第2章 图像处理与制作

图像处理是利用计算机技术对数字化图像改变形态、尺寸、色彩调整、编辑调整、文件格式转换等，被广泛地应用于多媒体产品制作、平面广告设计、教育教学等领域。

随着计算机技术的发展，图像处理技术也得到了长足的发展，除了常规的图像处理以外，还可对图像数据进行压缩，提供印刷模式的文件格式，生成用于各种场合的图像格式，甚至可以创造出自然界中没有的图像形态。

2.1 图像基础知识

图像是人们最熟悉的事物，自然界中多姿多彩的景物和生物通过人们的视觉感官，在大脑中留下了印象，这就是图像。现在，利用计算机技术把图像进行数字化，从而使数字化的图像处理成为可能。

2.1.1 图像的定义

图像是由扫描仪、摄像机等输入设备捕捉实际的画面产生的数字图像，它是由像素点阵构成的位图。图像用数字描述像素点、强度和颜色。描述信息文件存储量较大，所描述对象在缩放过程中会损失细节或产生锯齿。在显示方面，它是将对象以一定的分辨率分辨以后将每个点的色彩信息以数字化方式呈现，可直接快速在屏幕上显示。分辨率和灰度是影响显示效果的主要参数。图像适用于表现含有大量细节（如明暗变化、场景复杂、轮廓色彩丰富）的对象，如照片、绘图等，通过图像软件可进行复杂图像的处理，以得到更清晰的图像或产生特殊效果。

图像可按照不同的准则进行分类。根据图像的数学模型，可分为连续图像和数字图像；根据运动属性，可分为静止图像和图像序列；按照通道特性，又可分为标量图像和矢量图像；通俗而言，分为灰度图像和彩色图像；按照波段特性，有多光谱图像等相应概念。

2.1.2 图像的色彩模式

数字图像是指用图形、图像处理软件或数码工具绘制的作品，有二维动画、三维动画、漫画多媒体等。在图形和图像处理软件中，通常都使用了RGB、Lab及CMYK几种色彩模式，用来反映不同的色彩范围，其中许多模式能用对应的命令相互转换。为了便于讲述，本小节主要以Photoshop为例。

色彩模式是指图像在显示和打印时定义颜色的不同方式，主要有RGB、Lab、CMYK等多种色彩模式，有时为了输出一个印刷文件或需要对一个图像进行特殊处理时，需要从一个模式转换到另一个模式。

（1）RGB模式

在Photoshop的RGB模式中，给彩色图像中每个像素分配一个从0（黑色）到255（白色）范围的强度值。例如，一种明亮的红色可能R值为246，G值为20，B值为50。当三种分量的值相等时，结果是灰色；当所有分量的值都是255时，结果是纯白色；而当所有值都是0时，结果是纯黑色。RGB图像只使用三种颜色，在屏幕上可重现多达1670万种颜色。RGB图像为三通道图像，因此每个像素包含 24 位（8×3）。新建 Photoshop 图像的默认模式为 RGB，计算机显示器总是使用RGB模型显示颜色。这意味着在非RGB颜色模式（如CMYK）下工作时，Photoshop会临时将数据转换成RGB数据再在屏幕上显示。

（2）Lab模式

在Photoshop的Lab模式中，心理明度分量（L）范围可以从0到100，a分量（绿-红轴）和b分量（蓝-黄轴）范围可以从-120到+120。Lab图像是包含24（8×3）位/像素的三通道图像。Lab颜色是Photoshop在不同颜色模式之间转换时使用的内部颜色模式。

（3）CMYK模式

在Photoshop的CMYK模式中，每个像素的每种印刷油墨会被分配一个百分比值。最亮（高光）颜色分配较低的印刷油墨颜色百分比值，较暗（暗调）颜色分配较高的百分比值。例如，明亮的红色可能会包含2%青色、93%品红、90%黄色和0%黑色。在CMYK图像中，当所有4种分量的值都是0%时，就会产生纯白色。要打印制作的图像时，使用CMYK模式，将RGB、索引颜色或Lab图像转换为CMYK图像。也可以使用CMYK模式直接处理从高档系统扫描或输入的CMYK图像。

通过以上论述可看出，使用Photoshop处理彩色图片应该尽量使用RGB模式进行。但应注意，使用RGB模式处理的图片一定要确保在用CMYK模式输出时图片色彩的真实性。使用RGB模式处理图片时要确信图片已完全处理好后再转化为CMYK模式图片，最好留一个RGB模式的图片备用。

除了用RGB模式处理图片外，Photoshop的Lab色彩模式也具备良好特性。RGB模式是基于光学原理的，而CMYK模式是颜料反射光线的色彩模式，Lab模式的好处在于它弥补了前面两种色彩模式的不足。在编辑处理图片时，尽可能先用Lab模式或RGB模式，在不得已时才转成CMYK模式。而一旦转成为CMYK模式图片，就不要轻易再转回来，如果确实需要的话，就转成Lab模式对图片进行处理。如果用于扫描输入的原图片是彩色图片，但该图片是用于灰度版面中的，用扫描仪输入图片时，不要将原图片直接输入为灰度模式，应该用RGB模式输入图片，用RGB模式处理好图片后，将其先转换为Lab模式的图片，再通过通道分离命令，选取L通道的图片作为印刷用灰度图片。

越来越多的设计和印刷分色部门认识到RGB的主要优点——灵活性。通过彩色平衡并把图像数据编档保存，用户可随意制作具有各自灰平衡特性、特殊黑版及规定的色调范围（包括适当的高光和暗色调及网点增大补偿）的多幅CMYK图像。编档保存的RGB图像也可用于新的媒体，包括基于监控器的内容传送。

2.1.3 图像的质量评价

对于图像的质量，可以从它的分辨率和色彩特性来评价。

1.图像分辨率

图像分辨率是指每英寸图像中含有多少个点或像素，分辨率的单位为点每英寸。分辨率的大小直接影响图像品质，分辨率越高，图像越清晰，所产生的文件就越大，处理速度也越慢。因此在制作图像时，不同品质的图像应设置适当的分辨率。如果制作的图像只在屏幕上显示，分辨率就可以设低一些，一般为72点每英寸；如果制作的图像需要输出印刷，分辨率就应设高一些，一般为300点每英寸。

另外，图像的尺寸大小、图像的分辨率和图像文件大小三者之间有着密切的关系。一个分辨率相同的图像，如果尺寸不同，它的文件大小也不同。尺寸越大，所保存的文件也就越大。同样，提高图像的分辨率，也会使图像文件变大。

2.色彩特性

（1）亮度

亮度就是图像的明暗度，调整亮度就是调整明暗度。亮度的范围是 0～255，共包括 256 种色调。图像亮度的调整应该适中，亮度过亮会使图像发白，亮度过暗会使图像变黑。

（2）对比度

对比度是指不同颜色之间的差异。两种颜色之间的差异越大，对比度就越大；差异越小，对比度就越小。图像对比度的调整也应该适中，对比度过强会使图像各颜色的反差加强，影响图像细部的表现；对比度过弱会使图像变暗，丢失亮度。

（3）色相

色相是指色彩的颜色，调整色相就是在多种颜色之间选择某种颜色。通常情况下，色相是由颜色名称标志的，红、绿、蓝就代表了三种色相。

（4）饱和度

饱和度是指颜色的强度或纯度，调整饱和度就是调整图像色彩的深浅。将一个彩色图像的饱和度调整为0时，图像就会变成灰色。增加图像的饱和度，会使图像的颜色加深。

2.1.4 图像的生成原理

图像是直接量化的原始信号形式，构成图像的最基本元素是像点。一个像点由若干个二进制位描述，且对应一个可见的显示像素，这种“像点-二进制-像素”的对应关系称为“位映射”关系。换言之，二进制位描述了图像，因此图像又有“位图”之称。

计算机在处理图像时，并不直接处理每个像点，而是采用压缩数据算法，找出并去掉图像中的冗余，然后才以较少的数据量进行保存和传送。图像通常用于表现自然景观、人物、动物、植物和一切引起人类视觉感受的事物。

2.1.5 图像的文件格式

常见的图像文件格式有如下几种。

1.BMP图像文件格式

BMP 是一种与硬件设备无关的图像文件格式，使用非常广，它采用位映射存储格式，除了图像深度可选以外，不采用其他任何压缩，因此，BMP文件所占用的空间很大。BMP文件的图像深度可选1位、4位、8位及24位。BMP文件存储数据时，图像的扫描方式是按从左到右、从下到上的顺序进行的。

由于 BMP 文件格式是 Windows 环境中交换与图像有关的数据的一种标准，因此在 Windows环境中运行的图形图像软件都支持BMP图像格式。

典型的 BMP 图像文件由三部分组成：位图文件头数据结构，它包含 BMP 图像文件的类型、显示内容等信息；位图信息数据结构，它包含BMP图像的宽、高、压缩方法；定义颜色等信息。

2.PCX图像文件格式

PCX这种图像文件的形成是有一个发展过程的。最先的PCX雏形出现在ZSOFT公司推出的名为PC PAINBRUSH的用于绘画的商业软件包中。以后，微软公司将其移植到 Windows环境中，成为Windows系统中一个子功能。先在Windows 3.1中广泛应用，随着Windows的流行、升级，加之其强大的图像处理能力，使PCX同GIF、TIFF、BMP图像文件格式一起，被越来越多的图形图像软件工具所支持，也越来越得到人们的重视。

PCX是最早支持彩色图像的一种文件格式，现在最高可以支持256种彩色，显示256色的彩色图像。PCX设计者超前引入了彩色图像文件格式，使之成为现在非常流行的图像文件格式。

PCX 图像文件由文件头和实际图像数据构成。文件头由 128 字节组成，描述版本信息和图像显示设备的横向、纵向分辨率及调色板等信息。实际图像数据包含图像数据类型和彩色类型。PCX图像文件中的数据都是用PCXREL技术压缩后的图像数据。

PCX是PC画笔的图像文件格式。PCX的图像深度可选为l位、4位、8位。由于这种文件格式出现较早，它不支持真彩色。PCX文件采用RLE行程编码，文件体中存放的是压缩后的图像数据。因此，将采集到的图像数据写成PCX文件格式时，要对其进行RLE编码；读取一个PCX文件时首先要对其进行 RLE解码，才能进一步显示和处理。

3.GIF文件格式

GIF（Graphics Interchange Format）的原义是“图像互换格式”，是CompuServe公司在1987年开发的图像文件格式。GIF文件的数据，是一种基于LZW算法的连续色调的无损压缩格式，其压缩率一般在50%左右，它不属于任何应用程序。目前几乎所有相关软件都支持它，公共领域有大量的软件在使用GIF图像文件。

GIF图像文件的数据是经过压缩的，而且采用了可变长度等压缩算法，所以GIF的图像深度从1位到8位，也即GIF最多支持256种色彩的图像。GIF格式的另一个特点是其在一个GIF文件中可以存多幅彩色图像，如果把存于一个文件中的多幅图像数据逐幅读出并显示到屏幕上，就可构成一种最简单的动画。

GIF解码较快，因为采用隔行存放的GIF图像，在边解码边显示的时候可分成四遍扫描。第一遍扫描虽然只显示了整个图像的1/8，第二遍的扫描后也只显示了1/4，但这已经把整幅图像的概貌显示出来了。在显示GIF图像时，隔行存放的图像会给你感觉到它的显示速度似乎要比其他图像快一些，这是隔行存放的优点。

4.JPG文件格式

JPEG是Joint Photographic Experts Group（联合图像专家组）的缩写，文件后辍名为.jpg或.jpeg，是最常用的图像文件格式，由一个软件开发联合会组织制定，是一种有损压缩格式，能够将图像压缩在很小的存储空间，图像中重复或不重要的资料会丢失，因此容易造成图像数据的损伤。尤其是使用过高的压缩比例时，将使最终解压缩后恢复的图像质量明显降低。如果追求高品质图像，不宜采用过高压缩比例。但是JPEG压缩技术十分先进，它用有损压缩方式去除冗余的图像数据，在获得极高的压缩率的同时能展现十分丰富生动的图像。换句话说，就是可以用最少的磁盘空间得到较好的图像品质。JPEG 格式压缩的主要是高频信息，对色彩的信息保留较好，适合应用于因特网，可减少图像的传输时间，可以支持24位真彩色，也普遍应用于需要连续色调的图像。

JPEG 是目前网络上最流行的图像格式，是可以把文件压缩到最小的格式。在 Photoshop 软件中以JPEG格式存储时，提供11级压缩级别，以0～10级表示。其中0级压缩比最高，图像品质最差。即使采用细节几乎无损的10级质量保存时，压缩比也可达5∶1。以BMP格式保存的4.28 MB图像文件，采用JPG格式保存时，其文件大小仅为178 KB，压缩比达到24∶1。经过多次比较，第8级压缩为存储空间与图像质量兼得的最佳比例。

JPEG 格式的应用非常广泛，特别是在网络和光盘读物上，都能找到它的身影。目前各类浏览器均支持JPEG格式，因为它的文件尺寸较小，下载速度快。

JPEG2000 作为 JPEG 的升级版，其压缩率比 JPEG 高约 30%，同时支持有损和无损压缩。JPEG2000 格式有一个极其重要的特征在于它能实现渐进传输，即先传输图像的轮廓，然后逐步传输数据，不断提高图像质量，让图像由朦胧到清晰显示。此外，JPEG2000 还支持所谓的“感兴趣区域”特性，可以任意指定影像上感兴趣区域的压缩质量，还可以选择指定的部分先解压缩。

JPEG2000的优势明显，且向下兼容，因此可取代传统的JPEG格式。JPEG2000既可应用于传统的JPEG市场，如扫描仪、数码相机等，又可应用于新兴领域，如网络传输、无线通信等。

5.PSD文件格式

这是 Photoshop 图像处理软件的专用文件格式，文件扩展名是.psd，可以支持图层、通道、蒙板和不同色彩模式的各种图像特征，是一种非压缩的原始文件保存格式。扫描仪不能直接生成该种格式的文件。PSD文件有时容量会很大，但由于可以保留所有原始信息，在图像处理中对于尚未制作完成的图像，选用PSD格式保存是最佳的选择。

6.PCD文件格式

PCD是Kodak PhotoCD的缩写，文件扩展名是.pcd，是Kodak公司开发的一种PhotoCD文件格式，其他软件系统只能对其进行读取。该格式使用YCC色彩模式定义图像中的色彩。YCC和CIE色彩空间包含比显示器和打印设备的RGB色和CMYK色多得多的色彩。PhotoCD图像大多具有非常高的质量。

7.WMF文件格式

Microsoft Windows 中常见的一种图元文件格式，它具有文件短小，图案造型化的特点，整个图形常由各个独立的组成部分拼接而成，但其图形往往较粗糙，并且只能在Microsoft Office中调用编辑。

8.PNG图像文件格式

PNG（Portable Network Graphics）的原名称为“可移植性网络图像”，是网络上最新的图像文件格式。PNG能够提供大小比GIF低30%的无损压缩图像文件。它同时提供 24位和48位真彩色图像支持以及其他诸多技术性支持。由于 PNG 文件格式非常新，所以目前并不是所有的程序都可以用它来存储图像文件，但Photoshop可以处理PNG图像文件，也可以用PNG图像文件格式存储。