图像处理入门篇

第1章 图像处理基础知识

1.1 数字化图像

在计算机世界里，所有信息都是以数字方式记录、处理和存储的，数字化的图形和图像也不例外。Photoshop因其无与伦比的功能和简便的操作性，成为当今世界上最强大的图形图像编辑软件，并被广泛应用于平面广告设计、网页制作、数码摄影、艺术创作、3D动画、多媒体制作等领域。

1.1.1 位图

位图图像在技术上称为栅格图像，它用像素来表现图像。在日常生活中，我们用数码相机拍摄的照片、扫描的图像等都属于位图。

位图的优点是可以准确地表现阴影和颜色的细微层次，也容易在各种软件之间交换使用，因此成为照片或数字绘画等连续色调图像最常用的电子媒介，如图1-1所示。位图的缺点体现在进行放大或旋转时，像素会变得模糊，图像就没有原来清晰了。例如，如图1-2所示为一张照片及放大后的局部细节（注意观察放大镜内的图像），可以看到，图像已经有些模糊了。此外，位图是由多达百万甚至上千万个像素组成的，因而占用的存储空间也比较大。

知识拓展 不要反复缩放和旋转图像

1.1.2 矢量图

矢量图是由数学对象定义的直线和曲线构成的，如图1-3所示。矢量图存储空间非常小，而且与分辨率无关，任意旋转和缩放图形都会保持清晰、光滑，如图1-4所示。对于想要在各种输出媒体中按照不同大小使用的图稿，例如徽标、图标等，采用矢量图形的形式绘制和存储是最佳选择。

Photoshop是典型的位图软件，但它也可以创建和处理矢量数据，如钢笔工具、多边形工具、自定形状工具、形状图层等都是与矢量图形有关的功能，因此，Photoshop也可以完成Logo、徽标等矢量设计任务。

知识拓展 常用的位图软件和矢量图软件

1.1.3 像素

像素（Pixel）是组成图像的最基本的单位。像素非常小，我们需要借助Photoshop的专用工具才能看清它们。在Photoshop中打开一个图像文件，如图1-5所示。选择工具箱中的缩放工具，将光标放在画面中（光标会变为状），连续单击，将窗口的显示比例放至最大（缩放工具中间的+号消失），便可以看到类似马赛克状的方块，它们就是像素，如图1-6所示。

像素虽然个头很小，但每一个都有一个明确的位置和颜色值，记录着图像的内容和颜色信息。我们处理图像时，编辑的就是像素。像素所占用的存储空间决定了图像色彩的丰富程度。因此，一个图像的像素越多，所包含的颜色信息就越多，图像的效果就越好，但生成的图像文件也会更大。

1.1.4 分辨率

分辨率是指单位长度内含有的像素点的数量，它的单位通常用像素/英寸（ppi）来表示。分辨率决定了位图图像细节的精细程度，一般来说，图像的分辨率越高，所包含的像素就越多，图像就越清晰，印刷的质量也就越好。例如，图1-7～图1-9所示为相同打印尺寸、不同分辨率的3幅图像，可以看到，低分辨率的图像有些模糊，高分辨率的图像十分清晰。

像素和分辨率是两个密不可分的重要概念，它们的组合方式决定了图像的数据总量。例如，同样是1英寸×1英寸的两个图像，分辨率为72ppi的图像包含5184个像素（宽度72像素×高度72像素=5184像素），而分辨率为300ppi的图像则包含90000个像素（宽度300像素×高度300像素=90000像素）。由于要存储更多的像素，所以高分辨率的图像比低分辨率的图像占用更多的存储空间。

相关知识链接

相关知识链接：执行“文件＞新建”命令新建文件时，可以设置它的分辨率。如果这是一个打开的图像，则可执行“图像＞图像大小”命令修改它的分辨率。详细操作方法，请参阅“6.2.1实例演练：调整分辨率”。

实用技巧 怎样设置分辨率才能恰到好处

分辨率越高，图像的质量越好，但这也会增加其占用的存储空间，因此，只有根据图像的用途设置合适的分辨率才能取得最佳的使用效果。如果图像用于屏幕显示或者网络，可以将分辨率设置为72像素/英寸，这样可以减小文件的大小，提高传输和下载速度；如果图像用于喷墨打印机打印，可以将分辨率设置为100～150像素/英寸；如果用于印刷，则应设置为300像素/英寸。

由于输入、输出设备和显示设备的差异，分辨率有很多种表示方法。前面介绍的是图像分辨率，除此之外，较为常用的还有显示器分辨率、扫描分辨率和打印机分辨率等。

显示器分辨率是指显示器上单位长度内显示的像素点的数量，通常以点/英寸（dpi）来表示。例如，将显示器分辨率设置为1024×768，就表示在显示器的宽度上有1024个像素，高度上有768个像素。显示器的最大分辨率一般是由计算机的显卡性能决定的。

扫描仪分辨率是指扫描图像时设定的分辨率，一般也以点/英寸（dpi）来表示。一般的台式扫描仪的分辨率可以分为两种规格，一种是光学分辨率，它是指扫描仪所能够真正扫描到的图像分辨率；另一种是输出分辨率，它是通过软件强化和插补点之后产生的分辨率，大约为光学分辨率的3～4倍。

打印机分辨率又称为输出分辨率，通常以点/英寸（dpi）来表示，它代表了每英寸可打印的油墨的点数。一般来说，每英寸的油墨点越多，打印效果就越好。

1.1.5 颜色模式

颜色模式决定了用来显示和打印所处理图像的颜色方法，以及图像中的颜色数量、通道数量、文件大小和文件格式。此外，颜色模式还决定了图像在Photoshop中是否可以进行某些操作，例如，位图模式的图像不能应用滤镜，也不能进行变换操作。

一般我们看到的显示器颜色是由光的三原色构成的RGB模式，而除了RGB模式外，较为常用的颜色模式还有CMYK、位图、索引等模式。

要查看或修改图像的颜色模式，可以打开“图像调整”下拉菜单，命令前带有“√”标记的为当前文件的颜色模式，如图1-10所示。选择其他的颜色模式命令，可以转换当前图像的颜色模式，如图1-11所示。为图像选取另一种颜色模式，就永久更改了图像中的颜色值。例如，将RGB图像转换为CMYK模式时，位于CMYK色域（由“颜色设置”对话框中的CMYK工作空间设置定义）外的RGB颜色值将被调整到色域之内，而且，如果将图像从CMYK模式转换回RGB模式，一些图像数据可能会丢失并且无法恢复。

● 位图模式：只显示黑、白两种颜色。这种模式的图像占用的磁盘空间较小，适合于黑白两色构成没有灰色阴影的图像。只有灰度模式和双色调模式的图像可以转换为位图模式，因此，要将图像转换为位图模式，首先应将其转换为灰度模式，然后才能转换为位图模式。

● 灰度模式：只有灰度信息而没有彩色信息。在8位图像中，最多有256级灰度，灰度模式的像素取值通常为0～255，0表示灰度最弱的黑色，255表示灰度最强的白色，其他值是指黑白中间过渡的灰色。灰度模式可以与HSB、RGB、CMYK等模式互相转换，但彩色的图像转换为灰度模式后，色彩信息都将被删除。

● 双色调模式：双色调模式由灰度模式发展而来，要将图像转换为双色调模式，首先应将其转换为灰度模式。双色调模式通过1～4种自定油墨来创建单色调、双色调（2种颜色）、三色调（3种颜色）和四色调（4种颜色）的灰度图像。图1-12所示为原图像，图1-13、图1-14所示为转换为双色调后的选项及图像（2种油墨）效果。

● 索引模式：可生成最多256种颜色的8位图像文件。当图像转换为索引颜色时，Photoshop将构建一个颜色查找表（CLUT），用以存放并索引图像中的颜色。如果原图像中的某种颜色没有出现在该表中，则Photoshop会选取最接近的一种，或使用仿色以现有颜色来模拟该颜色。尽管索引模式的调色板很有限，但索引颜色能够在保持多媒体演示文稿、Web页等所需的视觉品质的同时，减少文件大小。如图1-15所示为原图像，如图1-16、图1-17所示为转换为索引模式后的颜色表及图像效果。

● RGB模式：利用红色、绿色和蓝色3种基本颜色进行颜色加法，在屏幕上重现颜色。Photoshop中RGB颜色模式使用RGB模型，并为每个像素分配一个强度值。在8位/通道的图像中，彩色图像中的每个RGB（红色、绿色、蓝色）分量的强度值为0（黑色）到255（白色）。当3个分量的值相等时，生成的是中性灰，如图1-18所示；当所有分量的值均为255时，生成的是纯白色，如图1-19所示；当这些值都为0时，生成的是纯黑色，如图1-20所示。

● CMYK模式：CMYK是一种印刷模式，在制作要用印刷色打印的图像时，应使用该模式。CMYK模式与RGB模式的区别在于色彩产生的原理不同，RGB模式用加色法合成颜色，而CMYK模式用减色法合成颜色。在CMYK模式下，可以为每个像素的每种印刷油墨指定一个百分比值，为最亮（高光）颜色指定的印刷油墨颜色百分比较低；而为较暗（阴影）颜色指定的百分比较高。例如，亮红色可能包含2%青色、93%洋红、90%黄色和0%黑色，如图1-21所示。当4种分量的值均为0%时，就会产生纯白色，如图1-22所示。

● Lab模式：目前所有模式中包含色彩范围最广的颜色模式。Lab颜色模式的亮度分量（L）范围是0～100。在Adobe拾色器和“颜色”面板中，a分量（绿色－红色轴）和b分量（蓝色－黄色轴）的范围是 -128～127，如图1-23所示。Lab描述的是颜色的显示方式，而不是设备生成颜色所需的特定色料的数量，通常在不同系统和平台之间进行交换时使用。

● 多通道模式：多通道模式图像在每个通道中包含256个灰阶，对于特殊打印很有用。

● 8/16/32位通道：8位/通道的颜色信息是8位，每个通道包含256个色阶。大部分图像都是8位/通道。16位/通道的颜色信息是16位，每个通道包含65536个色阶。16位/通道图像的色调和阴影区域要比8位/通道图像更加精细，但缺点是文件较大。32位/通道的颜色信息是32位，这样的图像可以表现比8位和16位图像更加细致的色调，但文件更大，因此，操作速度也较慢。在Photoshop中，通常使用32位长（32位/通道）的浮点数字来表示存储HDR图像的亮度值。

相关知识链接

在Photoshop中新建一个文档时，可以为它选择颜色模式，具体操作方法请参阅“2.4.1新建文件”。如果要修改一个现有文档的颜色模式，可在“图像＞模式”下拉菜单中选择需要的模式。

1.1.6 文件格式

图像的文件格式决定了图像数据的存储内容和存储方式，以及文件是否与一些应用程序兼容，另外还涉及到如何与其他程序交换数据等。Photoshop支持的文件格式有许多种，它们的区别在于表示图像数据的方式（作为像素还是作为矢量）、压缩技术以及所支持的Photoshop功能有所不同。使用“文件＞存储”或“文件＞存储为”命令保存图像时，可以在打开的“存储为”对话框中选择文件的保存格式，如图1-24所示。

● Photoshop格式（PSD）：PSD格式由Photoshop生成的默认的文件格式，它支持Photoshop所有的特性，可以保存图层、通道和任何一种颜色模式。通常情况下，我们编辑图像之后，应尽量保存为该格式，以便以后可以随时修改。由于Adobe产品之间是紧密集成的，因此其他Adobe应用程序（如Illustrator、InDesign、Premiere、After Effects）可以直接导入PSD文件并保留许多Photoshop功能。由于PSD格式保存的信息较多，所以生成的文件也较大。

● 大型文档格式（PSB）：PSB格式支持宽度或高度最大为300000像素的文档。支持所有Photoshop功能（如图层、效果和滤镜），并且可以将高动态范围32位/通道图像存储为PSB文件。如果以PSB格式存储文档，则文档只能在Photoshop CS或更高版本中才能打开，其他应用程序和Photoshop的早期版本无法打开。大多数文件格式无法支持大于2 GB的文档，只有少数文件格式例外，如大型文档格式（PSB）、Photoshop Raw和TIFF。

● BMP格式：BMP是一种用于Windows操作系统的图像格式，主要用于保存位图文件。该格式可以处理24位颜色的图像，支持RGB、位图、灰度和索引模式，但不支持Alpha通道。

● GIF格式：GIF格式是在World Wide Web及其他联机服务上常用的一种文件格式，用于显示超文本标记语言（HTML）文档中的索引颜色图形和图像，它可以保留索引颜色图像中的透明度，但不支持Alpha通道。GIF是一种用LZW压缩的格式，可以减小文件的大小，减少电子传输的时间。

● Dicom格式：Dicom（医学数字成像和通信）格式通常用于传输和存储医学图像，如超声波和扫描图像。Dicom文件包含图像数据和标头，其中存储了有关病人和医学图像的信息。

● EPS格式：可以同时包含矢量图形和位图图形，并且几乎所有的图形、图表和页面排版程序都支持该格式。当打开包含矢量图形的EPS文件时，Photoshop会栅格化图像，并将矢量图形转换为像素。EPS格式支持Lab、CMYK、RGB、索引颜色、双色调、灰度和位图颜色模式，但不支持Alpha通道。EPS格式可以保存剪贴路径，在页面排版程序中打开时可以产生镂空或蒙版效果。

● JPEG格式：由联合图像专家组制定的文件格式，它支持CMYK、RGB和灰度模式，但不能保存Alpha通道。JPEG格式是一种压缩格式，主要用于显示超文本标记语言（HTML）文档中的照片和其他连续色调图像。在将文件存储为该格式时，会弹出如图1-25所示的对话框。在“品质”选项中可以设置压缩级别，压缩级别越高，得到的图像品质越低，但文件越小；压缩级别越低，图像品质越高，但文件也越大。JPEG图像在打开时会自动解压缩。

● PCX格式：采用RLE无损压缩方式，支持24位、256色的图像，适合保存索引和线画稿模式的图像。该格式支持RGB、索引、灰度和位图模式，以及一个颜色通道。

● PDF格式：一种灵活的、跨平台、跨应用程序的文件格式，主要用于网上出版。PDF文件可以精确地显示并保留字体、页面版式以及矢量和位图图形，还可以包含电子文档搜索和导航功能（如电子链接）。PDF格式支持RGB模式、CMYK模式、索引模式、灰度模式、位图模式和Lab模式，不支持Alpha通道。

● Raw格式：Photoshop Raw（.raw）是一种灵活的文件格式，用于在应用程序与计算机平台之间传递图像。该格式支持具有Alpha通道的CMYK、RGB和灰度模式，以及无Alpha通道的多通道、Lab、索引和双色调模式。

● Pixar格式：专为高端图形应用程序（如用于渲染三维图像和动画的应用程序）设计的文件格式。它支持具有单个Alpha通道的RGB和灰度图像。

● PNG格式：PNG是作为GIF的无专利替代产品而开发的，用于无损压缩和在Web上显示图像。与GIF不同，PNG支持244位图像并产生无锯齿状的透明背景，但某些早期的浏览器不支持该格式。

● Scitex CT格式：Scitex CT格式用于Scitex计算机上的高端图像处理。该格式支持CMYK、RGB和灰度图像，不支持Alpha通道。

● TGA格式：专用于使用TrueVision视频板的系统，它支持一个单独Alpha通道的32位RGB文件，以及无Alpha通道的索引、灰度模式，16位和24位RGB文件。

● TIFF格式：一种通用的文件格式，用于在应用程序和计算机平台之间交换文件，几乎所有的绘画、图像编辑和页面排版程序都支持该格式，而且几乎所有的桌面扫描仪都可以产生TIFF图像。TIFF格式支持具有Alpha通道的CMYK、RGB、Lab、索引颜色和灰度图像，以及没有Alpha通道的位图模式图像，还可以保存图层。但是，如果在另一个应用程序中打开该文件，则只有拼合图像是可见的。在将文件存储为TIFF格式时，可以选择一种压缩方式。

知识拓展 无损压缩与有损压缩