脚丫数字图像处理教程——1理论基础

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本教程源自一本与人合作编写，但最后不了了之的摄影教材，脚丫分配编写的“第四章 数字图像处理”一章。编写时匆匆起草，后来也懒得仔细校对，但是觉得还算有点用处，便发上来，也算给大家处理图片时做个参考。写的不对或者观点偏颇之处，希望大家给予批评指正，有疑问之处也欢迎跟帖讨论。

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第四章 数字图像处理

数字图像技术理论基础

　　　1、像素、分辨率、图像大小与文件格式
　　　像素
　　　简单来说，“像素”(pixel)是构成数字图像的最小单位。我们近距离观察一面玻璃马赛克拼图（图4-1-1），会发现拼图是由一块块单一颜色的玻璃马赛克组成，图案似乎显得比较粗糙；但是当我们离开一段距离再观察，会发现原本粗糙的图案变得细密，组成了精美的画面。
　　　

　　　图4-1-1 玻璃马赛克拼图
　　　数字图像中的每一个像素就像拼图中的一块玻璃马赛克，数字图像就是由这样的大量像素所组成的。通常数字图像中每一个像素都很小，距离很近，每厘米长度上排列着几十个甚至上百个像素，超过了我们眼睛的分辨能力，以至于我们看不出这是分立的色块，而认为是连续的图像。
　　　时至今日，“像素”仍然是衡量数码图像质量最重要的标准之一，尤其是在我们选购数码相机时，目前，主流的数码相机已经超过了一千万像素。
　　　
　　　分辨率
　　　谈到分辨率，往往是和输出设备联系到一起的。图像的分辨率(resolution)指的是数码图像每单位长度内所含的“像素”(pixel)数量，像素越多，图像就越细腻；输出设备的分辨率，是指每单位长度内所能表现的“点”(dots)数，点数越高，表现的图像就越清晰。这个领域内仍习惯上使用“英寸”(inch)作为长度单位，因此分辨率的单位一般用每英寸所拥有的像素数量(pixel per inch, ppi或者dots per inch, dpi)。
　　　举个例子来说，如果我们印刷一张6英寸*4英寸的图像，按每英尺300个像素 (300ppi)来制作，那么它包含的像素数为：300*6*300*4=2160000像素。这张图像在显示器上显示时，由于显示器每英寸只能显示72个像素(72dpi)，就要显示25英寸*16.7英寸大小，绝大多数显示器不能在一屏内完全显示，需要拖动滚动条观看。
　　　图像的分辨率需要和设备的输出分辨率相匹配。当图像的分辨率低于设备的输出分辨率时，输出的图像较为粗糙。而当图像的分辨率高于设备的最高输出分辨率时，就需要将多余的像素进行合并输出，并不会提高输出效果。不同应用对分辨率的需求也不相同，高质量的照片、精美杂志要求图像分辨率高于300ppi，而海报使用72ppi甚至更低就可以满足要求。
　　　
　　　图像大小
　　　图像大小，指的是图像的宽度与高度。它的单位可以是像素或者厘米。当像素数固定时，图像大小和分辨率成反比。我们使用800万像素的相机(3456*2304像素)拍一张照片，按照300ppi的分辨率只能冲印12英寸的照片，按照72ppi的分辨率则可以打印48英寸的海报。
　　　在图像像素数达不到我们要求的图像大小和分辨率时，可以使用插值(interpolation)的方法提高像素数。插值就是根据周围临近像素，在像素之间插入新的像素的方法。插值虽然可以提高像素数，但是会降低图像质量，不同的插值计算方法对图像质量的影响也不一样。在photoshop中更改分辨率和图像大小在“图像”菜单“图像大小”（图4-1-2），推荐使用“两次立方”的图像插值算法。
　　　
　　　图4-1-2 更改图像大小及分辨率

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　　　文件格式
　　　以800万像素的图像为例，RGB真彩模式下每个像素需要24位(bit)，也就是3字节(byte)存储，也就是3456*2304*3字节，需要22.8M字节的空间存储。由此可见在非压缩情况下，图像占用的存储空间是非常巨大的，为了解决图像存储的问题，需要将图像进行压缩处理。同时各个软件公司、相机厂商还往往规定了自己专用的文件格式。常用的图像文件格式有bmp、gif、jpg、psd、png、tif、cr2、nef等。
　　　Bmp是Microsoft Windows的标准位图图像格式，不经过压缩处理。
　　　Gif(Graphics Interchange Format)是一种经过色盘压缩的图形交换格式，这种格式最多只支持256种颜色，还支持透明色和动画，在网络上传输速度较快，广泛应用于网页设计。
　　　Jpg(JPEG, Joint Photographic Experts Group)是目前使用最多的图像格式。它可以提供高倍率的压缩，往往能压缩至原图文件大小的十分之一甚至更多。JPEG格式在压缩时会舍弃一些肉眼不易辨识的数据，使得图像在较小的失真下得以大幅压缩。但由于它是一种破坏性的压缩，所以在压缩率设置过高、重复压缩或者需要对照片进行重新大幅度的编辑（如提亮）等情况下会有较明显的画质损失，使用时需要特别留意。
　　　Psd格式是Adobe Photoshop专用的文件格式，是唯一可以保存所以Photoshop特有的文件信息（如图层、色版、参考线等）及所以颜色模式的格式，如果需要保存图层等信息，就必须保存成Psd格式存储。这种格式不支持压缩，所以在图层数较多时文件体积较大，一般在处理图像过程中存盘时使用。
　　　Png格式是网景公司(Netscape)所发展出来的格式，是为应用网络传输而订制的。它支持全彩图像、存储Alpha色版、无损压缩及制作透明背景的图像。PNG格式可以记录图像的gamma值，使图像在不同平台上获得一致的颜色表现。
　　　Tif格式是一种可以在不同平台间交换数据、适用于排版印刷的格式。是为数不多的支持单色16位色（jpg只支持8位色）的图像格式之一。Tif支持LZW无损压缩，能压缩至原大小的三分之一左右。
　　　
　　　EXIF信息
　　　现代数码相机都支持Exif，Exif是英文Exchangeable Image File(可交换图像文件)的缩写，Exif文件实际是JPEG文件的一种，遵从JPEG标准，只是在文件头信息中增加了有关拍摄信息的内容和索引图。Exif信息包括拍摄时的光圈、快门、白平衡、ISO、焦距、日期时间等各种和拍摄条件以及相机品牌、型号、缩略图等，甚至还有的包括进了拍摄时的声音注释、拍摄位置信息（GPS）等。
　　　目前几乎所有的图像查看程序都支持Exif信息的查看，即便在windows图像的属性信息里，也已经包含了Exif信息。在图片文件上点右键，选“属性”，点击“摘要”页得“高级”按钮（图4-1-3），显示的就是数码图像文件的Exif信息。
　　　
　　　图4-1-3 windows下看出Exif信息
　　　查看数码图像的Exif可以分析照片拍摄时所使用的参数。通过查看优秀作品的Exif参数，你就能了解到作者所处的环境以及拍摄时使用的模式，可以进行针对性的模拟拍摄，从而提高摄影水平，这点对于初学者非常有用。同时，通过查看Exif参数，也可以对自己拍摄的照片在光圈、快门、焦距的运用上有更加直观的了解，从而在以后的拍摄中进行改进，这也是数码照片相对于传统胶片的一个重要优势。
　　　同时很多图像处理软件也会根据Exif信息进行有针对性的优化，例如去噪工具NeatImage可以自动读取Exif信息，并针对拍摄环境自动优化去噪效果。Photoshop的接片程序Photomerge也可以根据Exif对镜头变形进行几何扭曲校正等。
　　　有的图像处理软件不支持Exif，往往编辑后就会丢失Exif或者信息紊乱。而Exif信息也可以通过软件修改，因此查看Exif时需要加以注意。

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　　　2、颜色空间与色彩管理
　　　自然中的颜色与光影千变万化，要用简单的数学参数来定义它们非常困难。这一方面是因为光线和颜色的复杂关系，颜色是眼睛对光波的视觉在大脑产生的一种反应，视觉获得的颜色与光波频率高低不能完全对应；另一方面却是受制于各种显示设备和印刷颜料的实际性能，目前最好的显示设备和印刷材料也只不能完全呈现出人眼所能看见的所有颜色，而不同设备和材料能够表现的色域也不尽相同。
　　　在计算机图像处理中，对图像必须用数据来表示，颜色空间就是用数据表示颜色的方法。对一个颜色的表示，可有多种数据表示模式，即多种颜色空间。常见的颜色模式有：RGB模式、CMYK模式、HSB模式、Lab模式等。
　　　
　　　RGB颜色空间
　　　人眼的视网膜上有三种感色视锥细胞——感红细胞、感绿细胞、感蓝细胞，这三种细胞分别对红光、绿光、蓝光敏感。当色光照射到感色细胞，会引起该感色细胞的兴奋，产生该色彩的感觉。人眼的三种感色细胞，具有合色的能力。当一复色光刺激人眼时，人眼感色细胞可将其分解为红、绿、蓝三种单色光，然后混合成一种颜色。正是由于这种合色能力，我们才能识别除红、绿、蓝三色之外的更大范围的颜色。
　　　RGB颜色空间（图4-1-4）就是依据这一的原理：自然界任何一种颜色均可用红、绿、蓝三种原色光混合匹配产生。我们生活中所有主动发过的显示设备比如电视机、显示器、投影仪等都是基于这个原理。
　　　
　　　图4-1-4 RGB颜色空间
　　　RGB颜色空间采用加法混色法,因为它是描述各种“光”通过何种比例来产生颜色，光线从暗黑开始不断叠加产生颜色。基于RGB模式的普通色彩空间有sRGB, Adobe RGB 和 ProPhoto RGB等。由于不同的设备对同一图像有不同的色彩显示结果，因此RGB颜色空间是与设备相关的色彩空间。
　　　
　　　CMYK颜色空间
　　　CMYK颜色空间描述的是青，品红，黄和黑四种油墨的数值。以打印在纸上的油墨的光线吸收特性为基础。当白光照射到半透明油墨上时，某些可见光波长被吸收（减去），而其他波长则被反射回眼睛。这些颜色因此称为减色。
　　　理论上，青色(C)、品红(M) 和黄色(Y) 色素在合成后可以吸收所有光线并产生黑色。由于所有的打印油墨都存在一些杂质，这三种油墨实际会产生土棕色。因此，在四色打印中除了使用青色、品红和黄色油墨外，还会使用黑色油墨(K)。且CMYK颜色空间与RGB颜色空间一样，均是与设备有关的色彩空间。
　　　
　　　图4-1-5 CMYK颜色空间
　　　
　　　Lab颜色空间
　　　Lab颜色空间（也称为CIE Lab）是当前最通用的测量物体颜色的色空间之一，可广泛应用于所有领域。它是均匀色空间之一，是由CIE在1976年制定的。在这一色空间中，L是亮度，a和b是色度坐标。
　　　
　　　图4-1-6 Lab颜色空间
　　　图4-5所示的为a,b色度图。在这个图上，a和b表示色方向：+a为红色方向，-a为绿色方向，+b为黄色方向，-b为蓝色方向。**为消色区；当a和b值增大时，色点远离中心，色饱和度增大。
　　　CIE LAB这一匀色空间的优点是：当颜色的色差大于视觉的识别阈值（恰可察觉）而又小于孟塞尔系统中相邻两极的色差值时，能较好地反映物体色的心理感受效果。而且，CIELAB表色直观，能直观的评价颜色。又因为CIELAB是与设备无关的色彩空间，在色彩管理中，利用此特性，可沟通和推算出原稿色、屏幕色和印刷色在色空间的对应关系，达到颜色在视觉上的一致，实现不同设备之间的色彩转换。

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　　　颜色空间色域的大小
　　　RGB、CMYK颜色空间都是和设备相关的颜色空间，RGB颜色空间受限于红绿蓝光源的波长，CMYK颜色空间受限于颜料特性及纯度，都不能显示所有人眼可见的色彩。某一颜色模式所涵盖的颜色范围称为色域(Gamut)，各颜色空间的色域见图4-6。
　　　
　　　图4-1-7 CIE1931xy色度图及各色彩空间色域
　　　图4-6是国际照明委员会CIE(Commission International Eclarirage)在1931年公布的色度图。彩色的部分包括了人眼可见的全部色域，白色的三角形区域内是Adobe RGB 1998颜色空间的色域，枣红色的三角形区域内是sRGB颜色空间的色域，蓝色区域是CMYK颜色空间的色域。从图中可以看出，Adobe RGB色域要比sRGB和CMYK大，sRGB色域要比CMYK大。
　　　我们普通的显示器能够显示的色域，基本和sRGB颜色空间色域相当，只有很高端的专业显示器才能完全显示AdobeRGB颜色空间的色域。而印刷设备只能呈现CMYK颜色空间的色域。
　　　在拍摄一些色彩比较鲜艳的对象，例如花卉时，我们就可能会碰到溢色(Out of Gamut)问题的困扰。图4-1-8是一朵鲜艳的芍药花，花瓣呈现饱和度很高的红色，最鲜艳的部分已经超过了sRGB的色域，但是还在AdobeRGB的色域内。在RGB三色模式下不容易看出差别，如果单独查看红色通道，就会发现sRGB有大片的区域红色已经到达最高值255，不能显示高饱和度区域中各种深浅不同的红色的细微差别，丢失了细节。而AdobeRGB则可以准确的将高饱和度区域的细节完整的保留下来。
　　　
　　　图4-1-8 sRGB和AdobeRGB在红色高饱和度区域的表现能力
　　　
　　　颜色空间的选择与转换
　　　在数字图像处理的过程中，往往要进行饱和度的调整，如果调整饱和度时超过了颜色空间的色域，颜色信息将被表示为最高值（8位模式下为255）。如果大量原本颜色不同的区域都被表示为同样的最高值255，那也就意味着细节的丢失。因此在数字图像处理的过程中，应该优先选用色域更大的颜色空间，以防止溢色的发生。推荐在编辑和保存数字图像时使用AdobeRGB颜色空间。
　　　但是图像在网络传播时，网络浏览器和网络用户的显示器能够支持的色域往往大小各异，绝大多数只能支持sRGB色彩空间的色域显示，使用AdobeRGB色彩空间的图片不能被正确的显示，表现为饱和度的降低及细节颜色的改变，甚至在同一台电脑的不同图片查看程序中也会出现类似的问题。为了尽量给受众传递颜色准确的图像，推荐在网络传播数字图像时使用sRGB颜色空间。
　　　简单来说就是数字图像拍摄、保存、编辑时均使用AdobeRGB颜色空间，处理完成，发布到网络时再转换为sRGB颜色空间。
　　　CMYK颜色空间的使用也是类似的原则，需要注意的是不同的印刷机器、不同厂家颜料的CMYK颜色空间也是不相同，因此在图片交给不同的印刷厂家进行印刷时每一次都需要使用厂家的色彩配置文件进行转换，当然这个工作往往是由印刷厂家来完成。
　　　数字图像颜色空间的转换可以使用Photoshop的“转换配置文件”面板（“编辑”菜单——“转换为配置文件”）。图4-1-9是“转换为配置文件”面板，面板中“源空间”即数字图像正在使用的配置文件，“目标空间”为数字图像希望转换为的配置文件。“转换选项”中“引擎”推荐使用“Adobe(ACE)”，“意图”一般用“可感知”即可。
　　　
　　　图4-1-9 转换为配置文件面板

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　　　色彩管理基础知识
　　　你是否有过在自己的电脑上看着挺好的照片，而用别人的电脑查看的效果与之大相径庭的尴尬？你是否有过在彩扩店冲印照片，而每次冲印照片的色彩和反差效果都有所不同的经历？为什么经常会发生这类令摄影师困惑的色彩差异的难题呢？因素很多，其中最根本的原因就是没有对各种不同的设备进行系统、合理地色彩管理。
　　　在照片后期处理的过程中所用到的设备，例如扫描仪、电脑显示器、软件、打印机等，都会对相片的色彩表现和输出效果产生影响，而要统一各种设备呈现或输出的图像色彩，这就是所谓的“色彩管理”。色彩管理的目的是解决图像在各种不同设备色空间之间的转换问题，保证图像的色彩在整个传送和制作过程中失真减小到最低程度。
　　　色彩管理针对不同的设备，有不同的实现方式，简而言之就是针对设备色彩偏差情况，生成有针对性的ICC色彩配制文件，在驱动程序一级加以纠正。比如某CRT显示器红色电子枪功率偏弱5%，导致画面发青，只需要将发送给显示器显示的所有画面的红色增加5%，即可达到理想的显示效果。驱动程序发送给显示器的实际上是一个偏红的画面，而实际编辑、存储的图像仍然保持颜色准确。投影仪、扫描仪、打印机等设备的颜色管理也基本遵循类似的原理。
　　　对某一个设备而言，颜色管理主要有设备校准和偏差纠正两部分。只要知道设备偏差，纠正可以由驱动程序或者运行内存驻留程序完成，困难在于设备的校准。
　　　颜色管理最基础的就是显示器的校准。显示器的校准有多种方法，可以用人眼判断的方法，也可以使用校准设备进行检测。人眼判断的方法有两种，一种是通过屏幕显示校准标准图片（图4-1-10），与颜色准确的打印图片进行比对的方法。另外一种方法是通过目视测试软件，比如Adobe Gamma等进行校准。
　　　
　　　图 4-1-10 屏幕校准标准图片
　　　人眼判断既需要经验也不够精确，尤其在多台设备需要进行颜色管理时。近年来随着摄影师对色彩管理的重视和厂商推出了一些普及型的校准设备，人眼判断校准使用越来越少，例如Adobe Gamma最后的版本还是2000年推出的。显示器校准设备有分光光度计、色度计等用于测量颜色的仪器以及X-rite 公司Eye-One XT/ Eye-One Pro软件和ColorVision的 Spyder2 PRO软件等。
　　　因为任何设备色彩偏移程度都可能因老化、使用环境（比如光线、温度等）的变化而发生改变，所以一般要求非专业用户每一个月进行一次校准，专业用户每周甚至每天都要进行校准。

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