影响数字图像质量的因素

　　数字图像通常由扫描获得（有时也可由数字相机获得），影响数字图像的因素是多方面的，一般来说图像数字化过程的正确，是保证数字图像质量的基础。扫描是最常用的数字化过程，例如平面艺术品、幻灯片或照相印刷品的数字化都要用到扫描。因此扫描质量和最终输出设备的性能是影响图像质量的最重要的因素。此篇文章主要是从分辨率、像素深度、图像的颜色模型以及图像文件的存储格式方面来分析影响数字图像质量的因素。

　　一、分辨率
　　图像的分辨率是指一幅图像在单位长度内的像素数目，一般用ppi （pixels per inch）表示，即每英寸的像素数。图像的分辨率实际上就是扫描分辨率spi(samples per inch)。我们不能把它与dpi（dots per inch）相混淆。dpi是用来度量一个激光打印机或照排机的输出分辨率的，它表示每英寸有多少点。例如，输出分辨率为2450dpi的图像照排机在每平方英寸面积内产生600万多个点（2450×2450=6002500）。标准的300dpi的激光打印机每平方英寸可产生90000个点。图像包含的点越多，图像分辨率越高，印刷质量越好。另外照排机还有一个不常见度量是每毫米有多心像素即rels x，这里x是每毫米的像素数，如：reis 4 就是每毫米有4 plxels，大约为102 ppi（或spi）。
　　还有一个概念，那就是印刷机的分辨率，印刷机的分辨率是用lpi（line per inch）表示的，即每英寸有多少线，通常也称为网目线数、半色调网屏、加网线数或屏幕频率。扫描分辨率spi是与屏幕频率直接相关的。数字图像输出到印刷机或图像照排机上时与传统印刷相似也将被分解为网点。输出设备产生网点是通过转化为一组更小的开或关状态的点来实现，这些点就是像素。如果输出设备是图像照排机，那么它可以输出到胶片和纸张上。印刷时，像素组合成一系列单元，从这些单元形成了网点。通过控制单元内像素点的开或关形成网点并决定灰度级。
　　像素是指组成一个图像的许多细小的方块图像元素。数字图像的像素值是原稿图像数字化时由计算机赋予的值，它代表了原稿某一小方块的平均亮度信息，或者说是该小方块的平均反射密度信息。对于扫描后的图像而言，像素包含了每个取样信息如颜色、灰度级、黑或白。像素的大小取决于扫描分辩率。例如 150 spi表示扫描仪每隔1英寸的1／150取样一次；72 spi表示每隔1英寸的1／72取样一次。扫描分辨率越高，获得的图像细节越多。
　　扫描分辨率
　　当一个图像以很低的分辨率扫描时获得的像素较大，图像的细节较少，表达的色彩信息也少，图像的质量明显降低。但另一方面，如果扫描分辨率太高，也不一定会达到预期效果。扫描分辨率过高时，扫描后的图像文件将会产生不必要的过大，以至在RIP处理时需要很长的时间。打印机只能以每英寸有限的行数来生成图像，所以对于最终的输出品的质量来说也并不见得有所提高。即使扫描的图像是输到Web上，结果也是一样。因为，大多数用户在显示器上观看图像所使用的分辨率为72ppi。一般为了得到最好的扫描，建议考虑使用下面的经验公式：
　　彩色图像的扫描 对于彩色图像或灰度图像，恰当的扫描分辨率与你想要的屏幕频率有关。关于屏幕频率，你可以在你的打印机上得到，也可请教印刷专业人员。一般来说，报纸是以 85 lpi的屏幕频率印刷的。大多数平版印刷的杂志使用133 lpi或150 lpi。某些在铜版纸上印刷的艺术书籍采用200lpi。知道了屏幕频率就可用以下公式计算扫描频率：
　　a）对于屏幕频率在133 lpi 或更高一些的：
　　扫描分辨率=屏幕频率×2×原图的缩放比例
　　b）对屏幕频率少于133 lpi的：
　　扫描分辨率=屏幕频率×1.5× 原图的缩放比例
　　例如，你要扫描一个3×5的图像，再现尺寸为18／5×6（英寸）（原图的120％），若采用85 lpi屏幕频率，你可以以153 spi（85×1.5× 1.2=153）的扫描分辨率扫描。
　　黑白线条艺术品的扫描　诸如线条艺术、徽标和文本等的黑白图像常称为位图图像。使用这个术语是因为制作黑白图像时每个像素只需要1 bit。在彩色图像和灰度图像中，彩色和灰色的梯度可以隐藏边界，并使图像融入到其背景中。而在黑白图像中，黑色和白色之间强烈的反差会使眼睛的注意力引向轮廓线。所以对黑白线条艺术品的扫描要求不同于彩色图像，要取得最好的分辨率，扫描要尽可能地接近最终的输出分辨率。否则，印刷出低扫描分辨率的图像将有可能出现“锯齿状”。
　　对黑白线条术品的扫描可用下列公式：
　　扫描分辨率＝输出分辨率×原图缩放比例
　　打印机和图像照排机的分辨率都是以每英寸多少点（dpi）来衡量的，但不管你的输出设备分辨率有多高，600 spi对许多线条艺术作品来讲已是很不错了，扫描分辨率最好不超过1200 spi（即使输出分辨率可达很高）、超过此数以上的扫描图像在质量上的差别已很难用肉眼分辨了，并且过高的扫描线数只会使图像增大，使图像输出变慢。
　　印刷中，要得到高质量的数字图像，不仅图像的分辨率不能低于屏幕频率的1.5倍，而且图像的质量还取决于所用的纸张。在最大分辨率和屏幕频率下印刷并不总是可行。不是所有的印刷机都支持最高屏幕输出，大多数纸张也不适合高屏幕频率印刷。比如，在报纸上以高屏幕频率印刷时，它会吸收点，引起太多的油墨扩散，从而产生非常模糊的输出质量。因此，纸张是采用多大屏幕频率的决定因素。

　　二、像素深度
　　像索深度是指存储每个像素所用的位数（即bits），它也是用来度量图像的分辨率。像素深度决定彩色图像的每个像素可能有的颜色数，或者确定灰度图像的每个像素可能有的灰度级数。用来表示像素的位数（bits）越多，像素能表达的颜色数目就越多，而它的深度就越深。虽然彩色图像可以很深，但像素越深所需要的存储空间也越大。像素深度太浅，又影响图像的质量，图像看起来让人觉得很粗糙、很不自然。
　　Bits 是数字数据的基本元素。每个Bit要么开要么关，通常用1或0表示，即只有两种变化。扫描后的图像的每一个像素都有一个像素深度，例如1 到32－bits。1－bit的图像是黑白图像（如上面提到的黑白线条画）。一个2-bit像素有4种变化（00 01 10 11），它表示的颜色范围是从白色-浅灰色-深灰色-黑色。
　　一个8-bit的像素能表达256级灰度里的所有灰色，这些颜色能由PostScript(R)Level 2和Level 3 打印机打印出来。一幅图像的每个像素用R，G，B三个分量表示，若每个像素深度为8-bit，那么每个像素共用 24 bit 表示，每个像素可以是 16777216 种颜色中的一种。
　　在用值32－bits 表示一个像素时，若R，G，B分别用8－bits表示，剩下的8－bits 常称为α通道（alpha channel）位。在Adobe Photoshop 软件中就有一个α通道。更常见的是，在一个 CMYK 模式中有4个8 bit 通道，分别为青色通道、品红通道、黄色通道、和黑色通道。

　　联系前面所讲的有关图像像素深度知识，对于一台与配备了24位色彩的计算机相连的显示器上复制水晶般清晰的数字化图像来说，16777216 种颜色已经足够了，尽管这只是自然界中可见色彩的一部分。
　　CMYK 颜色模型
　　青、品、黄是次级色，是红、绿、蓝的互补色。CMYK 颜色模型以打印在纸张上油墨的光线吸收特性为基础，当白光照射到半透明油墨上时，部分光谱被吸收，部分被反射回眼睛。理论上，纯青色（C）、品红（M）和黄色（Y）色素能够合成吸收所有颜色并产生黑色。由于这个原因，CMYK模型叫做减色模型。但实际上打印油墨都会包含一些杂质，这三种油墨实际上产生一种土灰色，必须与黑色（K）油墨混合才能产生真正的黑色（使用 K 或Bk而不是B是为了避免与蓝色混淆）。一个印刷品的颜色由 39％青，47％品红，0％黄和1％黑（黑色可吸收所有的光线）组成，这个印刷品将反射出60％红光，52％绿光，和99％蓝光。
　　Lab 颜色模式
　　Lab 色彩模型是在1931年国际照明委员会（CIE）制定的颜色度量国际标准的基础上建立的。1976 年，这种模型被重新修订并命名为 CIELab， Lab 颜色设计与设备无关；不管使用什么设备（如显示器、打印机、计算机或扫描仪）创建或输出图像，这种颜色模式产生的颜色都保持一致。Lab 颜色由心理明度分量（L）和两个色度分量组成；这两个分量即a分量（从绿到红）和b分量（从蓝到黄）。Lab图像是包含24（8×3）位／像素的三通道图像。
　　可以使用 Lab 模式处理 Photo CD（照片光盘）图像、单独编辑图像中的高度和颜色值、在不同系统间转移图像以及打印到 PostScript（R） Level 2 和 Level 3 打印机。要将 Lab 图像打印到其它彩色 PostScript 设备，应先将其转换为 CMYK。一般， 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。
　　HSB 色彩模式
　　HSB 是基于人对色彩的感觉，而不是RGB的计算机值，也不是打印机的CMYK百分比。人眼认为色彩是由色度、饱和度和亮度组成的。HSB 模型描述颜色的三个基本特征：
　　1. 色度H，在 0 到 360 度的标准色轮上，色相是按位置度量的。在通常的使用中，色相是由颜色名称标识的，比如红、橙或绿色。色度是基于由物体反射回的光波波长或透射过物体的光波波长。
　　2．饱和度S，是指颜色的强度或纯度。饱和度表示色相中彩色成分所占的比例，用从0％（灰色）到100％（完全饱和）的百分比来度量。在标准色轮上，从中心向边缘饱和度是递增的。饱和度常称为作品色，饱和度越高，灰色成分就越低，色彩的强度也就越高。
　　3. 高度B，是颜色的相对明暗程度，通常用从0％（黑）到100％（白）的百分比来度量。
　　以上四种颜色模型是在图像处理中经常用到的几种模型，图像的颜色模型不同，颜色在表这图像上当然就有差别。

　　四、图像的存储格式
　　图像存储格式对数字图像是有很大影响的，存储格式对图像有无压缩、它能表达的颜色数目以及图像像素的深度这些都是相关的。此处简要介绍我们常见的几种存储格式：
　　*. Jpg／*．Jpeg（Joint Photographic Expert Group）
　　*．jpg／*．jpeg是24位的图像文件格式，也是一种高效率的压缩格式，它是面向连续色调静止图像的一种压缩标准。其最初目的是使用 64Kbps 的通信线路传输 720×576 分辨率压缩后的图像。通过损失极少的分辨率，可以将图像所需存储量减少至原大小的 10％。由于其高效的压缩效率和标准化要求，目前已广泛用于彩色传真、静止图像、电话会议、印刷及新闻图片的传送上。但那些被删除的资料无法在解压时还原，所以*．jpg／*．jpeg文件并不适合放大观看，输出成印刷品的品质也会受到影响。不过，它对图形图像的损失影响不是很大，一幅16M （24位）的*．jpg／*．jpeg 图像看上去与照片没有多大差别，非专业人士甚至无法分辨。同样一幅画面，用*. jpg／ *．jpeg 格式储存的文件是其他类型图形文件的1／10～1／20。一般情况下， *．jpe／*．jpes文件只有几十KB，而色彩数最高可达到24位。
　　*.tif／*.tiff（Tag Image File format）
　　*.tiff是由Aldus为Macintosh机开发的一种图形文件格式，最早流行于Macintosh,现在Windows上主流的图像应用程序都支持该格式。目前，它是Macintosh和PC机上使用最广泛的位图格式，在这两种硬件平台上移植*.tiff图形图像十分便捷，大多数扫描仪也都可以输出*.tiff格式的图像文件。该格式支持的色彩数最高可达16M种。其特点是：存储的图像质量高，但占用的存储空间也非常大，大小相应*.jpeg图像的10倍；细微层次的信息较多,有利于原稿阶调与色彩的复制。该格式有压缩和非压缩两种形式,其中压缩形式使用的是LZW（Lempel-Ziv—Welch）无损压缩方案。在PhotoShop中，*.tiff格式能够支持24个通道，它是除PhotoShop 中格式（*.psd和*.pdd）外惟一能够存储多个四通道的文件格式。惟一的不足之处是：由于*.tiff独特的可变结构，所以对*.tiff文件解压缩非常困难。
　　*．pcd（Kodak PhotoCD）
　　*. pcd 是一种 Photo CD 文件格式，由 Kodak 公司开发，其他软件系统只能对其进行读取。该格式主要用于存储CD－ROM上的彩色扫描图像，它使用YCC色彩模式定义图像中的色彩。Y CC色彩模式是CIE色彩模式的一个变种。CIE色彩空间是定义所有人眼能观察到的颜色的国际标准。YCC 和CIE色彩空间包含比显示器和打印设备的RGS色和CMYK色多得多的色彩。Photo CD图像大多具有非常高的质量，将一卷胶卷扫描为Photp CD文件的成本并不高，但扫描的质量还要依赖于所用胶卷的种类和扫描仪使用者的操作水平。
　　*．eps（Encapsulated PostScript）
　　*．eps是用PostScript语言描述的一种ASCII图形文件格式，在PostScript图形打印机上能打印出高品质的图形图像，最高能表示32位图形图像。该格式分为PhotoShop EPS格式(Adobe Illustrator Eps)和标准EPS格式，其中标准EPS格式又可分为图形格式和图像格式。值得注意的是，在PhotoShop中只能打开图像格式的EPS文件。*. eps格式包含两个部分：第一部分是屏幕显示的低解析度影像档，方便影像处理时的预览和定位；第二部分包含各个分色的单独资料。*. eps文件以DCS／CMYK形式存储，文件中包含CMYK四种颜色的单独资料，可以直接输出四色网片。但是，除了在PostScript打印机上比较可靠之外，*. e ps格式还有许多缺陷：首先，*. eps格式存储图像效率特别低；其次，*. eps格式的压缩方案也较差，一般同样的图像经*．tiff的 LZW压缩后，要比*. eps的图像小3到4度。
　　*. bmp（Bitmap）
　　*. bmp 是用于Windows和OS／2 的位图（Bitmap）格式，文件几乎不压缩，占用磁盘空间较大，它的颜色存储格式有1位、4位、8位及24位。分辨率也可从480×320 至1024×768。该格式在 Windows 环境下相当稳定，并且DOS 与Windows环境下的图像处理软件都支持该格式，因此，该格式是当今应用比较广泛的一种格式。但缺点是该格式文件比较大，所以只能应用在单机上，不受网络欢迎。
　　上面谈到的是图像文件的存储格式，关于图像的存储，图像的大小与图像的存储也是有关系的。这里附带地介绍以下图像大小两个概念：一个是图像的物理大小即高度和宽度，对于数字图像，通常用像素表达，而不用英寸或毫米。然而在一个完成的版面设计上，图像的尺寸常用英寸表示。另外一个是指图像文件的大小，即有多少字节（bytes或megabytes）。这涉及到图像的分辨率、像素深度和最大尺寸。我们可以用下列公式计算一个数字图像的文件大小：（像素宽度× 像素高度）×（像素深度÷8）
　　这样计算出来的就是文件的字节数，将字节数除以1024就得到千字节(kilobytes),若再除以1024就得到兆字节（megabytes）。例如,一个24bits RGB颜色模式的数字图像,它的像素宽度为459pixels、像素高度为 612 pixles，则文件的大小就是823K：
　　（459×612）×（24÷8）=842724 bytes÷1024=823K