数字图像处理：二、 数字图像存储

1. 图像存储介质分类与对比

1）半导体存储介质‌

• ‌常见类型‌：
  • ‌SD卡/CF卡‌：体积小、兼容性强，广泛用于相机和移动设备‌。
  • ‌U盘‌：便携即插即用，适合临时存储或小文件传输，但易丢失或损坏‌。
  • ‌固态硬盘（SSD）‌：读写速度快、抗震性强，适合频繁读写场景（如专业摄影）‌。
• ‌优势‌：高速度、轻便、无机械结构更耐用‌。
• ‌劣势‌：长期断电可能导致数据丢失；容量成本较高‌。

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‌2） 磁性存储介质‌

• ‌常见类型‌：
  • ‌机械硬盘（HDD）‌：容量大、成本低，适合备份大量图像‌。
  • ‌磁带‌：超大规模数据存储（如机构级归档），但读取速度慢‌。
• ‌优势‌：成本低廉、容量扩展性强‌。
• ‌劣势‌：抗震性差，物理损坏风险高；长期保存需定期通电维护‌。

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‌3）光学存储介质‌

• ‌常见类型‌：
  • ‌蓝光光盘/千年盘‌：长期保存（理论寿命达数十年至千年），抗电磁干扰‌。
• ‌优势‌：稳定性高，适合存档重要图像（如历史资料、艺术作品）‌。
• ‌劣势‌：写入速度慢；需防刮擦和潮湿环境‌。

2. 数字图像在计算机上的存储与读取

CPU操作的最小单位是8个位构成的字节（Byte），一个字节中8个比特的存储顺序称为比特序（Bit order），比特序有大端（Big endian）和小端（Little endian）之分。大端是指将高比特位（即逻辑上的高数据位）存储在低比特地址（即物理上的存储地址），而小端则是指将高比特位存储在高比特地址。 

大端：读入内存为二进制数00110101，解析为十进制数53

小端：读入内存为二进制数10101100，解析为十进制数172

 彩色图像逐波段BSQ存储模式：

图像元文件存放了图像的解码信息；

图像的解码信息如果单独存放，则称之为元文件或头文件；

如果这些解码信息与数据内容封装在同一个文件之中，由于它们常位于文件的起始位置，因此又称之为文件头，以与影像的数据内容区分开来 。

图像文件的头信息（即编码信息）通常包括：数据类型、解码顺序（从大端开始解码还是从小端开始解码）、图像的行数和列数、图像的波段数、多波段图像的存储方式、图像的偏移量和其它信息（如投影类型及其参数、颜色查找表等）。

图像存储格式包括开放式存储格式和封闭式存储格式两大类。

开放式存储格式的头文件和数据文件是分开存储的，其中以ENVI软件的标准数据存储格式最为常见。

封装式存储格式的头文件和数据文件封装在一起存储，如BMP、JPEG、PSD、CDR等图像格式。遥感图像处理中常见的TIFF、GeoTiff、HDF、HDF-EOF、ERDAS Imagine等图像格式。

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TIFF（Tagged Image File Format）是一种基于标志域的图形，依靠指针连接来组织数据。TIFF与其他标记语言不同的是除了图像数据还可以记录其他信息。其他的图像格式可以嵌入到TIFF中为其所用。

TIFF有四种类型：

TIFF-B，双色；

TIFF-G，黑白灰度；

TIFF-P，带调色板的彩色图形；

TIFF-R，适合RGB色彩的图形。

封装式存储格式：以TIFF格式为例 TIFF格式有三级结构，从高到低依次为：文件头、标识信息区（IFD）以及图像数据区。TIFF 文件是由系列 8 bit 字节（bytes）构成，允许的 TIFF 文件最大为 2**32 约为 4 Gb (bigTIFF 允许超过 4 Gb)。TIFF由四部分组成，分别是图像文件头Image File Header(IFH)、图像文件目录Image File Directory(IFD)、目录项Directory Entry(DE)、图像数据。

图像由8字节的文件头起始，文件头指向第一个文件目录。文件目录中包含了图像的各种信息，也包含了一个指向实际图像数据的指针。

 

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文件头 (8字节)

图像文件目录IFD#1 （描述图像参数并指向数据）

数据区域 （实际像素数据/缩略图等）

图像文件目录IFD#2  (可选，多图像时附加的目录)

数据区域

...

1）图像文件头(IFH)

Byte 0-1: 字节顺序标志位， 值为II或者MM。II表示小字节在前， 又称为little-endian。MM表示大字节在前，又成为big-endian。

Byte 2-3: TIFF的标志位，一般都是42

Byte 4-7: 第一个IFD的偏移量。可以在任意位置， 但必须是在一个字的边界，也就是说必须是2的整数倍。

偏移	字段	字节数	详细说明	示例值（十六进制）
0x00	字节序标识	2	4949(小端II) 或 4D4D(大端MM)	49 49
0x02	版本号	2	固定值 002A（十进制42）	2A 00
0x04	首个IFD偏移	4	指向第一个IFD的起始位置（从文件头开始）	08 00 00 00

示例解析：

文件头 49 49 2A 00 08 00 00 00

字节序：49 49 → 小端（Intel格式）

版本号：2A 00 → 42（小端解析为0x002A）

首个IFD位置：08 00 00 00 → 偏移8字节（紧接文件头）

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2）图像文件目录(IFD)

由于一个TIFF文件中可以有多个图像，而一个IFD只标识一个图像的所有属性，所以，一个TIFF文件中有几个图像，就会有几个IFD。

Byte 0-1: 表示此IFD包含了多少个DE。每个DE只标识了图像的一个属性，那么这幅图像有N个属性就会有N个DE。（假设数目为n）

Byte 2-(n*12+1): n个DE

Byte (n*12+2)-(n*12+5): 下一个IFD的偏移量，如果没有（只有一幅图像）则置为0

条目数 (2字节) → 本IFD包含的条目数量

条目1 (12字节，标签ID + 数据类型 + 数据量 + 数据/偏移）

条目2 (12字节)

...

下一IFD偏移 (4)   → 0表示无后续IFD

 IFD条目格式

字段	字节数	说明
标签ID	2	预定义标识（如256=宽度）
数据类型	2	数据类型代码（1=BYTE, 3=SHORT, 4=LONG等）
数据数量	4	该类型数据的元素个数（如宽度为1个LONG值）
数据值	4	若数据总字节数≤4，直接存储；否则存储指向数据区的偏移（如字符串地址）

 关键标签与数据示例

示例IFD条目：图像宽度（标签256）

Tag ID: 00 01 (256) → 标签256=ImageWidth

Type: 00 03 (3) → 数据类型3=SHORT（2字节无符号整数）

Count: 00 00 00 01 → 数据数量为1

Value: 00 04 00 00 → 数据值=0x0400（小端解析为1024像素）

示例IFD条目：压缩方式（标签259）

Tag ID: 01 03 (259) → 标签259=Compression

Type: 00 03 (3) → 数据类型3=SHORT

Count: 00 00 00 01 → 数量1

Value: 00 01 00 00 → 值1（无压缩）

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 3）目录项(DE)

Byte 0-1: TAG，即该属性的标签编号，在文件目录中按升序排列。

Byte 2-3: 数据类型。

Byte 4-7: 数量。通过类型和数量可以确定存储此TAG的数据需要占据的字节数

Byte 8-11: 如果数据占用的字节数少于4， 则数据直接存于此。 如果超过4个，则这里存放的是指向实际数据的指针

数据区域组织形式

连续存储：单块数据（适用于小文件）

分条存储（Strips）：

Strip#1数据← 由StripOffsets[0]指向

Strip#2数据← StripOffsets[1]

分片存储（Tiles）：适用于大图像的分块存储（如地图）

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完整解析流程

步骤1：解析文件头 读取前8字节，确认字节序、版本号，定位首个IFD偏移（如0x0008）。

步骤2：解析首个IFD 读取IFD条目数（如2字节 00 02 → 2个条目）

按12字节解析每个条目：

条目1：00 01 00 03 00 00 00 01 00 04 00 00 → 宽度=1024像素

条目2：01 11 00 04 00 00 00 02 00 00 20 00 → StripOffsets指向0x2000

下一IFD偏移：00 00 00 00 → 无后续IFD

步骤3：定位数据区域 根据StripOffsets标签值（如0x2000），跳转到该位置读取像素数据。

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参考：

TIFF图像文件格式与实例分析_tiff文件头-优快云博客  https://blog.youkuaiyun.com/tony5243/article/details/123410603?spm=1001.2101.3001.6661.1&utm_medium=distribute.pc_relevant_t0.none-task-blog-2%7Edefault%7EBlogCommendFromBaidu%7ERate-1-123410603-blog-100684635.235%5Ev43%5Epc_blog_bottom_relevance_base1&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant_t0.none-task-blog-2%7Edefault%7EBlogCommendFromBaidu%7ERate-1-123410603-blog-100684635.235%5Ev43%5Epc_blog_bottom_relevance_base1&utm_relevant_index=1

详解TIFF图像格式：结构、组成部分与实例解析-优快云博客  https://blog.youkuaiyun.com/oYinHeZhiGuang/article/details/121710467?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522889d74e1a02fd345ebff0b11fbf877e9%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334..%2522%257D&request_id=889d74e1a02fd345ebff0b11fbf877e9&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~all~sobaiduend~default-2-121710467-null-null.142^v102^pc_search_result_base7&utm_term=TIFF%E6%96%87%E4%BB%B6%E5%AD%98%E5%82%A8&spm=1018.2226.3001.4187

TIFF文件详解-优快云博客  https://blog.youkuaiyun.com/dashaowei3861/article/details/102085342?ops_request_misc=&request_id=&biz_id=102&utm_term=TIFF%E6%96%87%E4%BB%B6%E5%AD%98%E5%82%A8&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~all~sobaiduweb~default-6-102085342.142^v102^pc_search_result_base7&spm=1018.2226.3001.4187