一、图像基础
1.1 图像的基本概念
- 像素（Pixel）：图像的最小组成单位，每个像素包含颜色信息
- 分辨率：图像中像素的总数，通常表示为 水平像素 × 垂直像素
1.2 颜色深度（位深度）
颜色深度是指每个像素用多少位来表示颜色。
| 颜色深度 | 颜色数 | 说明 |
|---|---|---|
| 1位 | 2^1 = 2色 | 黑白图像 |
| 4位 | 2^4 = 16色 | 简单图形 |
| 8位 | 2^8 = 256色 | 灰度图像或索引色 |
| 16位 | 2^16 = 65536色 | 高彩色（High Color） |
| 24位 | 2^24 = 16777216色 | 真彩色（True Color），RGB各8位 |
| 32位 | 2^32 | 真彩色 + Alpha通道（透明度） |
1.3 颜色模型
| 模型 | 说明 | 应用 |
|---|---|---|
| RGB | 红、绿、蓝三原色加色混合 | 显示器、电视、扫描仪 |
| CMYK | 青、品红、黄、黑减色混合 | 打印机、印刷 |
| HSV/HSL | 色相、饱和度、明度/亮度 | 图像处理软件 |
| YUV/YIQ | 亮度 + 色差分量 | 视频压缩（PAL/NTSC） |
RGB 用于屏幕显示（加色法），CMYK 用于印刷（减色法）。
二、图像文件格式
2.1 位图格式（栅格图）
位图由像素点阵组成，放大后会出现锯齿。
| 格式 | 特点 | 压缩方式 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| BMP | Windows标准格式，无压缩 | 无压缩 | 简单图像存储 |
| JPEG/JPG | 有损压缩，支持真彩色 | 有损压缩（DCT变换） | 照片、复杂图像 |
| PNG | 无损压缩，支持透明通道 | 无损压缩 | 网页图像、需要透明的场景 |
| GIF | 最多256色，支持动画 | 无损压缩（LZW） | 简单动画、图标 |
| TIFF | 高质量图像，支持多页 | 有损/无损均可 | 印刷、扫描 |
| PSD | Photoshop专用格式 | — | 图像编辑 |
| WebP | Google开发，高压缩比 | 有损/无损均可 | 网页图像 |
| RAW | 相机原始数据 | 无压缩 | 专业摄影 |
2.2 矢量图格式
矢量图由数学公式描述，放大不失真。
| 格式 | 说明 |
|---|---|
| SVG | 可缩放矢量图形，基于XML，W3C标准 |
| EPS | 封装PostScript，印刷行业常用 |
| AI | Adobe Illustrator格式 |
位图 vs 矢量图：
- 位图：适合照片和复杂图像，放大失真
- 矢量图：适合图标和图形，放大不失真，文件通常较小
三、图像数据量计算
3.1 未压缩图像数据量公式
$$
数据量 = 水平像素数 \times 垂直像素数 \times 颜色深度 / 8
$$
注意：除以8是因为从 bit 转换为 Byte。
3.2 计算示例
例题：一幅分辨率为 1920×1080 的真彩色（24位）图像，未压缩的数据量是多少？
$$
数据量 = 1920 \times 1080 \times 24 / 8 = 6220800 \text{ Byte} \approx 5.93 \text{ MB}
$$
四、视频基础
4.1 视频的基本概念
视频是由连续的**图像帧（Frame）按照一定的帧率（Frame Rate）**播放形成的。
4.2 帧率
帧率是指每秒钟显示的图像帧数，单位为 fps（frames per second）。
| 帧率 | 应用场景 |
|---|---|
| 24 fps | 电影 |
| 25 fps | PAL制式电视（中国、欧洲） |
| 30 fps | NTSC制式电视（美国、日本） |
| 60 fps | 高清视频、游戏 |
| 120 fps | 高帧率视频 |
4.3 电视制式
| 制式 | 使用地区 | 每秒帧数 | 分辨率 |
|---|---|---|---|
| PAL | 中国、欧洲 | 25 fps | 720×576 |
| NTSC | 美国、日本 | 30 fps | 720×480 |
| SECAM | 法国、俄罗斯 | 25 fps | 720×576 |
4.4 视频数据量计算
$$
视频数据量 = 水平像素 \times 垂直像素 \times 颜色深度 \times 帧率 \times 时间 / 8
$$
4.5 计算示例
例题：一段分辨率为 720×576、真彩色（24位）、帧率为 25fps、时长为 1 分钟的视频，未压缩的数据量是多少？
$$
数据量 = 720 \times 576 \times 24 \times 25 \times 60 / 8 = 1866240000 \text{ Byte} \approx 1.74 \text{ GB}
$$
可见未压缩视频数据量极大，因此视频必须进行压缩。
五、视频压缩
5.1 压缩原理
视频压缩利用了以下特性：
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| 空间冗余 | 同一帧内相邻像素的相似性 |
| 时间冗余 | 相邻帧之间的相似性（视频序列中大部分画面变化很小） |
| 视觉冗余 | 人眼不敏感的信息可以丢弃 |
5.2 压缩方式
| 类型 | 说明 | 示例 |
|---|---|---|
| 无损压缩 | 压缩后可完全还原 | — |
| 有损压缩 | 压缩后有信息损失，不可逆 | JPEG、MPEG |
5.3 常见视频编码标准
| 标准 | 说明 | 特点 |
|---|---|---|
| MPEG-1 | VCD使用 | 1.5 Mbps，质量一般 |
| MPEG-2 | DVD、数字电视使用 | 4-9 Mbps，质量较好 |
| MPEG-4 | 网络视频 | 压缩效率高，支持流媒体 |
| H.264/AVC | 高清视频主流编码 | 压缩效率高，应用广泛 |
| H.265/HEVC | 4K/8K视频编码 | 比 H.264 效率提高约50% |
| AV1 | 开源免费编码 | Google等联合开发 |
5.4 常见视频文件格式
| 格式 | 说明 |
|---|---|
| AVI | 微软开发，体积较大 |
| MP4 | 最常用的视频格式，兼容性好 |
| MKV | 开源容器格式，支持多音轨/字幕 |
| MOV | Apple开发 |
| FLV | Flash视频，网络流媒体 |
| WMV | 微软开发 |
| WebM | Google开发，用于网页 |
六、重点记忆
- 图像数据量 = 水平像素 × 垂直像素 × 颜色深度 / 8
- 视频数据量 = 水平像素 × 垂直像素 × 颜色深度 × 帧率 × 时间 / 8
- 真彩色 = 24位 = RGB各8位 = 2^24 = 16777216色
- PAL制式：25fps（中国）；NTSC制式：30fps（美国）
- JPEG 有损压缩，适合照片；PNG 无损压缩，支持透明；GIF 256色，支持动画
- RGB 加色法（显示），CMYK 减色法（印刷）
- 位图 放大失真，矢量图 放大不失真
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