89a），而在gif89a圖像中可指定透明區域，使圖像具有非同一般的顯示效果，這更使gif風光十足。目前internet上大量采用的彩色動畫檔案多為這種格式的檔案，也稱為gif89a格式檔案。
此外，考慮到網絡傳輸中的實際情況，gif圖像格式還增加了漸顯方式，也就是說，在圖像傳輸過程中，使用者可以先看到圖像的大緻輪廓，然後随着傳輸過程的繼續而逐漸看清圖像中的細節部分，進而适應了使用者“從朦胧到清楚”的觀賞心理。
但gif有個小小的缺點，即不能存儲超過256色的圖像。盡管如此，這種格式仍在網絡上大行其道，這和gif圖像檔案短小、下載下傳速度快、可用許多具有同樣大小的圖像檔案組成動畫等優勢是分不開的。
3．jpeg格式
jpeg也是常見的一種圖像格式，由聯合照片專家組（joint photographic experts group）開發并以命名為“iso 10918-1”，jpeg僅僅是一種俗稱而已。jpeg檔案的擴充名為 .jpg或 .jpeg，其壓縮技術十分先進，它用有損壓縮方式去除備援的圖像和彩色資料，擷取得極高的壓縮率的同時能展現十分豐富生動的圖像，換句話說，就是可以用最少的存儲空間得到較好的圖像品質。
同時jpeg還是一種很靈活的格式，具有調節圖像品質的功能，允許用不同的壓縮比例對這種檔案壓縮，比如最高可以把1.37mb的bmp位圖檔案壓縮至20.3kb。當然我們完全可以在圖像品質和檔案尺寸之間找到平衡點。
由于jpeg優異的品質和傑出的表現，它的應用也非常廣泛，特别是在網絡和CD光牒讀物上。目前各類浏覽器均支援jpeg這種圖像格式，因為jpeg格式的檔案尺寸較小，下載下傳速度快，使得web頁有可能以較短的下載下傳時間提供大量美觀的圖像，jpeg同時也就順理成章地成為網絡上最受歡迎的圖像格式。
4．jpeg 2000格式
jpeg 2000同樣是由jpeg組織負責制定的，有一個正式的名稱即“iso 15444”。與jpeg相比，它具備更高壓縮率以及更多新功能的新一代靜态影像壓縮技術。jpeg 2000作為jpeg的更新版，其壓縮率比jpeg高30%左右。
與jpeg不同的是，jpeg 2000同時支援有損和無損壓縮，而jpeg隻能支援有損壓縮。無損壓縮對儲存一些重要圖檔是十分有用的。jpeg 2000的一個極其重要的特征在于它能實作漸進傳輸，這一點與gif的“漸顯”有異曲同工之妙，即先傳輸圖像的輪廓，然後逐漸傳輸資料，不斷提高圖像品質，讓圖像由朦胧到清晰顯示，而不必是像現在的jpeg一樣，由上到下慢慢顯示。
此外，jpeg 2000還支援所謂的“感興趣區域”特性，你可以任意指定影像上你感興趣區域的壓縮品質，還可以選擇指定的部分先解壓縮。jpeg 2000和jpeg相比優勢明顯，且向下相容，是以取代傳統的jpeg格式指日可待。jpeg 2000可應用于傳統的jpeg市場，如掃描器、數位相機等，亦可應用于新興領域，如網絡傳輸、無線通信等。
5．tiff格式
tiff（tag image file format）是mac中廣泛使用的圖像格式，由aldus和微軟聯合開發，最初是出于跨平台存儲掃描圖像的需要而設計的。它的特點是圖像格式複雜、存儲資訊多。正因為它存儲的圖像細微層次資訊非常多，圖像的品質也得以提高，故而非常有利于原稿的複制。
該格式有壓縮和非壓縮兩種形式，其中壓縮可采用lzw無損壓縮方案存儲。不過，由于tiff格式結構較為複雜，相容性較差，是以有時你的軟體可能不能正确識别tiff檔案（現在絕大部分軟體都已解決了這個問題）。目前在mac和pc機上移植tiff檔案也十分便捷，因而tiff現在也是微機上使用最廣泛的圖像檔案格式之一。
6．png格式
png（portable network graphics）是一種新興的網絡圖像格式。png是目前保證最不失真的格式，汲取了gif和jpeg二者的優點，存儲形式豐富，兼有gif和jpeg的色彩模式；第二個特點是能把圖像檔案壓縮到極限以利于網絡傳輸，但又能保留所有與圖像品質有關的資訊，因為png采用無損壓縮方式來減少檔案的大小，這一點與犧牲圖像品質以換取高壓縮率的jpeg有所不同；第三個特點是顯示速度很快，隻需下載下傳1/64的圖像資訊就可以顯示出低分辨率的預覽圖像；第四，png同樣支援透明圖像的制作，透明圖像在制作網頁圖像的時候很有用，我們可以把圖像背景設為透明，用網頁本身的顔色資訊來代替設為透明的色彩，這樣可讓圖像和網頁背景很和諧地融合在一起。
png的缺點是不支援動畫應用效果，如果在這方面能有所加強，簡直就可以完全替代gif和jpeg了。macromedia公司的fireworks軟體的預設格式就是png。現在，越來越多的軟體開始支援這一格式，而且在網絡上也越來越流行。