数字色彩教程:数字色彩的基本原理

第一章数字色彩的基本原理

1.1 色彩的形成
1.1.1 自然界色彩的产生
      光是自然界的一种物理现象；光源——可见光波通过人眼——使人感觉到色彩。
      （图三棱镜色散 01）
1.1.2        数字色彩的生成
（1）计算机
     计算机主机计算、存储的有关数据——帧缓冲存储器——像素发生器——帧缓存扫描器——视频发生器〔电子束通过电子枪－撞击在萤屏的萤光粉上（由三维的品字形组成的小点）－形成256级光斑〕— 生成色彩
    彩色CRT监祝器     CRT监视器利用能发射不同颜色光的荧光层的组合来显示彩色图形。
    常见的CRT产生彩色显示的基本技术是“荫罩法”。电子枪（红、绿和蓝）的强度等级256。
（2）扫描仪、数码照相机和数字摄像机

1.2 数字图形与数字色彩
   1.2.1 数字图形的概念
    要定义“数字图形”概念，首先必须弄清“图形”的含义。“图形”一词在《现代汉语词典》里，指在纸上或其他平面上表示出来的物体的形状，也是几何图形的简称。
    “图形” 与英文“graphics”；所谓的“平面设计”。
     在计算机领域里，计算机图形学(computer Graphics)和计算机图象处理(Computer Image Processing)是基于不同的计算机技术所形成的相对独立的学科，随着计算机科学技术的进步，两者之间的相互重叠、相互渗透越来越多。
    在我们使用计算机进行视觉设计时，图形和图象更是不可分离。
    为了跟计算机领域的“计算机图形学”相区别，我们把在视觉艺术领域（包括绘画、雕塑、艺术设计、工业设计、多媒体设计、电视等）通过计算机技术处理绘制的图形、图象和字体都统称为“数字图形”。换句话说，“数字图形”是通过人为设计在计算机上显示的图形、图像、动画、字体的统称。

1.2.2数字图形及其色彩的角色
     计算机显示的形象跟传统的绘画、制图的形象存在一定的差异。
     传统手工绘画、制图，图的造型和色彩一般是分步绘制和相对存在的，图的外形（或外轮廓）和色彩是完全不同的两种概念和两种表达方式。
    特别是中国画。
    我们从显示屏上看到的所有照片、图形、符号和空白，都是计算机以红、绿、蓝(R.G.B)三种基色显示的结果。在所有的数字图形中，从显示的角色来说，图形和色彩是合二为一的；色彩等同于图形，图形本身就是由色彩构成，二者不可分离。

1.2.3 点阵图与色彩
     数字图形，根据它们在计算机里生成的结构和不同方式，可分为“点阵图”和“失量图”两大类。要弄清“点阵图”像素的秘密，必须首先了解构成点阵图的最小单位 — 像素。
（1）像素
     像素是构成点阵图的基本单位，它由许多个大小相同的像素沿水平方向和垂直方向按统一的矩阵整齐排列而成。
    像素的英文名称是Pixel, 它是一个利复合词，由Picture和Element复合而成。
    我们把计算机产生的数字图形分主“生成”和“呈现”两个阶段。
      “生成” 阶段
    用计算机相关语言和输入设备(如键盘、鼠标和扫描仪等)写入数字图形文件。早期的计算机系统描绘图形并不是“所见即所得”的。
    当一个数字图形文件被好之后。要借助具有显示功能的命令才能把这个图形呈现出来。看到所设计的图的象貌。今天用于机械设计的Auto CAD低版本，就残留有早期生成的遗迹。
     “显现”阶段
     一个数字图形文件被写好完成时，就具备了该图形的全部性质，包括像素和色彩。
    在“生成”阶段，数字图形的像素和色彩是不可见的，它只是一串记录图形、色彩性质的数字信号，没有视觉上的长、宽、颜色等量度的大小。只有当它进入“呈现”阶段，这一串数字信号才以特定的长宽比和分辨率展示在计算机的显示器上，图形文件才有了可视的形象、色彩及长宽量度等，这就是“显现”阶段。
    像素本身是没有实际尺寸的，它依赖于输出(呈现)它的硬件设备。只有当像素向指定的设备(如显示器、打印机)输出时，才具有物理量的长宽、面积等。

    ( 2 ) 点阵图
     点阵图是由一定数目的像素组合而成的图形，也称为“图像”、“光栅图”。像素是构成点阵图的最小单位，点阵图的大小与精致，决于组成这幅图的像素数目的多少。由于像素的分布是沿水平和垂直两个方向矩阵式排列的，任何一个点阵图总是有一定数目的水平像素和垂直像素。
我们通常用 “水平像素数×垂直像素数”表示一幅点阵图的大小。
我们鉴识一个点阵图的精致与否，应该看它有多少像素，而不是看它有多少长宽尺寸，只有像素才是决定一个点阵图精致与粗糙的决定因素。在相同的图形文件格式和相同的位深度的情况下，一个点阵图包含的像素越多，它的图形文件就越大，所要占据的存储器空间也越大。
    影响点阵图大小的还有两个因素：“位深度”和储存图形的“文件格式”。
“位深度”是计算机用来记录每个像素颜色丰富与单调的一种量度，位深度的值越大，点阵图的颜色就越丰富，图形所需占用的空间也越大。
“文件格式”的不同，直接影响到文件的大小，在其他条件相同的情况下，采用TIFF格式储存点阵图，比采用EPS格式储存时文件要小，但比采用JPEG格式储存时的文件要大。
    点阵图的最大优点是能够较“真实”地再现人眼观察到的世界，类似于照片，比用失量图画出来的图形要“逼真”得多。因此，点阵图多借助扫描仪，数码照相机等输入设备来获取素材。
     点阵图的主要缺点是当点阵图较大或用高分辨率扫描图片时，需要消耗大量的存储器空间和较好的硬件设备来处理和存储它们。

   ( 3 ) 位深度（色彩深度，bit depth）
     计算机之所以能够表示图形，是采用了一种称作“位”( bit ) 的记数单位来记录所表示图形的数据。当这些数据按照一定的编排方式被记录在计算机中，就构成了一个数字图形的计算机文件。这有点象郑板桥画竹前意想中的“胸有成竹”。因此在数字图形未显示之前，它是储存于计算机中一组不可见的电子信号，用来描述它的记数单位“位”( bit )，也是一种看不见的量，它不具有视觉上的长宽和大小。
   “位”( bit )是计算机存储器里的最小单元，它用来记录每一个像素颜色的值。图形的色彩越丰富，“位”的值就会越大。每一个像素在计算机中所使用的这种位数就是“位深度”。在记录数字图形的颜色时，计算机实际上是用每个像素需要的位深度来表示的。

（注：在数字图形中，一切可见的点、线条、色块和空白都是由红、绿、蓝三种颜色合成的，所以对于数字图形来说，色彩无处不在，计算机显示的图形不存在没有颜色的“空白”。）

黑白二色的图形是数字图形中最简单的一种，它只有黑、白两种颜色，也就是说它的每个像素只有1位颜色，位深度是1，用2的一次幂来表示；
4位颜色的图，它的位深度是4，用2表示，它有2的4次幂种颜色，即16种颜色 ( 或16种灰度等级 ) 。
8位颜色的图，位深度就是8，用2的8次幂表示，它含有256种颜色 ( 或156种灰度等级 )。 (如图位深度 01 )
24位颜色可称之为真彩色，位深度是24，它能组合成2的24次幂种颜色，即：16，777，216种颜色 ( 或称千万种颜色 )，超过了人眼能够分辨的颜色数量。当我们用24位来记录颜色时，实际上是以2 8*3，即红、绿、蓝 ( RGB ) 三基色各以2的8次幂，256种颜色而存在的，三色组合就形成一千六百万种颜色。
(如图位深度 02＋03 )。
32位颜色的位深度是32，实际上是2 8*4，即青、洋红、黄、黑 ( CMYK ) 四种颜色各以2的8次幂，256种颜色而存在，四色的组合就形成4,294,967,296种颜色，或称为超千万种颜色。

色彩位深度对照表

        二进制                位深度                   颜色数量
        2 8                        8                       256 色
        2 16                      16                     65,536色
        2 24                      24                  16,777,216色
        2 32                      32                4,294,967,296色
        2 64                      64                    ……..….色

事实上，目前的计算机或其它显示设备只能显示RGB 色彩，即2 24 的真彩色，大于这个数值的色彩位深度是“不真实”的，也不能完全表现出来。如phtoshop中有一幅（16 bit）的图片，它的每个颜色通道是16 bit，也就是2 32，色彩位深度是32。phtoshop 的很多工具和命令都不能对它起作用。

以上方格式的色彩位深度示意图，是用来表示每个像素的色彩位深度。只有当每个像素都具备表达2 24 色时，我们才可能把不同的真彩色图片用这台计算机显示出来。
我们抽取位于图片最中央的这个像素作为说明。

1.2.4 矢量图与色彩
(1) 图元：“图元”Primitives, 它是矢量图中可用来构成更复杂物体的基本元素或部件。（如图矢量图－图元）

(2) 矢量图：矢量图是数字图形的第二大类别。矢量图的构成方式与点阵图不同，它不是像素的矩阵排列。而是计算机按矢量的数字模式描述的图形。矢量图本身没有构成图形的“像素”，只是在计算机的显示器或打印机上输出时，矢量图才被硬件赋予虑似点的方式呈现出来。因此，矢量图无论在显示屏或打印机上放大多少倍。它的边缘看上去都是光滑的，不会出现锯齿状。这也是矢量图的最明显的优点之。
矢量图也称“面向对向图形”，不含有点阵图的纯矢量图形占据的存储空间很小；把它转换成相同分辨率的点阵图后，文件可能会增大到这个矢量图的几十倍甚至几百倍。
矢量图的缺点是看上去不“真实”，有明显的人工绘制的痕迹，显得的些呆板和不自然。复杂的矢量图，在某种场合下可能会出现打印问题，有时打印出的是乱码，有时只能打印出其中的一部分而陋掉另一部分。（如图大猩猩、angel ）

（3）矢量图与色彩
矢量图中的每个物件只有一个颜色值。因此，不受面具大小的影响，矢量图的色彩目前只能表示指定区域内平涂和规律性变化的色彩。而对于点阵图来说，物体的色彩信息必须加附在组成图象的每一个像素上，因此图象的面积越大，像素越多，从而颜色的信息也越多，文件就越大。

1.2.5 矢量文件中的点阵图色彩
在很多矢量文件中包含有点阵图；一个用SD Max建立的三维建筑模型，框架是矢量的，墙面的材质则是贴上去的点阵图。

包含在矢量格式中的点阵图，要受到来自矢量格式的种种限制。
不管它的面积有多大，图形有多复杂、色彩有多丰富，都只会把它作为“一个物件”来处理。虽然在corel draw等软件还允许对插入的点阵图作重新取样、转换色彩模型、2D效果、3D效果、残影、杂点、艺术化、锐化以及加载部分滤镜等等，但程序只对这个点阵图的整体作相对简单的数学运算，不能改变其中的部分像素，也不可能对它作更有效的图像处理。

1.3 分辨率（解析度）
   “分辨率”在有关图形图像、文字等描述中，是一个被误解、混用得最多的概念之一。这是因为这个词能使用于各种不同的场合，而每个场合都有各自物定的含义。
    “分辨率”的简单定义，是“在指定单位面积上的单位数目”。
1.3.1 点阵图的分辨率
    点阵图的分辨率，是指每个英寸长度单位内的像素数值。用通俗的语言表达，
就是指每英寸长度单位内能够容纳多少个像素。它用“像素/英寸”(Pixels inch) 即ppi表示。如果一个72 * 72 Pixel和点阵图，图的尺寸是2.54 * 2.54cm (1英寸 * 1英寸)，分辨率就是72 ppi, 这个点阵图刚好是1平方英寸大小。
    我们在不改变点阵图像素的情况下，把分辨率变为36 ppi,图的尺寸就会变为5.08 * 5.08 cm ( 2英寸 * 2英寸 ), 这个点阵图的尺寸就放大了2倍，变成2平方英寸。
    由此，我们得出结论：
    A. 点阵图的像素，随着图形分辨率的增加而增加，它与分辨率成正比；图形文件的大小也与分辨率成正比。
B. 点阵图的尺寸随着图形分辨率的增大而缩小。尺寸与分辨率成反比。
               像素
      分辨率 =
                  图的尺寸

根据上述结论，我们用同一个固定像素的点阵图，分别在不同分辨率的视窗中打开，或在不同分辨率的打印机上打印，会得到尺寸大小不一样的结果。

    我们在photoshop中，打开名为Big sky的天空图，系统缺省 ( 也叫默认 ) 它的分辨率为72 ppi, 它的相关数据如下：
    像素：宽640     高480     pixels
    尺寸：宽22.58   高16.93   cm
    Bigsky 72 ppi
    在不改变这个图像素的情况下，把它另存为分辨率是36 ppi 和144 ppi 的两幅图，则可得到以下的变化：
    像素：宽640     高480           像素：宽640     高480
    尺寸：宽45.16   高33.87          尺寸：宽11.29   高8.47
Bigsky_1 36 ppi                  Bigsky_2 144 ppi

在Bigsky_1中，由于分辨率比原图缩小了1/2，图的尺寸反而增大了2倍由
22.58 * 16.93 增大到 45.16 * 33.87cm
在Bigsky_2中，由于分辨率扩大了2倍，图的尺寸反而缩小了2倍由22.58 * 16.93
缩小到11.29 * 8.47cm 。

    1.3.2 矢量图的分辨率
矢量图是用数学方式的描述建立的图形，计算机对于一个图形，不是按照长宽矩阵对像素进行点阵排列，而是按特定的数学模式进行矢量的描述。例如画一圆，简单的矢量描述是：
MOVE TO 100, 100
      CIRCLE      20
     因此，矢量图的物件中，没有组成图形的像素，矢量图本身不存在分辨率的问题。
    应该注意的是，我们使用的计算机显示器，绝大多数都是CRT技术的光栅扫描形式的彩色显示器，无论是点阵图或是矢量图，显示的方式都一样。就象我们拼地面图案。
矢量图虽然本身是一幅没有小点（最小单位）光滑的图案，但它必须借助计算机的显示器呈现给观众，因此就不得不接受显示器的摆布，把它光滑的图案拆分成800*600（640*480）个小点，均匀地投射到整个荧光屏上。我们显示器上看到的矢量图，已经是经过显示器“践踏”后的容貌。
好在人的视觉能力在15英寸—20英寸的显示器上，分辨不清被拆分后形成的0.3 — 0.25 mm的小色点与未拆分前光滑的图案有多大差别。

由此可见，显示器是以一种虚拟的点来显示矢量图的。但我们必须明白，这种虚拟的点不是由图形本身的“像素”组成，而是显示器所为，与点阵图的“点”存在本质上的区别。点阵图中的“点”是“像素”，是图形本身结构的一部分，它随着图形分辨率的变化而被放大或缩小；矢量图本身没有“点”，显示器强加给它的虚拟的“点”，只与显示器的物理分辨率有关，不能被放大或缩小。所以，矢量图无论放大多少万倍，其边缘看上去都不会出现锯齿状。

1.3.5 扫描仪的分辨率
（1）光学分辨率（有效分辨率）
（2）最大分辨率（插值分辨率）