第2章数字图像的基础知识和基本概念

第2章数字图像的基础知识和基本概念一、数字图像数字图像是以二进制数字组形式表示的二维图像。

利用计算机图形图像技术以数字的方式来记录、处理和保存图像信息。

在完成图像信息数字化以后，整个数字图像的输入、处理与输出的过程都可以在计算机中完成，它们具有电子数据文件的所有特性。

通常把计算机图形主要分为两大类：位图（bitmap）图像和矢量（vector）图形（如图2-1所示）。

图2-1 计算机图形的主要分类1．关于位图图像（1）概念位图图像（在技术上称作栅格图像）使用图片元素的矩形网格（像素）表现图像。

每个像素都分配有特定的位置和颜色值。

在处理位图图像时，人们所编辑的是像素。

位图图像是连续色调图像（如照片或数字绘画）最常用的电子媒介，因为它们可以更有效地表现阴影和颜色的细微层次。

（2）分辨率位图图像与分辨率有关，也就是说它们包含固定数量的像素。

因此，如果在屏幕上以高缩放比率对它们进行缩放或以低于创建时的分辨率来打印它们，则将丢失其中的细节，并会呈现出锯齿，如图2-2所示。

图2-2 不同放大级别的位图图像示例（3）特点①位图图像有时需要占用大量的存储空间。

对于高分辨率的彩色图像，由于像素之间独立，所以占用的硬盘空间、内存和显存比矢量图都大。

②位图放大到一定倍数后会产生锯齿。

位图的清晰度与像素点的多少有关。

③位图图像在表现色彩、色调方面的效果比矢量图更加优越，尤其在表现图像的阴影和色彩的细微变化方面效果更佳。

④位图的格式有bmp、jpg、gif、psd、tif、png等。

⑤处理软件：Photoshop、ACDSee、画图等。

2．关于矢量图形（1）概念矢量图形（又称矢量形状或矢量对象）是由称作矢量的数学对象定义的直线和曲线构成的。

矢量根据图像的几何特征对图像进行描述。

（2）分辨率矢量图形是与分辨率无关的，即当调整矢量图形的大小、将矢量图形打印到PostScript 打印机、在PDF文件中保存矢量图形或将矢量图形导入到基于矢量的图形应用程序中时，矢量图形都将保持清晰的边缘（如图2-3所示）。

图2-3 不同放大级别的矢量图形示例（3）特点①矢量图形可以任意放大和缩小，图形不模糊，不会丢失细节或影响清晰度，不会产生锯齿效果。

因此，对于将在各种输出媒体中按照不同大小使用的图稿（如徽标），矢量图形是最佳选择，常用于标志设计、VI设计、字体设计等。

②矢量图形中保存的是线条和图块的信息，所以矢量图形文件与分辨率和图像大小无关，只与图像的复杂程度有关，图像文件所占的存储空间较小。

③可采取高分辨率印刷。

矢量图形文件可以在任何输出设备（如打印机）上以打印或印刷的最高分辨率进行打印输出。

④矢量图可以作为图像元素导入Photoshop里使用，它会很好地适应于导入图像的分辨率。

⑤在Photoshop里的一些矢量工具，比如：钢笔（路径）、文字、形状等在图像处理和创意中都发挥着重要的作用。

3．像素（1）像素定义像素（Pixel）是用来计算数字图像的一种单位。

数字图像连续性的浓淡阶调是由许多色彩相近的小方点组成，这些小方点就是构成数字图像的最小单位“像素”。

越高位的像素，其拥有的色板也就越丰富，越能表达颜色的真实感。

人们也经常用点来表示像素，因此PPI 有时缩写为DPI（dots per inch）。

用来表示一幅图像的像素越多，结果就更接近原始的图像，即图像的精度越高。

（2）关于像素的扩展①像素的表示a．用一个数表示，例如一个“0.3兆像素”数码相机，它有额定30万像素；b．用一对数字表示，例如“640×480显示器”，它有横向640像素和纵向480像素（就像VGA显示器那样），因此其总数为640×480=307200像素。

②彩色采样点数字化图像的彩色采样点（例如网页中常用的JPG文件）也称为像素。

取决于计算机显示器，这些可能不是和屏幕像素一一对应的。

在这种区别很明显的区域，图像文件中的点更接近纹理元素。

③位图在计算机编程中，像素组成的图像叫位图或者光栅图像。

位图化图像可用于编码数字影像和某些类型的计算机生成艺术。

简单说来，像素就是图像的点的数值，点画成线，线画成面。

图片的清晰度不仅仅是由像素决定的（如图2-4所示）。

图2-4 构成影像的最小单位——像素直观图（3）大约数值相机的像素是最大像素的意思，像素是分辨率的单位，这个像素值是相机所支持的有效最大分辨率。

如下所列是一些常见的像素值：30万640×48050万800×60080万1024×7685″（3.5×5英寸）130万1280×9606″（4×6英寸）200万1600×12008″（6×8英寸5″（3.5×5英寸）310万2048×153610″（8×10英寸）7″（5×7英寸）430万2400×180012″（10×12英寸）8″（6×8英寸）500万2560×192012″（10×12英寸）8″（6×8英寸）600万3000×200014″（11×14英寸）10″（8×10英寸）800万3264×248816″（12×16英寸）10″（8×10英寸）1100万4080×272020″（16×20英寸）12″（10×12英寸）1400万4536×302424″（18×24英寸）14″（11×14英寸）（4）单位当图片尺寸以像素为单位时，每一厘米等于28像素，比如15×15厘米大小的图片，等于420×420像素（如图2-5所示）。

图2-5（A）是图片的原始大小和分辨率；图2-5（B）是降低分辨率而不改变像素数量（不重定图像像素）；图2-5（C）是降低分辨率而保持相同的文档大小将减少像素数量（重定图像像素）。

图2-5 像素大小等于文档输出大小乘以分辨率4．分辨率分辨率是度量位图图像数据量多少的一个参数，通常表示为像素/英寸（Pixel Per Inch，PPI）和点/厘米（Pixel Per Centimeter，PPC）。

简单地说，分辨率是指数字图像中单位平方英寸内像素数量的多少。

分辨率越高，像素就多，图像包含的数据就越多，文件的体量（size）就越大，越能表现更丰富的细节。

（1）图像分辨率①概念图像分辨率指图像中存储的信息量（如图2-6所示）。

这种分辨率有多种衡量方法，典型的是以像素/英寸来衡量，也有以像素/厘米来衡量的。

图2-6 两幅相同的图像，分辨率分别为72ppi和300ppi，套印缩放比率为200%②图像分辨率和文件大小图像分辨率以比例关系影响着文件的大小，即文件大小与其图像分辨率的平方成正比。

如果保持图像尺寸不变，将图像分辨率提高一倍，则其文件大小增大为原来的四倍。

（2）显示器分辨率如图2-7所示，显示器分辨率指屏幕图像的精密度，测量单位是像素/英寸。

屏幕上的点、线和面都是由像素组成的，显示器可显示的像素越多，画面就越精细，同样的屏幕区域内能显示的信息也越多。

图2-7 在不同大小和分辨率的显示器上显示的620×400像素的图像（3）打印机分辨率打印机分辨率又称为输出分辨率，是指在打印输出时横向和纵向两个方向上每英寸最多能够打印的点数，通常也以DPI表示。

打印机分辨率的这个数越大，表明图像输出的色点越小，输出的图像效果就越精细。

打印机色点的大小只同打印机的硬件工艺有关，与要输出图像的分辨率无关。

不同打印机分辨率如图2-8所示。

图2-8（A）是粗糙网屏，通常用于印刷快讯和赠券，65 lpi；图2-8（B）是一般网屏，通常用于印刷报纸，85 lpi；图2-8（C）是高品质网屏，通常用于印刷四色杂志，133 lpi；图2-8（D）是超精细网屏，通常用于印刷年度报表和艺术书籍中的图像，177 lpi。

图2-8 关于不同打印机分辨率的示例（4）网屏频率①概念“网屏频率”是在商业印刷领域出现的专业词汇。

在传统商业印刷制版过程中，制版时要在原始图像前加一个网屏，这一网屏由呈方格状的透明与不透明部分相等的网线构成。

这些网线也就是光栅，其作用是切割光线解剖图像。

光线通过网线后，形成了反映原始图像影像变化的大小不同的点，这些点就是半色调点，一个半色调点最大不会超过一个网格的面积。

②表示网线越多，表现图像的层次越多，图像质量也就越好。

因此在商业印刷行业中，分辨率以每英寸上等距离排列多少条网线即LPI（Lines Per Inch）表示。

（5）扫描分辨率①概念扫描分辨率指在扫描一幅图像之前所设定的分辨率，用DPI来表示。

扫描分辨率影响所生成的图像文件的质量和使用性能，决定了图像将以何种方式显示或打印，DPI值越大，扫描的效果也就越好。

②扫描图像分辨率的确定大多数情况下，扫描图像是为了通过高分辨率的设备输出。

如果图像扫描分辨率过低，会导致输出的效果非常粗糙。

但如果扫描分辨率过高，数字图像中会产生超过打印所需要的信息，不但减慢打印速度，而且会在打印输出时丢失图像色调的细微过渡。

一般情况下，图像分辨率应该是网屏分辨率的2倍，这是目前中国大多数输出中心和印刷厂都采用的标准。

然而实际上，图像分辨率应该是网屏频率的1.5倍。

关于这个问题有一定的争议，具体到不同的图像本身，情况会各不相同。

③扫描仪分辨率的判断判断扫描仪的分辨率要从三个方面来确定：光学部分、硬件部分和软件部分。

即扫描仪的分辨率等于其光学部件的分辨率加上其自身通过硬件及软件进行处理分析所得到的分辨率：a．光学分辨率扫描仪的光学部件在每平方英寸面积内所能捕捉到的实际光点数，是指扫描仪CCD的物理分辨率，也是扫描仪的真实分辨率，它的数值是由CCD的像素点除以扫描仪水平最大可扫尺寸得到的数值分辨率为1200 DPI的扫描仪，其光学部分的分辨率只占400~600 DPI。

b．扩充分辨率扩充部分的分辨率是通过计算机对图像进行分析，对空白部分进行科学填充所产生的（由硬件和软件所生成，这一过程也叫“插值”处理）。

光学扫描与输出是一对一的，扫描到什么，输出的就是什么，但经过计算机软硬件处理之后，输出的图像就会变得更逼真，分辨率会更高。

5．图像的格式图像格式即图像文件存放的格式，通常有JPEG、TIFF、RAW、BMP、GIF、PNG等。

它是文件编码类型、文件的结构。

常用的图像文件格式有以下几种：（1）主流图片格式①JPEG2000格式JPEG2000是JPEG的升级版，也被称为“ISO 15444”，与JPEG相比，它是具备更高压缩率以及更多新功能的新一代静态影像压缩技术。