数字色彩课程:数字色彩模型与色彩转换

第五章数字色彩模型与色彩转换

5.1 数字色彩模型的空间转换
“色彩模型”这一术语，也是在计算机应用领域里是混用得较多的概念之一。在计算机图形学里，“颜色模型是一个三维颜色坐标系统和其中可见光子集的说明。使用专用颜色模型的目的是为了在一个定义的颜色域中说明颜色。”因此，计算机图形学个绍的色彩模型，有GRB色彩模型、CMY色彩模型、YTV（YIQ）色彩模型、HSV色彩模型等。
而在计算机常用软件包中，“色彩模型”是用来描述某种色彩表达方式的，除了上述的四种色彩模式外，黑白位图、灰度色彩、双色调色彩、甚至缩影色彩也都被冠以“色彩模型”。为了区别计算机图形学和实用软件包中两种不同意义的“色彩模型”，我们把后一类不具备真正意义的“彩色模型”，改称为“色彩表达方式”，让它与前面真正的“色彩模型”相区别。

5.1.1 RGB — 加色混合色彩模型
前面我们已经提到，基于色彩的三刺激理论，人类眼睛的视网膜中假设存在三种锥体视觉细胞，它们分别对红（Red）、绿(Green)、蓝(Blue)三种色光最敏感。根据人眼光谱灵敏度实验曲线证明，这些光在波长为630nm(红色)、530 nm（绿色）和450 nm（蓝色）时的刺激达到高峰。通过光源中的强度比较，我们感受到光的颜色。这种视觉理论是使用三种颜色基色：红（R）绿（G）蓝（B）在视频监视器上显示颜色的基础，称之为RGB色彩模型。
计算机彩色显示器是典型的RGB色彩模型。RGB色彩模型用一个三维笛卡儿直角坐标系中的立方体来描述，RGB色彩框架是一个加色模型，模型中的各种颜色都是由红、绿、蓝三基色以不同的比例相加混合而产生的。

5.1.2   CMY -- 减色混合色彩模型
   青（Cyan）、品红（Magenta）、黄（Yellow）分别是红（R）、绿（G）、蓝（B）三色的互补色，是硬拷贝设备上输出图形的颜色，如彩色打印、印刷等。它们与荧光粉组合光颜色的显示器不同，是通过打印彩墨（ink）、彩色涂料的反射光来显现颜色的，是一种减色组合。由青、品红和黄三色组成的色彩模型，使用时相当于从白色光中减去某种颜色，因此又叫减色系统。
    在笛卡儿坐标系中，CMY色彩模型与RGB色彩模型外观相似（如图），但原点和顶点刚好相反，CMY模型的原点是白色，相对的顶点是黑色。CMY模型中的颜色是从白色光中减去某种颜色，而不是象RGB模型那样，是在黑色光中增加某种颜色。
    因此，CMY三种被打印在纸上的颜色，我们可以理解为：
青（C）= 白色光 — 红色光
品红（M）= 白色光 — 绿色光
黄（Y）= 白色光 — 蓝色光
由于白色光是由红、绿、蓝三色光相加得到的，上面的等式可以还原为我们常用的加色等式：
青（C）=（红色光+绿色光+蓝色光）—红色光=绿色+蓝色
品红（M）=（红色光+绿色光+蓝色光）—绿色光=红色+蓝色
黄（Y）=（红色光+绿色光+蓝色光）—蓝色光=红色+绿色

在实际应用中，CMY色彩模式也可称为CMYK色彩模型。在彩色打印及彩色印刷中，由于彩色墨水、油墨的化学特性，色光反射和纸张对颜料的吸附程度等因素，用等量的CMY三色得不到真正的黑色，所以在CMY色彩中需要另加一个黑色（Black,K）,才能弥补这三个颜色混合不够黑的问题。

5.1.3   HSV（HSB）-- 用户直观的色彩模型
     RGB、CMY都是硬件设备使用的彩色模型，对于从事艺术设计的人员来说，它们抽象而较难理解。HSV（HSB）色彩模型使用了用户直观的颜色描述方法，用色相（H）、饱和度（S）和明度值（V），或者色相（H）、色饱和度（S）和明度（B）这些易于理解和直观的参数，来建立与艺术家使用颜色习惯相近似的色彩模型。
    HSV模型的六角形平面是从RGB立方体演变而来，如果我们沿着RGB立方体的对角线从白色顶点向黑色原点观察，就可以看到如图X—X所示的立方体六边形外形。
    HSV（HSB）也称为艺术家色彩模型，它适合消除数字色彩与传统颜料色彩之间的沟通障碍。

5.1.4 Lab -- 不依赖设备的色彩模型
    以上三种色彩模式都依赖于计算机设备而存在，设备变化了，这些色彩也会跟着变化，如果一个色彩图形从一个计算机环境转移到另一个不同的计算机环境，颜色就会走调，有时会变得面目全非。为了使数字色彩在不同得环境里保持不变，科学家们使用了CIE的Lab色彩，它可以在不同的计算机系统中交换图形色彩，以及打印到页面描述语言PostScript Level 2的输出设备上，从而保持了图形和色彩的始终如一。
    Lab色彩模型是由照度（L）和有关色彩的a, b三个要素组成。L表示照度（Luminosity），相当于亮度，a表示从红色至绿色的范围，b表示从蓝色至黄色的范围。L的值域由0到100，L=50时，就相当于50%的黑；a和b的值域都是由+120至-120，其中+120 a就是红色，渐渐过渡到-120 a的时候就变成绿色；同样原理，+120 b是黄色，-120 b是蓝色。所有的颜色就以这三个值交互变化所组成。例如，一块色彩的Lab值是L = 100，a = 30, b = 0, 这块色彩就是粉红色。
    Lab色彩模型除了上述不依赖于设备的优点外，还具有它自身的优势：色域宽阔。它不仅包含了RGB，CMY的所有色域，还能表现它们不能表现的色彩。人的肉眼能感知的色彩，都能通过Lab模型表现出来。另外，Lab色彩模型的绝妙之处还在于它弥补了RGB色彩模型色彩分布不均的不足，因为RGB模型在蓝色到绿色之间的过渡色彩过多，而在绿色到红色之间又缺少黄色和其他色彩。
如果我们想在数字图形的处理中保留尽量宽阔的色域和丰富和色彩，最好选择Lb色彩模型进行工作，图像处理完成后，再根据输出的需要转换成RGB（显示用）或CMYK（打印及印刷用）色彩模型，在Lab色彩模型下工作，速度与RGB差不多快，但比CMYK 要快很多。这样做的最大好处是它能够在最终的设计成果中，获得比任何色彩模型都更加优质的色彩。

5.1.5 其它色彩表达方式
    除了上述四种色彩模型外，计算机还有几种储存色彩的方法，可称为色彩表达方式。色彩表达方式有黑白位图（Bitmap）、灰度色彩（Grayscale）、双色调（Duotone）和缩影色彩（Indexed Color）。
（1）        黑白位图（Bitmap）
    黑白位图是最简单的色彩表达方式，图像中只有黑白两种色彩变化，它的一个像素占用1个bit的储存器，只能表达开和关两种状态，所以它的色彩位深度是1 bit（位）。用这种色彩表达方式储存的数字图形，文件很小，它一般只能存为TIF和BMP文件格式。黑白位图最适合表现线描图形，也是目前OCR光符识别文字扫描的唯一色彩方式。
（2）        灰度色彩（Grayscale）
   灰度色彩也叫灰阶色彩，它的色彩效果就象具有灰色层次的黑白照片。常用的灰度色彩是8bit（位）图像，就是每个像素能表达2的8次幂，即256种灰度色彩。也就是把白色定义为0，把黑色定义成255，从白到黑有255个过渡等级。
    对于非常精密并且要求色彩层次丰富的灰度图像，在扫描时可选用10 bit或12 bit灰度色彩来扫描，这样从理论上可获得1024或4096个等级的灰度色彩。虽然计算机的显示器只能显示256级灰色，但从更多级数的灰色里过滤后得到的256色，比本身只有256色的效果更佳。
（3）        双色调（Duotone）
    双色调是一种完整的灰度图像颜色与点色（spot color, 在印刷中也称为专色）分开打印成二者混合效果的色彩表达方式。如果是用黑色（灰度色彩）与桔红点色二色构成双色调来表现一幅图像，其效果就象用熟褐画单色素描。它所表达的色彩明暗层次和清晰度，远比CMYK打印或黑白灰度打印要强得多。因为一台普通得激光打印机只能提供26至65的明暗度值，在打印过程中大约有30%的明暗度会丢失。双色调能通过两种至四种油墨的打印，来弥补这种明暗度的过多损失。
（4）        缩影色彩（Indexed Color）
缩影色彩是一种指定的色彩表达方式，它可以在尽量忠于原图像色彩的情况下，减少颜色的数目，使之节省存储空间或把图像改为其它限定的应用范围。   如网上使用的GIF文件格式就限定为256色。〔注：当有时网络出现某种问题时，JPG文件格式的图是发不出去的，而GIF文件格式的图可畅通无阻。〕
    缩影色彩最高也只能生成8位（bit）色彩，即256色。其色彩的可调整范围使2色至256色。

5.2 色彩模型的转换及色彩修正
各种色彩模型适合于不同情况下的数字色彩与数字图形处理，当这些情况（如使用目的、图形与色彩的质量要求等）发生变化时就要求从技术上转换成相应的色彩模型。

5.2.1 由RGB色彩模型转换为CMYK色彩模型
    如果不进行事前的特别设置，我们从扫描仪，数码照相机、数字摄像机、光碟图库以及直接在计算机上绘制的数字图形和数字色彩，都会以RGB色彩模型来显示。因为它是计算机显示器显示色彩的真正色彩模型，其它色彩模型都是在它的基础上衍生而来的。
    假如你设计的图形和色彩是以彩色显示为目的那么从开始设计到结果，都可始终如一地使用GRB色彩模型，只有当你设计的结果需要以彩色印刷、打印为最终目的时，才需要把RGB转换为CMYK色彩模型。
    由于CMYK的色彩模型的色域比RGB色彩模型的色域窄小，当把RGB色彩模型下绘制的图形和色彩转换成CMYK后，会损失部分色彩。为了减少这种损失，不要在处理图形之前或过程中事先转换RGB色彩模型，而要当全部的图形、色彩、特技、文字都处理完毕后，最后输出时才把RGB色彩模型下绘制处理的图形转换成CMYK色彩模型。
RGB色彩模型的计算速度也快于CMYK色彩模型的计算速度有的   外计算机书上说前者的速度比后者快好几倍。笔者曾做过试验在photoshop5中处理一般的TIF或JPG 数字图形、RGB比CMYK色彩模型下的计算速度大约要快80%~90%。

5.2.2 L ab色彩模型在色彩转换中的优越性
从色域的角度来看，CMYK色彩模型的色域小于RGB色彩模型的色域， RGB色彩模型的色域又小于Lab色彩模型的色域。从理论上讲，Lab色彩模型包含了所有肉眼能分辨的不同颜色，它是各种色彩模型转换的基础。有的软件操作书籍认为，无论是由RGB转换为CMYK，或由CMYK转换为RGB，计算机都在内部首先把它们先换算成基础的Lab色彩，然后再按人们指定的色彩模型进行转换，photoshop就是典型的例子。
尽管这样，经验丰富电脑设计师还是喜欢在开启一张新图后，第一件事就是先把它转换成Lab色彩模型，等全部的图片处理工作完成后，输出前才把图转换成需要的色彩模型。这样就尽可能减少由色彩模型的转换而造成的色彩损失。特别是制作高精度的大幅海报或广告时更应如此。

5.2.3 由RGB或CMYK色彩模型转换为灰度色彩（Grayscale）
Photoshop里RGB色彩模型的彩色图像R、G、B分别有三个8bit（位）的色彩通道。当我们在通道面版里“分离通道”命令（英文版的“channels”）面版里执行“split channels”命令把色彩图像按各个通道分解成R、G、B三个单独的画面时，我们会惊奇的发现每个彩色通道原来都是8bit的灰度色彩图！（CMYK色彩模型的彩色图像同理也是C、M、Y、K四个灰度色彩通道）。这是因为psotoshop不是把真彩色图像作为单一的24bit像素的集合来看待，而是把它们分解或三个8 bit像素的通道，每个通道就象一个单独的灰度图，并相对应它代表的那种颜色的打印墨色（ink）。photoshop目前的版本只能处理每个通道等于或小于8 bit 图像。
当我们把RGB或CMYK色彩模型转换为灰度色彩时，实际上就是把3个或4个彩色的通道整合在一个灰度色彩通道里。如果我们取一个CMYK图像中的K通道跟把这个图像转换成灰度色彩后的通道作一个比较，可明显地看出二者区别（如图现场操作）。

5.2.4 由灰度色彩（Grayscale）转换为“双色调”（Duotone）
“双色调”是一种特殊的色彩表达方式，虽然它与灰度图都只包含一个8bit的色彩通道，但在输出时却是按它其中包含的色彩处数分开打印的，因此它能表现比灰度图更丰富的明暗层次。
RGB和CMYK色彩模型的图像是不能直接转换成双色调的，必须先转成灰度图，然后再转成灰度图，双色调色彩的表达方式以灰度图的灰度色彩作为基础，称“ink1(油墨1)”，另可配置1~3种其它点色（point color）,作为ink2或ink3、ink4，与灰度色彩共同构成一幅“双色调”图像。
以下是由黑、黄二色构成的双色调图像跟CMYK图像中由黑、黄二个色彩通道构成的图像以及单纯灰度图之间的比较，可看出双色调的色彩层次比其它更丰富。（如图现场操作）
图1：双色调。它是灰度图与100%黄色的集合
图2：灰度图。它只是单纯的灰度色彩
图3：CMYK中的K和Y色彩通道。它损失了C和M两色的明度值。

5.2.5 由灰度色彩（Grayscale）或双色调（Duotone）转换为黑白色彩（Bitmap）
由灰度色彩或双色调转换为黑白色彩，( photoshop的命令：Image（图象)——Moden（模式） bitmap（位图））计算机会提示你指定转换后的图像分辨率（输出分辨率），这可根据你的目的来确定，如果是打印或印刷，分辨率在300 dpi ~350 dpi为宜。另处，计算机不会让你选择四种黑白点阵的构成样式：50%阀值、图案仿色、扩散仿色和半调网屏，用来模仿灰度图的图像形状。

5.2.6 由RGB色彩模型转换为索引色彩（Index-color）
除了一些特殊的用途，索引色彩主要用于Web的色彩。所谓“索引”就是计算机的一种筛选基本色彩的方法，它根据用户对所要保留的色彩设定（从1 bit / 像素——2种颜色，到8 bit / 像素——256种颜色），只保留原图中最能体现该图的基本色彩，去除其余的色彩，使色彩精练化。这种索引，是photoshop通过产生一个色彩查找表(LUT)来实现的。它用命令Image（图像）—— Moden（模式）——Indexed color（索引颜色）。
索引色彩只以RGB色彩模式转换而来，不允许灰度色彩和Lab、CMYK色彩模式直接索引，必须先把这些模式转换为RGB色彩模式后，再进行色彩的索引。

5．3 数字图形的压缩、重采样以及对色彩的影响
为了节省计算机有限的包括磁盘空间在内的数据存储器，或一些应用场合不适应太大的文件运行（如Web），我们总希望能削减数字文件的大小。计算中心软件开发的科学家们根据这种愿望，创造了各种不同的压缩方式的文件格式中，使我们在使用过程中免去了不少麻烦。数字文件压缩的实质，是对文件的数据压缩，它可分成两类：整个文件压缩和文件内结构的压缩，整个文件压缩要使用专用的压缩等程序，如DWindows中的Win Zi等。它们对文件从头到尾全面压缩，从而产生一个新文件，适用于长期存储和传输、互联网上传输长篇文本和大量图片。但它必须要用解压缩程序进行解压缩处理，不时然任何软件也无法使用它，给日常使用带来不便。
常用的文件内部结构压缩方式有RIE压缩、LZW压缩和JPEG压缩，它们与ZIP压缩不同，本身不是一种程序，而包含在相应的文件格式中。我们这一节重点介绍这类压缩方式。

5.3.1 RIE压缩
   RIE是一种运行长度编码的压缩方案，全称是Run-Length Encodeing.它是压缩文件时最容易最直观的压缩方法。简单地说，它是在读出点阵图的每个像素时，如果遇上有几个连续的同值像素，就不再记录每个像素的颜色值，而只记录一共有几个像素具有哪种相同的颜色值。
    RLE压缩一般包含在Window的BMP文件格式里，它是适合4 bit至8 bit的颜色时采用，Window的壁纸及桌面图是它的最常用形式。另外，Pcx格式也把RIE压缩方式定为缺省（默认）方法。
   由于RIE压缩的特点，它对于黑白点阵图的画面中含有大块相同颜色的图案型点阵图的压缩取有效，而对于灰度图和彩色照片类的色彩过渡平滑、细腻的图像效果不好，这是由于它只能压缩一长串相同颜色的像素的缘故。
    RIE压缩是一种无损耗压缩。

5.3.2 LZW压缩
    LZW压缩是以研制者的名字来命名的（Iempel, Zir和Welch）,它的工作原理是读出点阵图的像素值，然后建立一个相应的编码表，记录它所发现的重复图案的数字串。因此，它很适合压缩有大块相同色彩或重复颜色图案的点阵图，图片中相同的色彩越多，压缩比就越大，最大时可压缩到原文件的1/10。
    LZW压缩包含在TIFF和GIF文件格式中，在TIFF中，LZW压缩只是一个选项，或执行可不执行；而在GIF文件格式中，它作为缺省方式存在。
    由于LZW压缩替代的是数据串，而不涉及点阵图具体的各个像素，它的压缩是完全无损耗的压缩。

5.3.3   JPEG压缩
    JPEG压缩是由开发它的人们Joint Photographic Group ( 联合图形专家组 )命名的。与RIE和LZW不同的是，JPEG压缩即是一种压缩方案，又是一种文件格式，（它的文件扩展名是JPG）并且是当前流行的一种能得到最有效、最基本的压缩格式，也有Internet上的两种常用的数字图形文件格式。
    JPEG的压缩过程比较复杂，分为三步。第一步是改变频率，它使用一种称为ADCT（自适应离散余弦变换）的技术来压缩图像：第二步是平均化，正是这个步骤节省了大量的磁盘空间，但损失了原图的数据，这也是实际压缩的第一阶段；第三步是对平均值进行压缩，采用无损的Huffman编码法将重复的值转变为单个符号。
    JPEG压缩是一种有损压缩，它会使压缩前后的文件大小产生戏剧性的变化，一个压缩后的文件可以缩小到原来的百分之五大小。随着压缩比的增大，文件丢失的数据就越多。建议对于彩色打印用的数字图形文件，压缩品质选项不低于6（高），而对于彩色印刷用的数字图形，压缩品质选项不低于8（最佳），否则对于最后的输出结果会带来或多或少的影响。
    需要注意的是，JPEG是一种累积压缩方案，可以在它上面累加压缩，每当把数字图形存在为JPEG格式时，程序都会再次对它进行压缩。假如你第一次存盘时使用的是“8”压缩，后来发现文件还是太大，想把它改为“6”（高）的质量来压缩，而只能用“7”或“8”压缩，不然你用“6”再次压迫所得到的实际上变成都了原图用“5”压压缩结果。

5.3.4         重采样与色彩插值
    以上是论述如何把一幅已有的数字图形变小，这是我们在设计中经常遇到的问题。但有时候我们用作素材的数字图形太小，需要将其变大，这就涉及到点阵图的重采样。
    重采样就是将一幅较小尺寸的点阵图扩大为较大尺寸的点阵图，其中的关键是要增加原图的像素。（这里需要说明另一种由“放大镜”工具放大的画面；电脑中的“放大镜”与生活中的放大镜一样，它只是一种虚幻的视觉放大，而不能放大物体的真实尺寸。譬如，我们可以用“放大镜”把一个人的头发放大成筷子一样粗细，但不等于这头秀发实质上变得象一个刺猬那样粗壮的毛。）
    下面用一个例子来剖析重采样过程：
    我们用数码照相机拍摄了一幅城市景观，得到的画面尺寸是1600×1200像素，而我们的目的是要把它印刷成一张大16开（285×210mm）的城市雕塑画册封面。显然，把1600×1200像素编辑成印刷所需的300dpi输出分辨率，其画面尺寸明显不够A4（大16开）的幅面，只能达到13.55×10.16mm，这就需要把这幅数码照片进行放大实际尺寸的重采样处理。
    在photoshop重打开这张数码照片，执行Image(图像)—Image size(图像尺寸)弹出Image Size对话框，如图（现场操作）:
    把一幅较小的数码照片“重采样”放大成为印刷大16开所需的尺寸。
色彩插值并不是原图像的真实色彩，而是一些近似的，添加进去的近似假色彩，它只可能降低原图的质量。重采样增加的像素越多，对原图像的真实色彩破坏越严重。
据说，现在有人发明了一种先进的“重采样”技术，可以把较小像素的数字图形通过“重采样”放大，而又几乎接近于真实的颜色。这样，数码相机、扫描仪的价钱就要大大降低。