关于图像处理中所涉及到的一些边缘概念及名词解析

在论坛上回答网友的问题,经常会遇到诸如"如何才能改变图片的分辨率?'或者"怎么才在我的软件中做到象PHOTOSHOP中那样设置图片分辨率阿?'等等诸如此类的问题.
相信很多即使是图像编程和API用得滚瓜烂熟的老鸟也不一定真正能明白这些东西的实际含意和用处. 暂借此文来为大家做一个简明的概括, 以帮助大家对这些概念的理解.
 
 
假设:本文中所说的"图片"均指位图,BMP,JPG,GIF,TIFF...,不包括矢量图,矢量图没有分辨率的概念.
 
1: 分辨率&解析度
我们经常会说一个图片的分辨率是多少多少,比如用130万像素的摄像头拍了张自拍头像,那么这个图片的"分辨率"就是130万. 用800万像素拍的照片,"分辨率:也就是800万等等.
这里所谓的130万和800万,都是指像素,也就是"点",数码相机也好摄像头也好,其镜头无非是CCD或CMOS感光,每一组感光单元构成了一个像素, 130万像素的摄像头包含了130万组感光单元,因此拍到的照片也就不会超过130万个像素. 130万像素的图片基本上大小等同于一个1240X1024的显示器幅面所能正常显示的区域了.
请注意,上文中我在分辨率一词上打了双引号,这是因为实际上这个词用在这里是错误的.
更确切的用法应该是"像素值"或"像素量"等等.
电视机有个参数叫做"解析度"或者叫"线数",这两个说法实际上要比我们用来称呼显示器的所谓"分辨率"来得更恰当.因为"解析度"或者"线数"只说明它对显示区域的分割程度,而不论其显示面积的大小是多少.
 
所谓的"分辨率",实际上是一个被大多数人误解了的概念.
因为分辨率的真实含意是指每单位长度上包含的点的数量,数量单位为:DPI,即:DOT PER INCH,翻译过来就是:每英寸所包含的点. 有人要问了,这一英寸是多少捏? 大约是25.4毫米,
又有人要问了,为什么不用公制的厘米或米来做单位呢? 没办法,这玩意儿是老美搞出来滴,这个国家滴人民至今扔生活在原始社会捏,长度单位用滴是英寸英尺码,重量单位用滴是英磅,体积单位用滴是盎司,哎,就等着大家去开化呢.
扯远了,回来继续说. 从这个定义上,大家应该明白了所谓的分辨率其实是一个比值,而不是一个数值.
我举个例子给大家: 某个LCD厂家设计了两款显示器,指标如下:
产品1:
尺寸: 宽度X高度: 406.4mmX304.8mm, 标准分辨率:1280x960(正确说法是标准解析度)
分析:该显示器宽16英寸,高12英寸,水平分辨率为:1280/16=80DPI,垂直分辨率为:960/12=80DPI
 
产品2:
尺寸: 宽度X高度: 101.6mmX76.2mm, 标准分辨率:800x600(正确说法是标准解析度)
分析:该显示器宽4英寸,高3英寸,水平分辨率为:800/4=200DPI,
垂直分辨率为:600/3=200DPI
 
通过分析结果可以看出,虽然第一个显示器能显示更大的图片,但是其分辨率反而比第二个显示器要小得多.(实际上第二款显示器已经可以算得上是高分辨率了,有些单LCD投影仪就会采用这种液晶片来做图像源,而不可能用第一种)
 
由此可见,解析度和分辨率的概念就和中学物理学到的"压力"和"压强"差不多.
有个很简单的例子:一只蜜蜂和一辆坦克,两者对地面的压强是蜜蜂大于坦克,而两者对于地面的压力是坦克大于蜜蜂.
 
前面的例子是显示器,再举一个例子是打印机
打印机也有分辨率这个参数,不过从本质上来说,打印机对于这个参数的描述才是真正用对了地方. 
你见过有标称720DPI或者1440DPI的打印机,但是你绝对买不到标称1024X768的打印机.
因为谁要是在打印机上这么标参数,绝对是个笑话.
打印机上的标称720DPI或者1440 DPI指的是其最大分辨率,其实也就是它的打印头能打印出的最高精度,高于这个精度它就无能为力了,只能把图片来源降低到这个精度来输出. 而如果图片精度比这个低,那么它是可以正常打印的(现在越来越多的打印机的处理芯片还会将低精度图片进行插值放大,以提高输出质量),无论你在一台打印机上打一张A4大小的图片还是一张豆腐干大小的图片,他们的分辨率都是一样的.
因此我们可以得出结论,分辨率是收到输出设备限制的,输出设备是无法输出超过其分辨率的画面的(否则厂商还要生产高分辨率设备干嘛呢?)
 
小结: 显示器的那个所谓"分辨率"其实是解析度,打印机那个才叫分辨率
因此,如果要在720DPI的打印机上完美得打印出一张15厘米x10厘米的图片来,你得在电脑上准备的图片大小为: 
150/25.4*720=4252 ;    100/25.4*720=2835
即:水平4252像素,垂直2835像素. 这对于我们可怜巴巴的家用显示器来说可真是个天文数字了. 以后谁也别再夸自己家里的显示器大了, 这么一计算可真是惨
再倒过来算一下,我家新买的22吋显示器的分辨率是1680*1050,在这显示器上满屏显示的一张图片,拿到720DPI的打印机上打印:
1680/720*25.4=59mm ;   1050/720*25.4=37mm
5.9厘米X3.7厘米, 哎,比香烟盒还小.
这还只是拿很低段的720DPI在打,要是换了个1440DPI的打印机,还真不好意思拿出来看了.
很多接触过广告制作行业的朋友,现在明白为什么他们那边随便一个图片文件就是动不动上百兆了吧.
 
2:色深&色彩分辨率
色深的概念,想必大家都比较熟悉了,对于显示器来说,分R,G,B三种颜色,如果是24位色的图片,每个像素都可以分开成这3种颜色,而每种颜色又分成了256个层次,256就是2的8次方,因此一个像素的三个颜色分量加在一起就是2的24次方种组合. 对于一个图片来说,它所包含的色深是由图片的输入设备决定的. 输入设备的色彩辨别能力越高,图片的色深也就越"深".
以前刚开始有手机摄像头的时候,因为工艺和成本的关系,有些摄像头的色彩分辨率是4096,也就是说它拍出来的图片只包含了4096种色彩,这种图片看上去总有点不自然的感觉.
现在大家的显示器都可以支持到24位色了,也就是256*256*256约等于1678万种颜色.
颜色分辨率也受到输出设备的限制,你在一台16色的显示器上永远看不到24位色的效果(如果你还能找到这种老古董的话),同样,你在单色显示器上也永远别想看到彩色图片来(废话)
但是,在"某些"情况下,可以通过低色彩分辨率的输出设备来模拟出高色深的图像来,这就是所谓的"抖动", 其实这利用的就是视觉上的错觉,比较简单的例子就是: 如果你用密密麻麻的黑白相邻的点铺满一个画板,稍微远一点,你就会感觉这是一个灰色的图片. 换成是蓝色和红色的点,你就会感觉是紫色(品色)的图片...不过话换回来说,这种做法确实是非常简单有效的.
 
3:加色法&减色法
这两个说法在只玩计算机的程序员中间是很少有人知道的.而更多的在广告/印刷/冲印行业使用.
其实质是因为图像输出方式的原理和特性所带来的.
念书的时候想必大家可能都用粉笔在黑板上画过画吧. 当你什么都没画的时候,恩,黑板是黑的. 当你画得越多,黑板就越不黑了.呵呵
而当大家长大以后,上了班,可能会遇到老板要开会,写流程,安排工作,这时用的又是白板了,当老板什么都没写的时候,白板它是白的,老板涂抹得越多,白板它就越不白了,^_^
 
其实加色法&减色法的来源也确实差不多,基本概念就是:将要被输出的介质本来是黑还是白,你的输出方式是让这个介质越来越不黑,还是越来越不白.
如果介质本身是黑的,你输出得越多,介质就越不黑了,那就称为加色法
如果介质本身是白的,你输出得越多,介质就越不白了,拿就称为减色法
因为我们通常认为白色是包含了所有的颜色,只要从白色中去除了某一种或几种颜色,那么我们能观察到的就是剩下的那些颜色的混和(减色法):红色=白色-青色; 蓝色=白色-黄色; 绿色=白色-品色
而黑色,则被认为是没有包含任何一种颜色,我们往里面添加什么颜色,我们能看到的就是这种颜色.(加色法): 红色=黑色+红色; 蓝色=黑色+蓝色; 绿色=黑色+绿色
因此从我们看电脑显示器的习惯上来说,我们会觉得加色法更直观,减色法更复杂
例如:我们天天看的显示器,是采用的加色法,不信的话,你只要把显示器属性的背景色从RGB(0,0,0)到RGB(255,255,255)一个一个都试过来就知道了(只要调大概1678万次就够了)
你R,G,B的数值加得越大,屏幕就越亮
 
再例如:彩色打印机在白纸上打印图片,墨水喷得越多得地方就越暗,越亮的地方,墨水就喷得越少. 这就是减色法.
 
由此可见,在我们把图片从计算机打印到白纸上得时候,中间已经经历了一次从加色法到减色法的转变. 这个转化可能是计算机做的,也可能是打印机做的. 反正用户是一般注意不到的.
 
正因为加色法和减色法在性质上的不同,它们的"原色"也是截然不同的.
加色法的三原色为: 红,绿,蓝=> RED, GREEN,BLUE,简称R,G,B
减色法的三原色为: 黄,品,青=> YELLOW, MAGENTA,CYAN,简称,Y,M,C
 
加色法和减色法的对应关系为:
A:  蓝<=>黄; 红<=>青; 绿<=>品  为三对补色
即:加蓝=减黄,加黄=减蓝;
   加红=减青,加青=减红;
   加绿=减品,加品=减绿;
 
B:  蓝=青+品; 红=黄+品; 绿=黄+青
 或:黄=红+绿; 品=红+蓝; 青=蓝+绿
 
C:  红+绿+蓝=白; 黄+品+青=黑
看上去啰里巴唆一大堆,其实真正也就两张对照图:
加色法:



减色法:



其实从理论上来说,减色法中的黄品青三色已经可以混和出黑色来,但是实际上大家往往会在彩色打印机里发现一个单独的黑色墨盒来. 这是因为:一来实际制造上无法得到纯正颜色的黄品青颜料,二来直接制作黑色的颜料来打印更经济.
 
4:显示器&打印机色彩匹配
因为我们用来查看和编辑图片都是在显示器上,而实际输出则是打印机,数码冲印,或者印刷.
前者是加色法,后者是减色法,因此往往会造成所见非所得的情况.
还有一个干扰因素,是因为显示器是发光设备,而印刷打印成品是反光设备,两者在亮度上也截然不同.更加使得我们拿到的图片和显示器里的画面有所差别.
在PHOTOSHOP中(其它某些显示器设置中也有)会提供一些所谓的"显示器调整向导"之类的东西,无非是让我们通过调节显示器的亮度和对比度来得到一个比较好的显示效果.但是如果你以为这样调整之后你就能在打印时实现"所见即所得"那么你就错了,而且还是错得离谱.
如果你真的是一个摄像/冲印FANS,请务必按照我下面所说的方法来做:
A: 显示器亮度对比度,都调到50%,色温调到9300K
B: 找一张色彩比较丰富对比比较大的高质量图片(像素要多一点的那种,JPG格式的话起码上兆,BMP起码10M以上),可以去一些专业的图片网站下载一些素材
C: 在您自己常用的打印机上用照片模式打印出来(不要用精简模式,打印机会降低墨水消耗,色彩会失真)
D: 请在自然光线较亮的环境下观察此照片(最好是入射角小于45度的阳光下).同时遮盖住你的显示器,不要让阳光直接照射到屏幕上(可以拿个硬纸板档一下)
E: 调节的时候,先调显示器的亮度对比度.注意:是调节显示器硬件的亮度对比度,而不是系统里显示器高级属性的那个东西,切记. 把黑色和白色部分先调节好,然后开始调节R,G,B.注意:也是调显示器硬件上的颜色.
F: 在调节颜色的时候要注意一个原则:尽量调整少的颜色去match(翻译成适应好么)照片上的颜色. 举例说明:如果这个图片在显示器上显得比照片上更黄,请增加显示器的"蓝色"分量,而不要去同时降低"红色"和"绿色"分量,虽说两者都能达到减"黄"的效果,但是前者涉及的范围比后者少
G: 最后说一句: 要想调到一模一样是不可能滴,你只能做到大致上的匹配,这一点已经在前面说过了,无论是颜料的制作还是发光反光的区别都是造成不能完美匹配的原因,并且这些东西是无法克服的. 你只能做到在整体上的相似,比如黑和白,以及三原色及补色
 
基本上经过这么几个过程,你就可以在电脑上编辑图片的时候做到心里有数了,而不会出现太大的差异.
 
 
5: 中心灰的概念
在摄像概念中有个词叫做"中心灰",其基本原理就是说,把你(或者镜头里)所能观察到的画面的所有颜色混在一起,是一个中等亮度的灰色. 这个概念被广泛的运用到了数码相机的"自动曝光"和"自动白平衡"中.
按照我们上面一节里说的加色法三原色相加为白色,减色法三原色相加为黑的说法也能说得过去.因为自然界中红绿蓝黄品青都有,前3个相加是白,后3个相加是黑,再加一起就是中心灰了.呵呵
因为我手头找不到那个图片,真正的6色图谱就应该是我上面两张图片的混和,在正中心的那一块就是灰色.
"自动白平衡"的做法,其实就是一个人为的纠正图片色差(或亮度)的过程.
比较多的做法是在拍摄的环境光源下,对准一个白色的物体拍摄(指的是其在日光下"应该"是白色,而不是指在拍摄环境下所显示的是否白色),然后在计算机中针对这一物体被拍摄到的实际颜色,去自动调整R,G,B的色彩空间(通常情况下都是对色彩空间进行拓展).举个实际的例子: 一面新刷的石灰墙,我们假设它在晴天的正午显示的是白色(我们把这当作标准光), 而在夜晚的路灯下,显然不可能有同样的拍摄效果了(通过观察直接拍出的照片会发现似乎比我们自己肉眼看上去显得更发黄,是因为我们的眼睛感光度远大于照相机,并且我们的大脑自带一个高性能的动态白平衡系统), 那我们应该以这个白墙来作标准,去矫正我们的照相机,现在的数码相机基本都有这个功能,还有些数码相机可能已经有一些内置的预设白平衡参数供用户选择,如"日光","荧光灯","白炽灯"等等,但是这些预设的参数往往并不能很好的"Match"(又见这个词)我们的实际拍摄环境,这时我们就需要手动设置白平衡了,也就是直接对准那面石灰墙拍一张,告诉数码相机"你刚刚拍到的这个黄不啦叽的墙,它应该是白色滴",然后数码相机就会"恍然大悟,痛改前非"了. 通过一翻手动白平衡矫正之后,你就会发现前后所拍摄的照片效果是截然不同的. 当然,也许某些数码相机是没有"手动设置白平衡"这个功能的. 也请不必气馁,相机不带,电脑软件带呀,跑到PHOTOSHOP上也能手动纠正.(顺便说一下,我写的那个ImageCast也带这个功能,只要大家用那个软件加载图片后,把右下角"直方图均衡"中的"灰度值索引"选项去掉,再按"直方图均衡",就可以进行偏色矫正了.地址:http://download.csdn.net/source/325026)
 
  说了不少了,一时想不起还有什么要补充的,要是有不足之处,请大家留言,我尽我所能补充.