1.4.计算机图像处理原理

1.4.计算机图像处理原理

对图像进行处理的彩色计算机有模拟彩色计算机和数字彩色计算机，这两种彩色计算机都是以照相蒙版改变图像各部位密度值的数学模型，作为彩色计算机设定公式或数据变换的依据。彩色计算机设定的公式中的各项数据，均是以模拟照相蒙版改变原有图像密度分布过程中的各项密度值的电信号进行运算。如公式中的某一原色的主信号为图像相对应的分色阴图像的密度值，校正信号就是蒙版中的各项密度值，该信号是由主信号与一定强度的主信号，或者与不同强度的某一分色信号进行运算形成，其信号的形成和分色阴图像与拷贝后具有一定密度值的阳图像叠合，完成蒙版制作的路径完全一样。

1.4.1.照相蒙版

绘画原作、彩色相片、印刷品等实物类反射原稿的蒙版，由照相分色的阴图像经拷贝形成阳图像，此阳图像再与其相应补色的分色阴图像蒙合拷贝制作完成，也有在照相分色时直接拍摄形成的亮调蒙版、暗调蒙版等。透射原稿彩色正片（注解9.彩色正片：以透明材料为图文信息载体的阳片。）类图像，形成的透射密度范围大，透射密度的最大值一般均在3.0左右，密度范围远大于印刷密度范围，因此，透射类原稿蒙版的制作比较复杂，在分色前需由原稿拷贝形成的阴图像蒙版与原稿蒙合，压缩原稿图像的密度反差后才能分色，再由分色后的阴图像拷贝制作蒙版。

蒙版的原理就是通过蒙版图像所分布的密度与分色阴图像蒙合，以增加或相对减少分色阴图像某些区域的密度，改变原来的密度分布状况，达到对图像各个阶调的亮度和各系列颜色，进行各种处理、调节的目的。

照相蒙版主要有一级蒙版和二级蒙版两大类，一级蒙版就是第一次拍摄、拷贝制作的蒙版，也称过渡蒙版或保护蒙版，顾名思义其主要作用是保护图像的层次。制作的一级蒙版阳图像在与分色片的阴图像蒙合后，图像的层次被蒙平，以此制作的二级蒙版在需要增加密度的区域，只有密度而无密度的变化，因而在使用二级蒙版时可提高图像某一区域各亮度间的整体密度，又不会压缩亮度间的密度差值，即层次不会被压缩。一级蒙版除了保护层次不被压缩外，还有一些其他的作用，如加强图像亮调区域层次（亮调蒙版）或暗调区域层次（暗调蒙版），增加黑分色片图像暗部的色量（线条蒙版）等，这些蒙版圴在原作进行照相分色的同时拍摄完成。

二级蒙版的制作，一是，由照相分色后获得的阴图像拷贝制作的一级蒙版再与其相反色的分色阴图像蒙合，经拷贝完成制作。此二级蒙版的主要功能是校正图像在照相分色时，光信息传递、转换过程中，因各种物理性因素所造成的色彩再现误差。常用的校色蒙版有青校色蒙版和品红校色蒙版，青校色蒙版是由青分色阴图像拷贝制作的一级蒙版，与品红分色阴图像蒙合经拷贝制作形成，校正青分色片的颜色误差，青校色蒙版在与青分色阴图像蒙合，使青分色阴图像中品红、红色、橙色区域的密度提高，即降低了这些色相区域的青色量，在翻拍阳图时通过曝光量的调节，又可使青色阳图像的青色、绿色、蓝色区域的基本色量得到相应增加。同理，品红校色蒙版是由品红分色阴图像拷贝制作的一级蒙版与青分色阴图像蒙合拷贝制作。

二是，由属透射类原稿的彩色翻转片（注解10.彩色翻转片：显影时经再次曝光，形成透明阳图像的彩色感光材料。）制作的一级蒙版与彩色翻转片蒙合，中间间隔着透明的涤纶片基，拷贝后形成图像虚晕的蒙版。蒙版图像虚晕使细节部位临界处的密度扩散，这样在与彩色翻转片蒙合后，可加大原稿图像细节部位临界处的密度反差，提高图像的清晰度，因清晰度与细节部位临界密度反差有关，临界密度反差赿大，清晰度赿高，反之，图像会显得模糊。拷贝制作二级蒙版的曝光光源为橙色光，橙色光包含红光和绿光两种色光，等同于经红、绿滤色镜进行色彩分解，得到的二级蒙版图像在红，绿、蓝、黄、品、青各色区域均有一定值的密度分布，在与彩色翻转片图像蒙合后，使图像以上各个色相区域的密度值提高，即色量增加，并在照相分色时通过曝光量的提高，以降低分色阴图像相反色区域的色量。此二级蒙版更重要的作用，是在与彩色翻转片蒙合后压缩图像的反差，因彩色翻转片图像的亮度范围换算成密度值，基本在0.1---0.2至2.6---2.8区间，远远大于感光软片和接触网屏（注解11. 接触网屏：加网时与感光材料密合接触的胶片网屏。）的宽容度，彩色翻转片不与二级蒙版蒙合直接照相分色，图像中相当大的一部分层次将无法复制。因此，必须应用二级蒙版压缩彩色翻转片图像的密度反差，使其图像的密度范围接近感光软片和接触网屏的宽容度，以保证各阶调区域的层次均能得到合理的再现，并同时校正在光信息传递、转换过程中所产生的颜色误差，取得较为理想的复制效果。

《宝石晨曦》P14------6，该印刷品图像是浙江人民出版社出版的一九七四年西湖风光挂历封面。画面中徐徐升起的红日，喷簿而出的并非是红如火般的耀眼霞光，而是毫不张扬的，淡淡的粉红色，被光芒微微映红的云层，如平静的海面上在轻轻翻滚着的波浪，所显现的是黎明时的一片静寂，大面积天空的基色调是青蓝色，与当时东方日出，染红整个天空的表现手法截然不同。原作是由彩色翻转片拍摄的摄影作品，复制时采用二级蒙版与彩色翻转片蒙合直接加网分色工艺，即在照相分色的同时直接将光信息转换成网点。

图像的天空色彩，无论是较暗的青蓝色或是比较纯净的青蓝色，还是画面上方的灰青色，都仅是颜色饱和度的变化，无色相上的差异，整个青兰色协调统一，中心红日周围浅红色云层的层次十分丰富，均是图像复制的重点。但是整个图像的画面，无论是颜色的亮度、饱和度，还是亮调区域的层次，变化都很微妙，色彩很易偏离，稍有偏离，作品所要表现的静寂感就会被破坏，亮调区域的层次又很容易消失或被压缩，没有亮调层次变化的云层，使大面积的天空显得单调。因此，蒙版制作的难度很高，制作时，必须精确测量并计算原稿一级蒙版和二级蒙版的密度值和反差值，才能准确复制原作中，各种亮度和饱和度的青蓝色，以及处于亮调区域浅红云层的层次。

1.4.2.彩色计算机图像处理的工作原理

早期的彩色计算机以模拟计算机为主，模拟计算方式就是对模拟图像密度的电信号进行计算的方式，即应用照相蒙版技术原理，以图像光信息所转换的电压信号，模拟分色图像密度、蒙版密度、蒙版与分色图像叠加密度的数学模型为基础，设定计算公式进行图像处理的方式。而由光电转换器件转换的电流信号，并经电流/电压转换器转换成电压信号，电压信号虽与电流信号和图像的光信号都是线性关系，但与原稿图像相对应的密度并非成线性关系。模拟计算机以模拟密度进行运算，为方便运算，首先需要经过对数变换电路，对转换的电压信号进行对数变换，使其与原图像相对应的密度成线性关系，与电子校正回路相匹配。经亮调、中调、暗调层次校正，基本色校正、专色校正，黑版计算、底色去除（注解12. 底色去除：在四色复制中，用三原色还原灰色和黑色时，降低三原色比例，相应增加黑色比例的工艺）及细微层次强调等电子校正回路，进行电信号的线性和非线性函数运算，以此提高或降低图像各部位电信号的强度，改变最终输出图像密度的分布状况，完成图像一系列的处理、调节，改善图像质量，符合各种输出方式的适性要求。

彩色模拟计算机各项电信号强度的调节均有0------10级的档次变化，为有级调节。调节的电信号强度间的级差和范围较大，调节的精确度不高，一个级别的调节往往调节量不够，提高一个级别却又调节过量，电信号强度调节的范围较大，对相邻信号的影响也相应加大。

数字计算方式的处理、调节，并非是改变图像各个部位电信号的强度，而是改变图像各部位与电信号强弱相对应的数字信息。彩色数字计算机首先要通过模数转换器将模拟光信息的电信号转换成数字信息，这个转换程序由计算机内存的，以描述颜色特性的色相、亮度、饱和度（纯度）属性的三维颜色空间所设计、编制的数据库为标准，采用查表法或其它方法，将所析解的光信息与颜色空间中的光信息相比对，得到与所析解光信息相同或相似特性的存贮在数据库的数字信息，通过改变或置换数据以达到对图像的各种处理、调节。

数字彩色计算机各种调节均有0----100个数字可供选择，每项调节量间的差值很小，调节时的精确度大大高于模拟彩色计算机。

计算机图像处理无论是由电信号加减的模拟密度处理技术，还是数字信息变换的数字技术，均以照相蒙版技术为基础，以电信号迭加或数字交换的方式，改变原图像颜色的亮度、饱和度、色相等光信息与再现图像相应光信息的对应关系，对图像进行反差、亮度、阶调层次（亮、中、暗）、颜色（基本色、相反色）、底色去除、底色增益（注解13. 底色增益：增加黑色处的三原色比例，提高图像黑色密度的工艺）、清晰度等各种调节。

1.4.3.图像处理应用软件

本文所提到的图像处理应用软件，是专指对彩色阶调图像的色彩合成及输出的各种适性处理，对图像反差、阶调层次、颜色属性以及清晰度等进行调节，是提高图像质量的软件。而不是改变图像中人、景、物的形状、位置以及颜色变换等设计、美图软件或动谩制作、特效软件。

目前数字彩色计算机的图像处理、调节已完全被各类图像处理软件所取代，在手机中也均装有类似的图像调节软件。图像处理软件的设计以彩色数字计算机的工作原理及各项调节内容和调节量为基础，以此进行程序编制，通过数值设定，改变曲线形状，移动滑块等方式对图像进行调节。可无级改变颜色亮度、饱和度、色相的数字信息，以完成图像的各种处理、调节，并能即时显示图像的调节效果，操作十分简便，很容易掌握，已普遍应用于彩色阶调图像光信息传递的各个领域。

彩色数字计算机虽然可无级改变图像的亮度，但改变亮度的范围却只能限制在亮、中、暗三个阶调段的范围内。因此当增强某一阶凋层次，即加大曲线斜率时，相邻曲线斜率就会较大幅变度减小，该阶调范围内的层次被压缩，对相邻阶调层次的最终再现影响很大，如 P17------7图曲线所示。该曲线为彩色数字计算机亮调调节后所标绘的层次曲线，中调层次被大幅压缩。

对照 P17------8未作增强亮调层次调节时的曲线形状，更可清楚表明这一状况。P17------8图中1.0至2.0密度的中调区域，其曲线斜率明显大于 P17------7图中相对应密度区域的曲线斜率，说明经加强亮调层次调节后的中调区域层次曲线，被压缩在一个较小的密度范围内，即亮度间的差值减小，层次变差。

随着数码相机象素数及转换的的数字信息量不断地增加，以此设计和编程的图像处理应用软件，对彩色阶调图像调节的精度越来越高。目前图像处理应用软件其调节图像的特点，就是可任意设定光信息调节的范围，即在亮、中、暗阶调内选择更小的亮度范围，随意改变表示光信息对应关系的层次曲线形状，颜色调节也同样，不但能大幅度的提高或降低七色颜色系列的饱和度，而且还可以选取图像中的任何颜色，对该选取的颜色单独进行亮度、饱和度的调节。

随之而来的是调节的盲目性，随意调节很容易产生错误的调节，反而会影响图像的质量和艺术性的体现。因此，计算机图像处理技术无论如何变化，图像处理调节应用软件无论如何更新、升级，图像处理、调节以正确的艺术思维为指导，遵循呈色原理和色彩再现规律的原则不会改变。只有克服图像处理、调节时的盲目性、随意性，才能确保最终输出的彩色阶调图像质量和艺术性的体现。