淺談圖像處理教學中的色彩定量分析論文

摘要：數碼相片在屏幕顯示與實際輸出是不同的色彩體系。使得人們在實際操作中產生錯覺；RGB、CMY、HSB色彩表示方法與傳統的色彩理論：Ostwald、Munsell和CIE怎樣在現代圖形圖像軟件中能有機的結合?使得數碼影像的調校更加科學、合理。

關鍵詞：數碼相片；色彩體系；色彩數字化；數字窗口；處理方法

數碼相機成像原理就是光電效應，目前市場上常見數碼相機的成像器件有CCD(電荷偶合器件)和CMOS(互補金屬氧化物半導體)兩種，CCD或CMOS負責把鏡頭照到它上影像按三基色分別轉換為電荷，再通過模／數轉換器(A／D)芯片轉換成RGB(紅、綠、藍)數字信號，然後將信號送到處理器(DSP)處理，最後存儲到存儲卡上的是一幅由RGB數字(0-255)描述的點陣(像素)二維圖。同理，掃描儀所得數碼影像也是雷同：所以，處理數碼相片或數碼影像實質上就是分析和處理RGB數字信號。

在處理數碼影像時我們大多數是以電腦的顯示屏所顯示的效果為參照：筆者認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碼相片的本身效果，也不是打印或沖印出來的實際效果。現在我們來分析一下原因：

(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。

(2)電腦屏幕顯色調校不同：不同顯卡和不同的品牌的顯示器再加不同的用户偏好，可以説相同的數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，皆是以三個數字(RGB、CMY、HSB、lab)來表示某一色彩。適用於染色物、塗裝物、陶瓷物等類均一表面色的物品，不能表現透明、半透明的顏色。

數碼影像在相機或電腦顯示屏上顯示屬於RGB方式塗裝(主動發光)，打印或沖印出來的相片屬於CMY方式的染色(被動反光)。

所以筆者認為在數碼相片處理中應該以顯示的色彩數字(RGB、CMY、HSB、lab)為標準，而不是我們所看到的屏顯視覺效果；現在關鍵的問題在於：如何利用軟件所顯示的色彩數字來處理數碼相片，傳統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，下面就以常用的Adobe Photosho為例來一一舉例分析説明。

在拍攝過程中，由於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使得影像在明度、色彩及反差等方面都沒有正確還原景物的本來面目。

(1)修正曝光誤差：即調整影像色階：Adobe Photoshop中的Ctrl+L

色階是表示圖像亮度強弱的指數標準，也就是我們説的色彩指數。圖像的色彩豐滿度和精細度是由色階決定的。色階指亮度，和顏色無關。但最亮的只有白色，最不亮的只有黑色。色階表現了一副圖的明暗關係。如：24位色的RBG空間數字圖像，其每個單色為8位，數字分佈用28(即256)個梯階表示紅藍綠，每個顏色的取值都是0－255，理論上共有256～256x256種顏色。色階圖只是一個直方圖。用橫座標標註質量特性值，縱座標標註頻數或頻率值。各組的頻數或頻率的大小用直方柱的高度表示的圖形：可將各種類型的數據繪製成此圖表。在數字圖像中，色階圖是説明照片中像素色調分佈的圖表，是可以在後期重新構建影像的明暗關係。

在圖像處理中，調節色階(level)實質就是通過調節直方圖來調節不同像素值的大小來改進圖像的明暗層次效果。色階所表示的是表示色彩分佈(0－255)關係；分為：全色RGB(明度)分佈(0－255)，紅色R分佈(0－255)，綠色G分佈(0－255)，藍色B分佈(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際上並非真正的白，真正的白是光源發出的光線；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什麼也看不見，而是含有3.5％的白。本人認為，奧斯特瓦爾德色立體理論在相片影像黑白明度層次表現中。可以通俗地理解為：當影像中的高光的RGB值超過255的89％、暗調的RGB值低於255的3.5％時，在RGB顯色體系狀態(屏幕)下的是有區分(層次)的；但在CMY染色體系狀態(輸出影像)下是沒有區分(層次)的`。深層次的原因是由於二大體系色域的不同。

所以，在調校色階時，應將高光控制在255的89％即220～235以下，暗調控制在255的3.5％即8～11以上。這樣調校完成後的影像的輸出(打印或沖印)效果與顯示效果差距很小。(2)修正*色(色彩平衡)：也就是調校：AdobePhotoshop中的Ctrl+B 色温平衡指的是組成影像的三基色與三原色對應平衡比例關係。導致影像*色的原因很多：曝光誤差、白平衡誤差、環境色等。問題的關鍵是你怎樣確定是否*色?偏了多少?是怎樣偏的?由於前面所講原因。單從屏幕顯示上是無法進行定量調校的。

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，也就是説無論是黑、白、灰，其構成的三基色RGB都應該是等量的：如果影像中的黑白灰中的RBG不等量就是説這幅影像存在*色。尤其是在這點上在屏顯視覺上是無法做到的。

所以找到畫面中的絕對黑、白點來對比調校才是校色的關鍵。如頭髮、明顯的白色物體等，另外在調校影像時一定要打開Adobe Photoshop中的“信息”窗口。調校色彩平衡的方法與步驟：

A：打開Adobe Photoshop中的“信息”窗口。

B：按Ctd+B，在彈出的對話框中先選“高光”。

C：將鼠標放在影像中的“擬定的白色”處。

D：以顯示的RGB數值中的中間值為基礎，加或減別外兩個值：使RGB三個值一樣。按Enter鍵確定。

E：同理再按Ctrl+B，在彈出的對話框中先選“暗調”，重複B、C、D，調“擬定的黑色”。 一般不調中間調(灰)，主要是不好找(不好決定)哪個地方是純灰。

(3)調整影像的亮度與對比度

對比度就是指反差：影像的明暗對比及影調關係。在前面的調校中，調整色階好像也調整了亮度，但意義不同：

色階修正的是曝光：分別調整的是：暗部／亮部／ 中間調(18％標準反光率)的亮度是否標準。

而亮度，對比度中調整“亮度”是整體(全畫面)的亮度值B(HSB中的B)，“對比度”調整的是亮部與暗部的對比關係。

在這項調整中，同樣以奧氏色彩理論為依據：最高的“白”RGB值是不大於227，最低的“黑”RGB值是不小於9。

如果影像的反差過大或亮部與暗部比例太大；可通過適當的調整“高光與暗調”來解決(8.0版本以上)。

(4)調整色彩的飽和度：也就是調校：Adobe Photoshop中的Ctrl+U。

在調整色相和飽和度中，可調整整體也可單獨調整某一個單色：紅、黃、綠、青、藍、品(洋紅)。

在這項調整中，也要打開Photoshop中的信息窗口，把信息右方顯示方式從RGB切換成HSB。

在前面的調校中，影像的整體H色相、B明度均已做好調校。在該項調校中主要針對三原色(RGB)和三基色(CMY)中的任意一個單獨的強調(誇張)或改相(色彩傾向)；而不會影響其它5個色彩。

在CIE顯色體系中，所有的色彩純度S都可達到100％，但是，染料的最大純度是按孟塞爾色彩體系中色樹排列的：紅HOS91％B93％、橙H33 S95％B97％、黃H57 S100％B100％、綠H120 S57％B75％、藍H2A0S63％B60％、紫H285 S74％B50％。也就是説各種色彩能輸出的最高純度是各不相同的，也沒有一定的規律性。

所以在調校色彩純度時，要看是否超越了染料的色域，如果上世紀80年代前只能是查1974年美國版本、厚達40頁《孟塞爾顏色圖冊》，包括1450塊顏色樣品及37塊中性色樣品。好在數字化時代的今天，Adobe公司已在Photoshop的拾色器中輸入了所有的孟塞爾顏色數據，超出了《孟塞爾顏色圖冊》的顏色都有警告提示。

當用吸管工具吸取已調好的某一色彩時，點擊拾色器：如出現警告提示則説明超越了輸出色域。

從1666牛頓發現光的色散、1802年，Thomas Younz提出了RGB三基色到1905年Albea ell建立孟塞爾顏色系統(Munsell color systeml，和1914年，Wilhelm Ostwald推出了奧斯特瓦德顏色系統，1931年國際照明委員會(CIE)定義了標準顏色體系：現在大家熟悉的CIE色度圖(CIE chromaticity diagram)為大多數定量的顏色度量方法奠定了基礎。

現代數字化色彩正是以此為基礎，但由於屏幕顯示與實際輸出是不同的色彩體系，使得人們在實際操作中產生錯覺：怎樣把傳統的經典色彩理論與現代的數字色彩表示方法相結合，是影像工程、圖形圖像等專業的色彩工作者需要進一步探討的新領域。