【自学嵌入式：计算机组成原理】10. 二进制存储图片

10. 二进制存储图片

图片的数字化本质是将像素的颜色/亮度信息编码为二进制序列。根据图像类型（黑白、灰度、彩色），二进制表示的规则与复杂度逐步提升，以下分三类详细说明。

一、黑白图像的二进制表示

（一）核心逻辑

黑白图像仅包含两种颜色状态（黑、白），可直接映射为二进制的 0（黑）和 1（白）。每个像素对应 1位二进制数（bit）。

（二）示例：6×6黑白LED屏

右侧6×6像素的显示屏中：

• 白色LED对应 1，黑色（熄灭）LED对应 0；
• 整个图像的二进制表示为一个 \(6 \times 6\) 的矩阵（共 \(6 \times 6 = 36\) 位）。

原理：像素是图像的最小单元，状态数量决定编码位数（2种状态 → \(log_2{2} = 1\) bit/像素 ）。

二、灰度图像的二进制表示

（一）核心逻辑

灰度图像包含从黑到白的连续亮度过渡，需对“亮度”进行量化分级。通常用 8位二进制数（1字节） 表示一个像素，覆盖 \(0\)（最黑）到 \(255\)（最白）共 \(2^8 = 256\) 级亮度。

（二）计算示例：28×28像素的灰度图

• 单个像素需 \(8\) bit（1字节）存储亮度；
• 总像素数：\(28 \times 28 = 784\)；
• 总数据量：\(784 \times 1 = 784\) 字节（byte）。

原理：亮度分级数量决定编码位数（256级 → \(log_2{256} = 8\) bit/像素 ）。通过PWM（脉冲宽度调制）等技术，可将8bit的数值转换为实际显示的亮度。

三、彩色图像的二进制表示

（一）核心逻辑

彩色图像的颜色由RGB三原色（红、绿、蓝） 组合而成。每个像素需分别编码红、绿、蓝三个通道的亮度，每个通道用 8位二进制数（1字节） 表示（0-255级亮度）。因此，单个彩色像素需 \(3 \times 8 = 24\) bit（3字节）。

（二）原理与示例

• RGB通道独立编码：红色通道强度（0-255）、绿色通道强度（0-255）、蓝色通道强度（0-255）；
• 颜色合成：三通道亮度叠加，可组合出约 \(256 \times 256 \times 256 = 16777216\) 种颜色（覆盖人眼可见的大部分色彩）；
• 数据量计算：若图像分辨率为 \(W \times H\)，总数据量为 \(W \times H \times 3\) 字节（如100×100像素的彩色图，需 \(100 \times 100 \times 3 = 30000\) 字节 ）。

总结：

• 黑白图像：1 bit/像素（2种状态）；
• 灰度图像：8 bit/像素（256级亮度）；
• 彩色图像：24 bit/像素（RGB三通道各8 bit）。
  图像的二进制表示本质是“状态量化 + 编码映射”，通过增加二进制位数覆盖更丰富的视觉信息。