浅谈图像处理教学中的色彩定量分析

摘要：数码相片在屏幕显示与实际输出是不同的色彩体系。使得人们在实际操作中产生错觉；RGB、CMY、HSB色彩表示方法与传统的色彩理论：Ostwald、Munsell和CIE怎样在现代图形图像软件中能有机的结合?使得数码影像的调校更加科学、合理。

关键词：数码相片；色彩体系；色彩数字化；数字窗口；处理方法

数码相机成像原理就是光电效应，目前市场上常见数码相机的成像器件有CCD(电荷偶合器件)和CMOS(互补金属氧化物半导体)两种，CCD或CMOS负责把镜头照到它上影像按三基色分别转换为电荷，再通过模／数转换器(A／D)芯片转换成RGB(红、绿、蓝)数字信号，然后将信号送到处理器(DSP)处理，最后存储到存储卡上的是一幅由RGB数字(0-255)描述的点阵(像素)二维图。同理，扫描仪所得数码影像也是雷同：所以，处理数码相片或数码影像实质上就是分析和处理RGB数字信号。

在处理数码影像时我们大多数是以电脑的显示屏所显示的效果为参照：笔者认为屏显是一种感性的带有不确定性，屏幕所显示色彩效果既不是数码相片的本身效果，也不是打印或冲印出来的实际效果。现在我们来分析一下原因：

(1)色彩体系定义不同：RGB是色光加色体系。也是电脑屏幕的显色体系；而打印或冲印是CMY(品、青、黄)染料减色体系，RGB体系的色域是2563=16，777，216种颜色而CMY体系的色域是1013=1，010，301种颜色，所以在电脑屏幕上所能显示的色彩从理论上讲只有近1／16能颜色染料打印或冲印出来。

(2)电脑屏幕显色调校不同：不同显卡和不同的品牌的显示器再加不同的用户偏好，可以说相同的数码影像在不同的电脑显示器上显示效果都不一样。

色彩表示体系有Ostwald、Munsell和CIE、日本色彩研究所等四种，皆是以三个数字(RGB、CMY、HSB、lab)来表示某一色彩。适用于染色物、涂装物、陶瓷物等类均一表面色的物品，不能表现透明、半透明的颜色。

数码影像在相机或电脑显示屏上显示属于RGB方式涂装(主动发光)，打印或冲印出来的相片属于CMY方式的染色(被动反光)。

所以笔者认为在数码相片处理中应该以显示的色彩数字(RGB、CMY、HSB、lab)为标准，而不是我们所看到的屏显视觉效果；现在关键的问题在于：如何利用软件所显示的色彩数字来处理数码相片，传统的色彩表示法中的不同的色彩体系为我们提供了理论基础，下面就以常用的Adobe Photosho为例来一一举例分析说明。

在拍摄过程中，由于种种原因使得所拍摄的影像存在或多或少的不足，特别是在曝光上存在误差会使得影像在明度、色彩及反差等方面都没有正确还原景物的本来面目。

(1)修正曝光误差：即调整影像色阶：Adobe Photoshop中的Ctrl+L

色阶是表示图像亮度强弱的指数标准，也就是我们说的色彩指数。图像的色彩丰满度和精细度是由色阶决定的。色阶指亮度，和颜色无关。但最亮的只有白色，最不亮的只有黑色。色阶表现了一副图的明暗关系。如：24位色的RBG空间数字图像，其每个单色为8位，数字分布用28(即256)个梯阶表示红蓝绿，每个颜色的取值都是0－255，理论上共有256～256x256种颜色。色阶图只是一个直方图。用横坐标标注质量特性值，纵坐标标注频数或频率值。各组的频数或频率的大小用直方柱的高度表示的图形：可将各种类型的数据绘制成此图表。在数字图像中，色阶图是说明照片中像素色调分布的图表，是可以在后期重新构建影像的明暗关系。

在图像处理中，调节色阶(level)实质就是通过调节直方图来调节不同像素值的大小来改进图像的明暗层次效果。色阶所表示的是表示色彩分布(0－255)关系；分为：全色RGB(明度)分布(0－255)，红色R分布(0－255)，绿色G分布(0－255)，蓝色B分布(0－255)。

奥斯特瓦尔德从染料(颜料)反光的物理特性指出，一切色彩均为纯色加黑加白混合而成。颜料染色物的纯白实际上并非真正的白，真正的白是光源发出的光线；颜料染色物的最高纯白只有光源纯白的89％，也就是含有11％的黑：同样颜料染色物的最低的纯黑也不是真正的黑得来什么也看不见，而是含有3.5％的白。本人认为，奥斯特瓦尔德色立体理论在相片影像黑白明度层次表现中。可以通俗地理解为：当影像中的高光的RGB值超过255的89％、暗调的RGB值低于255的3.5％时，在RGB显色体系状态(屏幕)下的是有区分(层次)的；但在CMY染色体系状态(输出影像)下是没有区分(层次)的。深层次的原因是由于二大体系色域的不同。

所以，在调校色阶时，应将高光控制在255的89％即220～235以下，暗调控制在255的3.5％即8～11以上。这样调校完成后的影像的输出(打印或冲印)效果与显示效果差距很小。(2)修正偏色(色彩平衡)：也就是调校：AdobePhotoshop中的Ctrl+B 色温平衡指的是组成影像的三基色与三原色对应平衡比例关系。导致影像偏色的原因很多：曝光误差、白平衡误差、环境色等。问题的关键是你怎样确定是否偏色?偏了多少?是怎样偏的?由于前面所讲原因。单从屏幕显示上是无法进行定量调校的。

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，也就是说无论是黑、白、灰，其构成的三基色RGB都应该是等量的：如果影像中的黑白灰中的RBG不等量就是说这幅影像存在偏色。尤其是在这点上在屏显视觉上是无法做到的。

所以找到画面中的绝对黑、白点来对比调校才是校色的关键。如头发、明显的白色物体等，另外在调校影像时一定要打开Adobe Photoshop中的“信息”窗口。调校色彩平衡的方法与步骤：

A：打开Adobe Photoshop中的“信息”窗口。

B：按Ctd+B，在弹出的对话框中先选“高光”。

C：将鼠标放在影像中的“拟定的白色”处。

D：以显示的RGB数值中的中间值为基础，加或减别外两个值：使RGB三个值一样。按Enter键确定。

E：同理再按Ctrl+B，在弹出的对话框中先选“暗调”，重复B、C、D，调“拟定的黑色”。 一般不调中间调(灰)，主要是不好找(不好决定)哪个地方是纯灰。

(3)调整影像的亮度与对比度

对比度就是指反差：影像的明暗对比及影调关系。在前面的调校中，调整色阶好像也调整了亮度，但意义不同：

色阶修正的是曝光：分别调整的是：暗部／亮部／ 中间调(18％标准反光率)的亮度是否标准。

而亮度，对比度中调整“亮度”是整体(全画面)的亮度值B(HSB中的B)，“对比度”调整的是亮部与暗部的对比关系。

在这项调整中，同样以奥氏色彩理论为依据：最高的“白”RGB值是不大于227，最低的“黑”RGB值是不小于9。

如果影像的反差过大或亮部与暗部比例太大；可通过适当的调整“高光与暗调”来解决(8.0版本以上)。

(4)调整色彩的饱和度：也就是调校：Adobe Photoshop中的Ctrl+U。

在调整色相和饱和度中，可调整整体也可单独调整某一个单色：红、黄、绿、青、蓝、品(洋红)。

在这项调整中，也要打开Photoshop中的信息窗口，把信息右方显示方式从RGB切换成HSB。

在前面的调校中，影像的整体H色相、B明度均已做好调校。在该项调校中主要针对三原色(RGB)和三基色(CMY)中的任意一个单独的强调(夸张)或改相(色彩倾向)；而不会影响其它5个色彩。

在CIE显色体系中，所有的色彩纯度S都可达到100％，但是，染料的最大纯度是按孟塞尔色彩体系中色树排列的：红HOS91％B93％、橙H33 S95％B97％、黄H57 S100％B100％、绿H120 S57％B75％、蓝H2A0S63％B60％、紫H285 S74％B50％。也就是说各种色彩能输出的最高纯度是各不相同的，也没有一定的规律性。

所以在调校色彩纯度时，要看是否超越了染料的色域，如果上世纪80年代前只能是查1974年美国版本、厚达40页《孟塞尔颜色图册》，包括1450块颜色样品及37块中性色样品。好在数字化时代的今天，Adobe公司已在Photoshop的拾色器中输入了所有的孟塞尔颜色数据，超出了《孟塞尔颜色图册》的颜色都有警告提示。

当用吸管工具吸取已调好的某一色彩时，点击拾色器：如出现警告提示则说明超越了输出色域。

从1666牛顿发现光的色散、1802年，Thomas Younz提出了RGB三基色到1905年Albea H.Munsell建立孟塞尔颜色系统(Munsell color systeml，和1914年，Wilhelm Ostwald推出了奥斯特瓦德颜色系统，1931年国际照明委员会(CIE)定义了标准颜色体系：现在大家熟悉的CIE色度图(CIE chromaticity diagram)为大多数定量的颜色度量方法奠定了基础。

现代数字化色彩正是以此为基础，但由于屏幕显示与实际输出是不同的色彩体系，使得人们在实际操作中产生错觉：怎样把传统的经典色彩理论与现代的数字色彩表示方法相结合，是影像工程、图形图像等专业的色彩工作者需要进一步探讨的新领域。