第2章数字图像的基础知识和基本概念.docx
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第2章数字图像的基础知识和基本概念
第2章数字图像的基础知识和基本概念
一、数字图像
数字图像是以二进制数字组形式表示的二维图像。
利用计算机图形图像技术以数字的方式来记录、处理和保存图像信息。
在完成图像信息数字化以后，整个数字图像的输入、处理与输出的过程都可以在计算机中完成，它们具有电子数据文件的所有特性。
通常把计算机图形主要分为两大类：
位图（bitmap）图像和矢量（vector）图形（如图2-1所示）。
图2-1计算机图形的主要分类
1．关于位图图像
（1）概念
位图图像（在技术上称作栅格图像）使用图片元素的矩形网格（像素）表现图像。
每个像素都分配有特定的位置和颜色值。
在处理位图图像时，人们所编辑的是像素。
位图图像是连续色调图像（如照片或数字绘画）最常用的电子媒介，因为它们可以更有效地表现阴影和颜色的细微层次。
（2）分辨率
位图图像与分辨率有关，也就是说它们包含固定数量的像素。
因此，如果在屏幕上以高缩放比率对它们进行缩放或以低于创建时的分辨率来打印它们，则将丢失其中的细节，并会呈现出锯齿，如图2-2所示。
图2-2不同放大级别的位图图像示例
（3）特点
①位图图像有时需要占用大量的存储空间。
对于高分辨率的彩色图像，由于像素之间独立，所以占用的硬盘空间、内存和显存比矢量图都大。
②位图放大到一定倍数后会产生锯齿。
位图的清晰度与像素点的多少有关。
③位图图像在表现色彩、色调方面的效果比矢量图更加优越，尤其在表现图像的阴影和色彩的细微变化方面效果更佳。
④位图的格式有bmp、jpg、gif、psd、tif、png等。
⑤处理软件：
Photoshop、ACDSee、画图等。
2．关于矢量图形
（1）概念
矢量图形（又称矢量形状或矢量对象）是由称作矢量的数学对象定义的直线和曲线构成的。
矢量根据图像的几何特征对图像进行描述。
（2）分辨率
矢量图形是与分辨率无关的，即当调整矢量图形的大小、将矢量图形打印到PostScript打印机、在PDF文件中保存矢量图形或将矢量图形导入到基于矢量的图形应用程序中时，矢量图形都将保持清晰的边缘（如图2-3所示）。
图2-3不同放大级别的矢量图形示例
（3）特点
①矢量图形可以任意放大和缩小，图形不模糊，不会丢失细节或影响清晰度，不会产生锯齿效果。
因此，对于将在各种输出媒体中按照不同大小使用的图稿（如徽标），矢量图形是最佳选择，常用于标志设计、VI设计、字体设计等。
②矢量图形中保存的是线条和图块的信息，所以矢量图形文件与分辨率和图像大小无关，只与图像的复杂程度有关，图像文件所占的存储空间较小。
③可采取高分辨率印刷。
矢量图形文件可以在任何输出设备（如打印机）上以打印或印刷的最高分辨率进行打印输出。
④矢量图可以作为图像元素导入Photoshop里使用，它会很好地适应于导入图像的分辨率。
⑤在Photoshop里的一些矢量工具，比如：
钢笔（路径）、文字、形状等在图像处理和创意中都发挥着重要的作用。
3．像素
（1）像素定义
像素（Pixel）是用来计算数字图像的一种单位。
数字图像连续性的浓淡阶调是由许多色彩相近的小方点组成，这些小方点就是构成数字图像的最小单位“像素”。
越高位的像素，其拥有的色板也就越丰富，越能表达颜色的真实感。
人们也经常用点来表示像素，因此PPI有时缩写为DPI（dotsperinch）。
用来表示一幅图像的像素越多，结果就更接近原始的图像，即图像的精度越高。
（2）关于像素的扩展
①像素的表示
a．用一个数表示，例如一个“0.3兆像素”数码相机，它有额定30万像素；
b．用一对数字表示，例如“640×480显示器”，它有横向640像素和纵向480像素（就像VGA显示器那样），因此其总数为640×480=307200像素。
②彩色采样点
数字化图像的彩色采样点（例如网页中常用的JPG文件）也称为像素。
取决于计算机显示器，这些可能不是和屏幕像素一一对应的。
在这种区别很明显的区域，图像文件中的点更接近纹理元素。
③位图
在计算机编程中，像素组成的图像叫位图或者光栅图像。
位图化图像可用于编码数字影像和某些类型的计算机生成艺术。
简单说来，像素就是图像的点的数值，点画成线，线画成面。
图片的清晰度不仅仅是由像素决定的（如图2-4所示）。
图2-4构成影像的最小单位——像素直观图
（3）大约数值
相机的像素是最大像素的意思，像素是分辨率的单位，这个像素值是相机所支持的有效最大分辨率。
如下所列是一些常见的像素值：
30万640×480
50万800×60080万1024×7685″（3.5×5英寸）
130万1280×9606″（4×6英寸）
200万1600×12008″（6×8英寸5″（3.5×5英寸）
310万2048×153610″（8×10英寸）7″（5×7英寸）
430万2400×180012″（10×12英寸）8″（6×8英寸）
500万2560×192012″（10×12英寸）8″（6×8英寸）
600万3000×200014″（11×14英寸）10″（8×10英寸）
800万3264×248816″（12×16英寸）10″（8×10英寸）
1100万4080×272020″（16×20英寸）12″（10×12英寸）
1400万4536×302424″（18×24英寸）14″（11×14英寸）
（4）单位
当图片尺寸以像素为单位时，每一厘米等于28像素，比如15×15厘米大小的图片，等于420×420像素（如图2-5所示）。
图2-5（A）是图片的原始大小和分辨率；图2-5（B）是降低分辨率而不改变像素数量（不重定图像像素）；图2-5（C）是降低分辨率而保持相同的文档大小将减少像素数量（重定图像像素）。
图2-5像素大小等于文档输出大小乘以分辨率
4．分辨率
分辨率是度量位图图像数据量多少的一个参数，通常表示为像素/英寸（PixelPerInch，PPI）和点/厘米（PixelPerCentimeter，PPC）。
简单地说，分辨率是指数字图像中单位平方英寸内像素数量的多少。
分辨率越高，像素就多，图像包含的数据就越多，文件的体量（size）就越大，越能表现更丰富的细节。
（1）图像分辨率
①概念
图像分辨率指图像中存储的信息量（如图2-6所示）。
这种分辨率有多种衡量方法，典型的是以像素/英寸来衡量，也有以像素/厘米来衡量的。
图2-6两幅相同的图像，分辨率分别为72ppi和300ppi，套印缩放比率为200%
②图像分辨率和文件大小
图像分辨率以比例关系影响着文件的大小，即文件大小与其图像分辨率的平方成正比。
如果保持图像尺寸不变，将图像分辨率提高一倍，则其文件大小增大为原来的四倍。
（2）显示器分辨率
如图2-7所示，显示器分辨率指屏幕图像的精密度，测量单位是像素/英寸。
屏幕上的点、线和面都是由像素组成的，显示器可显示的像素越多，画面就越精细，同样的屏幕区域内能显示的信息也越多。
图2-7在不同大小和分辨率的显示器上显示的620×400像素的图像
（3）打印机分辨率
打印机分辨率又称为输出分辨率，是指在打印输出时横向和纵向两个方向上每英寸最多能够打印的点数，通常也以DPI表示。
打印机分辨率的这个数越大，表明图像输出的色点越小，输出的图像效果就越精细。
打印机色点的大小只同打印机的硬件工艺有关，与要输出图像的分辨率无关。
不同打印机分辨率如图2-8所示。
图2-8（A）是粗糙网屏，通常用于印刷快讯和赠券，65lpi；图2-8（B）是一般网屏，通常用于印刷报纸，85lpi；图2-8（C）是高品质网屏，通常用于印刷四色杂志，133lpi；图2-8（D）是超精细网屏，通常用于印刷年度报表和艺术书籍中的图像，177lpi。
图2-8关于不同打印机分辨率的示例
（4）网屏频率
①概念
“网屏频率”是在商业印刷领域出现的专业词汇。
在传统商业印刷制版过程中，制版时要在原始图像前加一个网屏，这一网屏由呈方格状的透明与不透明部分相等的网线构成。
这些网线也就是光栅，其作用是切割光线解剖图像。
光线通过网线后，形成了反映原始图像影像变化的大小不同的点，这些点就是半色调点，一个半色调点最大不会超过一个网格的面积。
②表示
网线越多，表现图像的层次越多，图像质量也就越好。
因此在商业印刷行业中，分辨率以每英寸上等距离排列多少条网线即LPI（LinesPerInch）表示。
（5）扫描分辨率
①概念
扫描分辨率指在扫描一幅图像之前所设定的分辨率，用DPI来表示。
扫描分辨率影响所生成的图像文件的质量和使用性能，决定了图像将以何种方式显示或打印，DPI值越大，扫描的效果也就越好。
②扫描图像分辨率的确定
大多数情况下，扫描图像是为了通过高分辨率的设备输出。
如果图像扫描分辨率过低，会导致输出的效果非常粗糙。
但如果扫描分辨率过高，数字图像中会产生超过打印所需要的信息，不但减慢打印速度，而且会在打印输出时丢失图像色调的细微过渡。
一般情况下，图像分辨率应该是网屏分辨率的2倍，这是目前中国大多数输出中心和印刷厂都采用的标准。
然而实际上，图像分辨率应该是网屏频率的1.5倍。
关于这个问题有一定的争议，具体到不同的图像本身，情况会各不相同。
③扫描仪分辨率的判断
判断扫描仪的分辨率要从三个方面来确定：
光学部分、硬件部分和软件部分。
即扫描仪的分辨率等于其光学部件的分辨率加上其自身通过硬件及软件进行处理分析所得到的分辨率：
a．光学分辨率
扫描仪的光学部件在每平方英寸面积内所能捕捉到的实际光点数，是指扫描仪CCD的物理分辨率，也是扫描仪的真实分辨率，它的数值是由CCD的像素点除以扫描仪水平最大可扫尺寸得到的数值分辨率为1200DPI的扫描仪，其光学部分的分辨率只占400~600DPI。
b．扩充分辨率
扩充部分的分辨率是通过计算机对图像进行分析，对空白部分进行科学填充所产生的（由硬件和软件所生成，这一过程也叫“插值”处理）。
光学扫描与输出是一对一的，扫描到什么，输出的就是什么，但经过计算机软硬件处理之后，输出的图像就会变得更逼真，分辨率会更高。
5．图像的格式
图像格式即图像文件存放的格式，通常有JPEG、TIFF、RAW、BMP、GIF、PNG等。
它是文件编码类型、文件的结构。
常用的图像文件格式有以下几种：
（1）主流图片格式
①JPEG2000格式
JPEG2000是JPEG的升级版，也被称为“ISO15444”，与JPEG相比，它是具备更高压缩率以及更多新功能的新一代静态影像压缩技术。
a．优点
JPEG2000同时支持有损和无损压缩、能实现渐进传输、支持“感兴趣区域”特性，即可以任意指定影像上你感兴趣区域的压缩质量，还可以选择指定的部分先解压缩，与JPEG相比优势明显，且向下兼容。
b．应用
JPEG2000可应用于传统的JPEG市场，如扫描仪、数码相机等，亦可应用于新兴领域，如网络传输、无线通信等。
②TIFF格式
TIFF（TagImageFileFormat）是Mac中广泛使用的图像格式。
a．优点
TIFF图像格式复杂、存储信息多。
它存储的图像信息非常多，图像的质量高，有利于原稿的复制。
该格式有压缩和非压缩两种形式。
b.缺点
由于TIFF格式结构较为复杂，兼容性较差。
c．应用
TIFF是印刷的印前使用最广泛的图像文件格式之一。
③PSD格式
a．概念
PSD格式是Adobe公司图像处理软件Photoshop的专用格式，只能在Photoshop程序中打开。
b．优点
在Photoshop所支持的各种图像格式中，PSD的存取速度比其他格式快很多，功能也很强大。
④PNG格式
PNG（PortableNetworkGraphics）是一种新兴的网络图像格式。
a．优点
PNG是目前保证最不失真的格式，存储形式丰富，兼有GIF和JPG的色彩模式；能把图像文件压缩到极限以利于网络传输，但又能保留所有与图像品质有关的信息；显示速度快；支持透明图像的制作。
b．缺点
PNG的缺点是不支持动画应用效果。
（2）其他非主流图像格式
①PCX格式
PCX格式是一种经过压缩的格式，占用磁盘空间较少并且具有压缩及全彩色的能力。
不过现在已经不太流行。
②EMF格式
EMF（EnhancedMetafile）是微软公司为了弥补WMF的不足而开发的一种Windows32位扩展图元文件格式，也属于矢量文件格式，其目的是欲使图元文件更加容易接受。
③FLIC（FLI/FLC）格式
FLIC格式由Autodesk公司研制而成，FLIC是FLC和FLI的统称。
FLI是最初的基于320×200分辨率的动画文件格式，而FLC则采用了更高的压缩比，其分辨率也有了不小提高。
④EPS格式
EPS（EncapsulatedPostScript）是PC机用户较少见的一种格式，而苹果Mac机的用户则用得较多。
它是用PostScript语言描述的一种ASCII码文件格式，主要用于印前的排版、打印等输出工作。
⑤TGA格式
TGA（TaggedGraphics）文件是由美国Truevision公司为其显示卡开发的一种图像文件格式，已被国际上的图形、图像工业所接受。
TGA的结构比较简单，属于一种图形、图像数据的通用格式，在多媒体领域有着很大影响，是计算机生成图像向电视转换的一种首选格式。
6．矢量图形和位图图像运用
（1）区别
位图和矢量图是计算机图形中的两大概念，这两种图形都被广泛应用到出版、印刷、互联网等各个方面，它们各有优缺点。
（2）各自的优缺点
①位图
色彩变化丰富，编辑上可以改变任何形状的区域的色彩显示效果。
相应地，要实现的效果越复杂，需要的像素数越多，产生的图像文件越大。
②矢量图
轮廓的形状更容易修改和控制，但是对于单独的对象，色彩上变化的实现不如位图来得方便直接。
另外，很多矢量图形都需要专门设计的程序才能打开、浏览和编辑。
（3）结合应用
①在文档中的应用
在文档中组合矢量图形和位图图像时，图片在屏幕上的外观并不一定是其在最终媒体中的外观。
②矢量图和位图的转化及结合
矢量图可以很容易地转化成位图，但是位图转化为矢量图却并不简单，往往需要比较复杂的运算和手工调节。
矢量和位图在应用上也是可以相互结合的。
③绘图软件和文件格式
根据位图和矢量图形的不同特点，常用的位图绘制软件有AdobePhotoshop、CorelPainler等，对应的文件格式为（.psd、.tif）、.rif等，另外还有.JPg、.gif、.png、.bmp等。
常用的矢量绘制软件有AdobeIllustrator、CorelDraw、Freehand、Flash等，对应的文件格式为（.ai、.eps）、（.cdr）、（.fh）、（.fla、.swf）等，另外有.dwg、.wmf、.emf等。
二、获取静态数字图像的方式
静态数字图像的获取为进行计算机图像编辑提供了最基本的素材和原料，主要的获取方式主要分为以下四类：
1．由专业程序创建
利用现有的计算机图形图像软件可以绘制出许多的图像，以Photoshop为例，可以利用其绘制大量的图像，如图2-9所示。
图2-9由专业程序PhotoshopCS5创意图像示意图
2．数码摄影、摄像机拍摄
利用先进的数码摄影、摄像设备进行拍摄同样可以为我们提供大量的静态数字图像。
如图2-10所示。
图2-10数码相机拍摄创建图像示意图
3．扫描
扫描是一种快捷获取图像的方式。
将已有的图像放入扫描设备中，很快就可以获取相应的静态数字图像。
4．利用网络或现有的数字图像资源
可以通过访问网络图库或者是网上图书馆来便捷地获取海量的数字图像资源。
比较大的网上数字图库有XX图片等。
三、理解色彩及基本配色原理的基本概念
1．颜色的深度
（1）颜色深度
颜色深度（ColorDepth）（如图2-11所示）是最多支持多少种颜色，是用来度量图像中有多少颜色信息可用于显示或打印像素，其单位是“位（Bit）”，所以颜色深度有时也称为位深度。
图2-11颜色深度示意图
色彩深度是用“n位颜色”（n-bitcolor）来说明的。
若色彩深度是n位，即有2n种颜色选择，而储存每像素所用的位数就是n。
常见的有：
1位：
2种颜色，单色光，黑白二色。
2位：
4种颜色，CGA。
3位：
8种颜色，用于大部分早期的计算机显示器。
4位：
16种颜色，用于EGA及不常见及在更高的分辨率的VGA标准。
8位：
256种颜色，用于最早期的彩色Unix工作站，低分辨率的VGA，SuperVGA，AGA，colorMacintosh。
灰阶，有256种灰色（包括黑白）。
若以24位模式来表示，则RGB的数值均一样，例如（200，200，200）。
16位：
65536种颜色，用于部分colorMacintosh。
24位：
16777216种颜色，真彩色，能提供比肉眼能识别更多的颜色，用于拍摄照片。
（2）显示器的“颜色深度”
颜色深度可以看作是一个调色板，它决定了屏幕上每个像素点能支持多少种颜色。
由于显示器中每一个像素都用红、绿、蓝3种基本颜色组成，像素的亮度也由它们控制，通常色深可以设为4bit、8bit、16bit、24bit。
色深位数越高，颜色就越多，所显示的画面色彩就越逼真。
但是颜色深度增加时，也加大了图形加速卡所要处理的数据量。
（3）高动态影像的“颜色深度”
高动态范围影像（HighDynamicRangeImage）使用的是超过一般的256色阶来储存影像，通常来说每个像素会分配到32+32+32个位来储存颜色信息，也就是说对于每一个原色都使用一个32bit的浮点数来储存。
（4）数码相机的“颜色深度”
在数码相机中，色彩深度又称为色彩位数，它是用来表示数码相机的色彩分辨能力的。
红、绿、蓝三个颜色通道中每种颜色为n位的数码相机，总的色彩位数为3n，可以分辨的颜色总数为2的3n次方。
数码相机的色彩位数越多，意味着可捕获的细节数量也越多。
2．色彩模型和模式
（1）色彩模型
用于描述在数字图像中看到和使用的颜色。
每种色彩模型（如RGB、CMYK或HSB）分别表示用于描述颜色的不同方法（通常是数字）。
（2）色彩空间
是另一种形式的颜色模型，它有特定的色域（范围）。
每台设备（如显示器或打印机）都有自己的色彩空间并只能重新生成其色域内的颜色。
（3）色彩模式
①在Photoshop中，文档的色彩模式决定了用于显示和打印所处理的图像的色彩模型。
Photoshop还包括用于特殊色彩输出的色彩模式，如索引颜色和双色调。
②色彩模式决定图像的颜色数量、通道数量以及文件大小。
③选取色彩模式操作决定了可以使用哪些工具和文件格式。
④处理图像中的颜色时，将会调整文件中的数值。
可以简单地将一个数字视为一种颜色，但这些数字本身并不是绝对的颜色，而只是在生成颜色的设备的色彩空间内具备一定的颜色含义。
3．色域
（1）色域简介
色域是对一种颜色进行编码的方法，也指一个技术系统能够产生的颜色的总和。
在计算机图形处理中，色域是颜色的某个完全的子集。
颜色子集最常见的应用是用来精确地代表一种给定的情况，例如一个给定的色彩空间或是某个输出装置的呈色范围（如图2-12所示）。
图2-12色域示意图
（2）色彩表现的局限性
绝大多数系统的色域都是由于很难生成单色（单波长）的光线所导致的：
①激光
最好的接近单色光的技术是激光。
②近似的表示方法
大多数系统都是用大致近似的方法表示高度饱和的颜色，这些光线通常包含所期望的颜色之外的多种颜色。
③加色色彩处理
使用加色色彩处理的系统通常在色域饱和平面上大致是一个凸多边形。
多边形的顶点是系统能够产生的最饱和的颜色。
④减色色彩系统
在减色色彩系统中，色域经常是不规则区域。
（3）各种颜色系统的比较
①激光视频投影机
其理论依据是激光是真正的单原色。
激光视频投影机使用三束激光在如今实用的显示设备中产生较宽色域。
②底片
底片是最好的检测、重现色彩的系统之一。
电影院中的电影与家庭影院之间的色彩质量不同，是因为电影胶片的色域要远大于电视的色域。
③激光放映
使用激光产生非常接近单色的光线，这样就可以产生远远超出其他系统的色饱和度。
但是，这种方法很难通过色域的合成产生饱和度较低的其他颜色。
另外，这样的系统非常复杂、昂贵，不适于通常的视频放映。
④CRT（阴极射线管）显示器
CRT及类似的显示器都有一个大致为三角形的能够覆盖可见色彩空间大部分的色域。
CRT显示器的色域受限于产生红色、绿色、蓝色光线的荧光物质。
除了显示器本身之外，显示实际的图像的时候，通常还受限于如数码相机、扫描仪等设备中的色彩传感器的质量。
⑤液晶显示器（LCD）
液晶显示器（LCD）的屏幕通过对背光进行过滤进行显示。
因此LCD的色域完全取决于背光的光谱。
通常，LCD显示器使用荧光灯作为背光，而荧光灯的色域通常比CRT显示器要小很多。
一些使用发光二极管（LED）的LCD显示器则比CRT的色域更加宽广。
⑥电视系统
电视机通常使用CRT显示器但是由于广播系统的限制，电视系统并没有充分利用CRT显示器的优点。
高清电视相对来说效果要远远好于普通的电视，但是仍然比使用同样显示技术的计算机显示差。
⑦印刷系统
印刷过程中通常使用CMYK色彩空间（青色C、品红M、黄色Y与黑色K）。
在极少数印刷系统中不使用黑色，但是在表现低饱和度、低亮度颜色的时候效果不好。
通过添加基本颜色之外的其他颜色来扩展印刷过程的色域。
⑧单色显示器
单色显示器的色域是色彩空间中的一条一维曲线。
4．颜色通道
（1）基本定义
保存图像颜色信息的通道称为颜色通道，是将构成整体图像的颜色信息整理并表现为单色图像的工具。
（2）用法简介
①图像的颜色通道
每个图像都有一个或多个颜色通道，图像中默认的颜色通道数取决于其色彩模式，即一个图像的色彩模式将决定其颜色通道的数量。
在默认情况下，位图模式、灰度、双色调和索引颜色图像只有一个通道，RGB和Lab图像有3个通道。
②颜色元素
每个颜色通道都存放着图像中颜色元素的信息。
所有颜色通道中的颜色叠加混合产生图像中像素的颜色。
RGB模式图像的颜色通道如图2-13所示。
图2-13RGB颜色通道示意图
5．Photoshop的色彩模式
在数字图像中，将图像中各种不同的颜色组织起来的方法，称之为色彩模式。
色彩模式决定着图像以何种方式显示和打印、制作各种精美的图像或者用于各种输出的稿件。
色彩模式除了决定图像中可以显示的颜色数目外，还会直接决定图像的通道数量和图像的大小。
在Photoshop中常见的色彩模式有：
（1）常见色彩模式
①RGB模式
RGB模式是基于自然界中三种基色光的混合原理，将红（R）、绿（G）和蓝（B）三种基色按照从0（黑）到255（白色）的亮度值在每个色阶中分配，从而指定其色彩。
当不同亮度的基色混合后，便会产生出256×256×256种颜色，约为1670万种。
RGB模式产生颜色的方法又被称为色光加色系统。
在Photoshop中RGB模式支持所有的工具和命令，所以也把它称为Photoshop的工作模式。
②CMYK模式
CMYK色彩模式是一种印刷模式。
其中四个字母分别指青（Cyan）、洋红（Magenta）、黄（Yellow）、黑（Black），在印刷中代表四种颜色的油墨。
CMYK模式所包含的颜色最少。
CMYK模式产生颜色的方法又被称为色光减色系统。
③HSB模式
HSB模式是基于人眼对色彩的观察来定义的。
在此模式中，所有
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