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書名：數(shù)字化印前處理原理與技術(shù)
作者名：金楊
本章字?jǐn)?shù)： 1530字
更新時間： 2019-03-27 15:03:55

第一節(jié)　階調(diào)和層次的基本概念

一、階調(diào)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(diào)和層次來表達。

階調(diào)和層次是相互關(guān)聯(lián)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(guān)系，但在描述的側(cè)重點上有所不同。

階調(diào)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(shù)值來描述，如色度空間中的明度數(shù)值、孟賽爾明度值、光學(xué)密度值等。

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

“層次”（gradation）側(cè)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(diào)范圍是由其最亮與最暗的明暗等級決定的。在階調(diào)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(diào)范圍所能容納的層次數(shù)就越多。

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

圖3-1

二、階調(diào)/層次的數(shù)值描述

1.光學(xué)密度描述

圖像的階調(diào)和層次可以用光學(xué)密度描述。光學(xué)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(shù)。

光學(xué)密度的定義是以視覺實驗為基礎(chǔ)的。通過視覺實驗人們發(fā)現(xiàn)，在亮度不是特別低或特別高的一般亮度范圍內(nèi)，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(shù)（圖3-2），即

　　（3-2）

圖3-2

結(jié)合圖3-2給出的視覺特性，取亮度對數(shù)lg L的微分

　?。?-3）

滿足式（3-2）的人眼視覺特性，在大多數(shù)情況下，d[lg L]≈常數(shù)，人眼視覺對亮度對數(shù)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(shù)值的等差變化大致上卻是視覺等差的。

由此，為了使光學(xué)密度對圖像明暗的描述接近人眼視覺特性，在光學(xué)密度定義中使用了阻光率對數(shù)的形式。按照這一定義，較亮顏色的光學(xué)密度值較低，而較暗顏色的光學(xué)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(diào)/層次的色度描述及其與光學(xué)密度的關(guān)系

本質(zhì)上，圖像中的顏色差異構(gòu)成了圖像階調(diào)/層次。從色彩屬性上，圖像顏色的色調(diào)差異、明度差異和飽和度差異都可以形成階調(diào)/層次差別。在其描述上，以均勻色空間的色差描述階調(diào)/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(diào)/層次的關(guān)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(guān)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(tǒng)對顏色的亮度感覺。