第一節　階調和層次的基本概念

一、階調和層次的含義

在圖像中，一般存在著多種不同明亮程度、不同深淺的顏色。這些顏色差異所造成的視覺印象可用階調和層次來表達。

階調和層次是相互關聯較為緊密、又存在一定差別的兩個概念。兩者都用來描述圖像明暗或顏色深淺的關系，但在描述的側重點上有所不同。

階調和層次都可以表述為圖像的顏色明暗或深淺變化。其中，顏色的明暗及深淺可以用數值來描述，如色度空間中的明度數值、孟賽爾明度值、光學密度值等。

“階調”（tone）側重對圖像整體狀況的描述。例如，“階調分布”指圖像中各種不同明暗等級的分布狀況；“階調長短”指圖像最亮與最暗階調值所構成的范圍大小；“高調人像”是指整體上十分明亮的人物肖像，等等。

“層次”（gradation）側重對明暗等級之間差別的大小進行描述。例如，“拉開或壓縮層次”指將圖像中顏色明暗及深淺等級之間的差別增大或減小。

圖像的最大階調范圍是由其最亮與最暗的明暗等級決定的。在階調范圍固定不變的情況下，等級之間的差別（層次差別）越小，則階調范圍所能容納的層次數就越多。

一般地，可以將圖像的階調范圍分為四部分：極高光、亮調、中間調和暗調。其中，亮調是指由高亮度顏色構成的階調；暗調則是指由明亮程度低的顏色構成的階調。在這兩者之間，中間調是中等明亮程度的顏色形成的階調。極高光一般是圖像中小面積區域，由極其明亮的顏色構成。在圖3-1中，菊花部分為亮調，背景墻壁屬中間調，葉子陰影為暗調，而左上側微小的金屬反光點為極高光點。

二、階調/層次的數值描述

1.光學密度描述

圖像的階調和層次可以用光學密度描述。光學密度的基本定義見式（3-1）。

　　（3-1）

式中，ΦIN和ΦOUT分別為入射和出射的光通量。ΦOUT比ΦIN的值稱為不透光率或阻光率，是光反射率R或光透過率τ的倒數。

光學密度的定義是以視覺實驗為基礎的。通過視覺實驗人們發現，在亮度不是特別低或特別高的一般亮度范圍內，對人眼視覺而言，恰能分辨的亮度差ΔL與亮度L的比值ΔL/L大致為常數（圖3-2），即

　　（3-2）

結合圖3-2給出的視覺特性，取亮度對數lg L的微分

　　（3-3）

滿足式（3-2）的人眼視覺特性，在大多數情況下，d[lg L]≈常數，人眼視覺對亮度對數差異的感覺大致上是均勻的。對視覺而言，等差的亮度變化在視覺上并不是等差的，而亮度對數值的等差變化大致上卻是視覺等差的。

由此，為了使光學密度對圖像明暗的描述接近人眼視覺特性，在光學密度定義中使用了阻光率對數的形式。按照這一定義，較亮顏色的光學密度值較低，而較暗顏色的光學密度值較高；密度等差變化造成的視覺明亮程度的感受大致上是等差的。

2.階調/層次的色度描述及其與光學密度的關系

本質上，圖像中的顏色差異構成了圖像階調/層次。從色彩屬性上，圖像顏色的色調差異、明度差異和飽和度差異都可以形成階調/層次差別。在其描述上，以均勻色空間的色差描述階調/層次差異是合理的。在本章中，僅就均勻色空間CIE 1976 L*a*b*中的明度與圖像階調/層次的關系進行討論。

在常用的CIE 1976 L*a*b*均勻色空間中，用L*描述顏色的明亮程度。由于L*與孟賽爾明度V的線性關系（L*=10V），因此，可以將孟賽爾顏色體系對顏色排布的均勻性引入到CIE 1976 L*a*b*色空間中，故有理由認為CIE 1976 L*a*b*均勻色空間中的L*能夠更好地描述視覺系統對顏色的亮度感覺。

依據L*與CIE 1931 XYZ色度系統三刺激值的關系（Y0是照明體的刺激值Y），有

由上面兩式可得

　

　（3-4）

由于Y的色度/亮度雙重屬性，它可以被稱為“亮度因數”，寫為

式中，R為物體的反射率；RMgO為氧化鎂的反射率。

若RMgO=97.5%，則Y=102.56R。

根據光學密度的定義以及式（3-4），可以得出

　

　（3-5）

光學密度D與L*的關系曲線如圖3-3所示。可以看出，在等差的光學密度變化下，人眼對亮調區域密度變化的敏感程度高于對暗調區域密度變化。假如以L*作為視覺特性的描述，則表現出光學密度描述某種程度的不完善性。