淺談圖像處理教學(xué)中的色彩定量分析論文
摘要：數(shù)碼相片在屏幕顯示與實(shí)際輸出是不同的色彩體系。使得人們?cè)趯?shí)際操作中產(chǎn)生錯(cuò)覺(jué)；RGB、CMY、HSB色彩表示方法與傳統(tǒng)的色彩理論：Ostwald、Munsell和CIE怎樣在現(xiàn)代圖形圖像軟件中能有機(jī)的結(jié)合?使得數(shù)碼影像的調(diào)校更加科學(xué)、合理。
關(guān)鍵詞：數(shù)碼相片；色彩體系；色彩數(shù)字化；數(shù)字窗口；處理方法
數(shù)碼相機(jī)成像原理就是光電效應(yīng)，目前市場(chǎng)上常見(jiàn)數(shù)碼相機(jī)的成像器件有CCD(電荷偶合器件)和CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)兩種，CCD或CMOS負(fù)責(zé)把鏡頭照到它上影像按三基色分別轉(zhuǎn)換為電荷，再通過(guò)模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(A／D)芯片轉(zhuǎn)換成RGB(紅、綠、藍(lán))數(shù)字信號(hào)，然后將信號(hào)送到處理器(DSP)處理，最后存儲(chǔ)到存儲(chǔ)卡上的是一幅由RGB數(shù)字(0-255)描述的點(diǎn)陣(像素)二維圖。同理，掃描儀所得數(shù)碼影像也是雷同：所以，處理數(shù)碼相片或數(shù)碼影像實(shí)質(zhì)上就是分析和處理RGB數(shù)字信號(hào)。
在處理數(shù)碼影像時(shí)我們大多數(shù)是以電腦的顯示屏所顯示的效果為參照：筆者認(rèn)為屏顯是一種感性的帶有不確定性，屏幕所顯示色彩效果既不是數(shù)碼相片的本身效果，也不是打印或沖印出來(lái)的實(shí)際效果。現(xiàn)在我們來(lái)分析一下原因：
(1)色彩體系定義不同：RGB是色光加色體系。也是電腦屏幕的顯色體系；而打印或沖印是CMY(品、青、黃)染料減色體系，RGB體系的色域是2563=16，777，216種顏色而CMY體系的色域是1013=1，010，301種顏色，所以在電腦屏幕上所能顯示的色彩從理論上講只有近1／16能顏色染料打印或沖印出來(lái)。
(2)電腦屏幕顯色調(diào)校不同：不同顯卡和不同的品牌的顯示器再加不同的用戶偏好，可以說(shuō)相同的數(shù)碼影像在不同的電腦顯示器上顯示效果都不一樣。
色彩表示體系有Ostwald、Munsell和CIE、日本色彩研究所等四種，皆是以三個(gè)數(shù)字(RGB、CMY、HSB、lab)來(lái)表示某一色彩。適用于染色物、涂裝物、陶瓷物等類均一表面色的物品，不能表現(xiàn)透明、半透明的顏色。
數(shù)碼影像在相機(jī)或電腦顯示屏上顯示屬于RGB方式涂裝(主動(dòng)發(fā)光)，打印或沖印出來(lái)的相片屬于CMY方式的染色(被動(dòng)反光)。
所以筆者認(rèn)為在數(shù)碼相片處理中應(yīng)該以顯示的色彩數(shù)字(RGB、CMY、HSB、lab)為標(biāo)準(zhǔn)，而不是我們所看到的屏顯視覺(jué)效果；現(xiàn)在關(guān)鍵的問(wèn)題在于：如何利用軟件所顯示的色彩數(shù)字來(lái)處理數(shù)碼相片，傳統(tǒng)的色彩表示法中的不同的色彩體系為我們提供了理論基礎(chǔ)，下面就以常用的Adobe Photosho為例來(lái)一一舉例分析說(shuō)明。
在拍攝過(guò)程中，由于種種原因使得所拍攝的影像存在或多或少的不足，特別是在曝光上存在誤差會(huì)使得影像在明度、色彩及反差等方面都沒(méi)有正確還原景物的本來(lái)面目。
(1)修正曝光誤差：即調(diào)整影像色階：Adobe Photoshop中的Ctrl+L
色階是表示圖像亮度強(qiáng)弱的指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也就是我們說(shuō)的色彩指數(shù)。圖像的色彩豐滿度和精細(xì)度是由色階決定的。色階指亮度，和顏色無(wú)關(guān)。但最亮的只有白色，最不亮的只有黑色。色階表現(xiàn)了一副圖的明暗關(guān)系。如：24位色的RBG空間數(shù)字圖像，其每個(gè)單色為8位，數(shù)字分布用28(即256)個(gè)梯階表示紅藍(lán)綠，每個(gè)顏色的取值都是0－255，理論上共有256～256x256種顏色。色階圖只是一個(gè)直方圖。用橫坐標(biāo)標(biāo)注質(zhì)量特性值，縱坐標(biāo)標(biāo)注頻數(shù)或頻率值。各組的頻數(shù)或頻率的大小用直方柱的高度表示的圖形：可將各種類型的數(shù)據(jù)繪制成此圖表。在數(shù)字圖像中，色階圖是說(shuō)明照片中像素色調(diào)分布的圖表，是可以在后期重新構(gòu)建影像的明暗關(guān)系。
在圖像處理中，調(diào)節(jié)色階(level)實(shí)質(zhì)就是通過(guò)調(diào)節(jié)直方圖來(lái)調(diào)節(jié)不同像素值的大小來(lái)改進(jìn)圖像的明暗層次效果。色階所表示的是表示色彩分布(0－255)關(guān)系；分為：全色RGB(明度)分布(0－255)，紅色R分布(0－255)，綠色G分布(0－255)，藍(lán)色B分布(0－255)。
奧斯特瓦爾德從染料(顏料)反光的物理特性指出，一切色彩均為純色加黑加白混合而成。顏料染色物的純白實(shí)際上并非真正的白，真正的白是光源發(fā)出的光線；顏料染色物的最高純白只有光源純白的89％，也就是含有11％的黑：同樣顏料染色物的最低的純黑也不是真正的黑得來(lái)什么也看不見(jiàn)，而是含有3.5％的白。本人認(rèn)為，奧斯特瓦爾德色立體理論在相片影像黑白明度層次表現(xiàn)中。可以通俗地理解為：當(dāng)影像中的高光的RGB值超過(guò)255的89％、暗調(diào)的RGB值低于255的3.5％時(shí)，在RGB顯色體系狀態(tài)(屏幕)下的是有區(qū)分(層次)的；但在CMY染色體系狀態(tài)(輸出影像)下是沒(méi)有區(qū)分(層次)的。深層次的原因是由于二大體系色域的不同。
所以，在調(diào)校色階時(shí)，應(yīng)將高光控制在255的89％即220～235以下，暗調(diào)控制在255的3.5％即8～11以上。這樣調(diào)校完成后的影像的輸出(打印或沖印)效果與顯示效果差距很小。(2)修正*色(色彩平衡)：也就是調(diào)校：AdobePhotoshop中的Ctrl+B 色溫平衡指的是組成影像的三基色與三原色對(duì)應(yīng)平衡比例關(guān)系。導(dǎo)致影像*色的原因很多：曝光誤差、白平衡誤差、環(huán)境色等。問(wèn)題的關(guān)鍵是你怎樣確定是否*色?偏了多少?是怎樣偏的?由于前面所講原因。單從屏幕顯示上是無(wú)法進(jìn)行定量調(diào)校的。
按照1802年。Thomas Young提出了RGB三基色(Three Primary Colors)的概念：白=228R+228G+228B，黑=28R+28G+28B，灰=128R+128G+128B，也就是說(shuō)無(wú)論是黑、白、灰，其構(gòu)成的三基色RGB都應(yīng)該是等量的：如果影像中的黑白灰中的RBG不等量就是說(shuō)這幅影像存在*色。尤其是在這點(diǎn)上在屏顯視覺(jué)上是無(wú)法做到的。
所以找到畫面中的絕對(duì)黑、白點(diǎn)來(lái)對(duì)比調(diào)校才是校色的關(guān)鍵。如頭發(fā)、明顯的白色物體等，另外在調(diào)校影像時(shí)一定要打開(kāi)Adobe Photoshop中的“信息”窗口。調(diào)校色彩平衡的方法與步驟：
A：打開(kāi)Adobe Photoshop中的“信息”窗口。
B：按Ctd+B，在彈出的對(duì)話框中先選“高光”。
C：將鼠標(biāo)放在影像中的“擬定的白色”處。
D：以顯示的'RGB數(shù)值中的中間值為基礎(chǔ)，加或減別外兩個(gè)值：使RGB三個(gè)值一樣。按Enter鍵確定。
E：同理再按Ctrl+B，在彈出的對(duì)話框中先選“暗調(diào)”，重復(fù)B、C、D，調(diào)“擬定的黑色”。 一般不調(diào)中間調(diào)(灰)，主要是不好找(不好決定)哪個(gè)地方是純灰。
(3)調(diào)整影像的亮度與對(duì)比度
對(duì)比度就是指反差：影像的明暗對(duì)比及影調(diào)關(guān)系。在前面的調(diào)校中，調(diào)整色階好像也調(diào)整了亮度，但意義不同：
色階修正的是曝光：分別調(diào)整的是：暗部／亮部／ 中間調(diào)(18％標(biāo)準(zhǔn)反光率)的亮度是否標(biāo)準(zhǔn)。
而亮度，對(duì)比度中調(diào)整“亮度”是整體(全畫面)的亮度值B(HSB中的B)，“對(duì)比度”調(diào)整的是亮部與暗部的對(duì)比關(guān)系。
在這項(xiàng)調(diào)整中，同樣以?shī)W氏色彩理論為依據(jù)：最高的“白”RGB值是不大于227，最低的“黑”RGB值是不小于9。
如果影像的反差過(guò)大或亮部與暗部比例太大；可通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整“高光與暗調(diào)”來(lái)解決(8.0版本以上)。
(4)調(diào)整色彩的飽和度：也就是調(diào)校：Adobe Photoshop中的Ctrl+U。
在調(diào)整色相和飽和度中，可調(diào)整整體也可單獨(dú)調(diào)整某一個(gè)單色：紅、黃、綠、青、藍(lán)、品(洋紅)。
在這項(xiàng)調(diào)整中，也要打開(kāi)Photoshop中的信息窗口，把信息右方顯示方式從RGB切換成HSB。
在前面的調(diào)校中，影像的整體H色相、B明度均已做好調(diào)校。在該項(xiàng)調(diào)校中主要針對(duì)三原色(RGB)和三基色(CMY)中的任意一個(gè)單獨(dú)的強(qiáng)調(diào)(夸張)或改相(色彩傾向)；而不會(huì)影響其它5個(gè)色彩。
在CIE顯色體系中，所有的色彩純度S都可達(dá)到100％，但是，染料的最大純度是按孟塞爾色彩體系中色樹(shù)排列的：紅HOS91％B93％、橙H33 S95％B97％、黃H57 S100％B100％、綠H120 S57％B75％、藍(lán)H2A0S63％B60％、紫H285 S74％B50％。也就是說(shuō)各種色彩能輸出的最高純度是各不相同的，也沒(méi)有一定的規(guī)律性。
所以在調(diào)校色彩純度時(shí)，要看是否超越了染料的色域，如果上世紀(jì)80年代前只能是查1974年美國(guó)版本、厚達(dá)40頁(yè)《孟塞爾顏色圖冊(cè)》，包括1450塊顏色樣品及37塊中性色樣品。好在數(shù)字化時(shí)代的今天，Adobe公司已在Photoshop的拾色器中輸入了所有的孟塞爾顏色數(shù)據(jù)，超出了《孟塞爾顏色圖冊(cè)》的顏色都有警告提示。
當(dāng)用吸管工具吸取已調(diào)好的某一色彩時(shí)，點(diǎn)擊拾色器：如出現(xiàn)警告提示則說(shuō)明超越了輸出色域。
從1666牛頓發(fā)現(xiàn)光的色散、1802年，Thomas Younz提出了RGB三基色到1905年Albea H.Munsell建立孟塞爾顏色系統(tǒng)(Munsell color systeml，和1914年，Wilhelm Ostwald推出了奧斯特瓦德顏色系統(tǒng)，1931年國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)定義了標(biāo)準(zhǔn)顏色體系：現(xiàn)在大家熟悉的CIE色度圖(CIE chromaticity diagram)為大多數(shù)定量的顏色度量方法奠定了基礎(chǔ)。
現(xiàn)代數(shù)字化色彩正是以此為基礎(chǔ)，但由于屏幕顯示與實(shí)際輸出是不同的色彩體系，使得人們?cè)趯?shí)際操作中產(chǎn)生錯(cuò)覺(jué)：怎樣把傳統(tǒng)的經(jīng)典色彩理論與現(xiàn)代的數(shù)字色彩表示方法相結(jié)合，是影像工程、圖形圖像等專業(yè)的色彩工作者需要進(jìn)一步探討的新領(lǐng)域。
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