[經(jīng)驗交流]通道在圖像處理中的應用(轉載)
通道在圖像處理中的應用
原創(chuàng )：陳雨昕
021yin.com
如果問(wèn)“什么是 photoshop 中最重要、最不可缺少的功能？”相信很多人的回答是“圖層”P(pán)SD中四色黑底色怎么換成單黑。其實(shí)，在 photoshop3.0 之前，根本沒(méi)有圖層的功能。在圖像處理中，最重要的功能是選區范圍。只有正確地運用選區范圍，才能夠進(jìn)行精確的合成。如果無(wú)法選區，也就無(wú)法作出相應的操作或處理。
為了記錄選區范圍，可以通過(guò)黑與白的形式將其保存為單獨的圖像，進(jìn)而制作各種效果PSD中四色黑底色怎么換成單黑。人們將這種獨立并依附于原圖的、用以保存選擇區域的黑白圖像稱(chēng)為“通道”（ channel ）。換言之，通道才是圖像處理中最重要的部分。
然而，真正懂得通道的人并不多PSD中四色黑底色怎么換成單黑。對基本概念的一知半解，造成了技術(shù)上的斷層，以致某些難點(diǎn)無(wú)法突破，這是由學(xué)習上的本末倒置所造成的。本文試圖通過(guò)常用的圖像處理方法，來(lái)探討通道的本質(zhì)、運算及其特殊形式，希望讀者能夠從中獲得啟發(fā)，理解其本質(zhì)，掌握其應用。
一、通道起源——傳統照相合成技術(shù)及其數字化
1 ．遮板的應用
我們知道，照相排版行業(yè)的全面數字化不過(guò)是最近幾年的事情PSD中四色黑底色怎么換成單黑。在此之前，圖像合成工作者的工作量之大，內容之枯燥令人難以想象。他們必須將自己關(guān)在暗房里，在放大機下面作遮板，以便在底片曝光時(shí)有所選擇。這種遮板其實(shí)就是有選擇地在一張透明底片的不同部位涂上黑色染料，讓光線(xiàn)不能透過(guò)。在曝光時(shí)，使遮板與底片重疊放置，這樣，遮板上黑色區域下面的底片圖像就因為被不透明的黑色遮住而不能被曝光，而只剩下透明部分對應的圖像，也就是說(shuō)完成了對照片的選擇曝光。在進(jìn)行了反復幾次相同的操作之后，就能運用不同的遮板完成高難度的照片合成了。
通道的概念，便是由遮板演變而來(lái)的PSD中四色黑底色怎么換成單黑。在通道中，以白色代替透明表示要處理的部分（選擇區域）；以黑色表示不需處理的部分（非選擇區域）。因此，通道也與遮板一樣，沒(méi)有其獨立的意義，而只有在依附于其他圖像（或模型）存在時(shí)，才能體現其功用。而通道與遮板的最大區別，也是通道最大的優(yōu)越之處，在于通道可以完全由計算機來(lái)進(jìn)行處理，也就是說(shuō)，它是完全數字化的。
2 ．通道——傳統技術(shù)的數字化
計算機可以不知疲倦的 24 小時(shí)工作，而且效率極高PSD中四色黑底色怎么換成單黑。因此，人們不遺余力地將一切可能的信息交由計算機處理，數字化的浪潮席卷全球，圖像處理行業(yè)也不例外。
如何將一張鮮活的照片變成我們硬盤(pán)上的“ 0 ”與“ 1 ”呢？在此之前，讓我們來(lái)看看數字化信息的特點(diǎn)PSD中四色黑底色怎么換成單黑。首先，顧名思義，數字化信息最大的特點(diǎn)就是任何形式的信息都可以用數字完整、準確的表達出來(lái)，無(wú)論它是一條記錄、一通電話(huà)、還是一段錄影。數字化的這個(gè)特點(diǎn)是很容易理解的，我們稱(chēng)之為“解析”。
其次，受到存儲及計算等方面的限制，數字化信息的容量必須是有限的PSD中四色黑底色怎么換成單黑。也就是說(shuō)，要將原來(lái)瞬息萬(wàn)變、細致入微的模擬信號解析開(kāi)來(lái)，就必須有所取舍——用一個(gè)個(gè)足夠小的，可解析的“信息元”取代原先的“信息流”。我們看到，這樣的“采樣”過(guò)程必然損失掉了部分元與元之間的原始數據。所以我們必須以某種指標來(lái)判斷數字化信息與模擬信息的切近程度。顯然，在有限長(cháng)度的“信息流”中，所取的“信息元”越多，這種轉化就越為精確，反之，所取的“信息元”越少，切近的程度就越為粗糙。所以，我們用“單位信息流”中“信息元”的數目多寡，來(lái)衡量數字化信息的逼真程度。在數字化音頻中，這個(gè)指標稱(chēng)之為“采樣率”與“量化精度”；在數字視頻中，稱(chēng)之為“幀頻”；在數字化圖像中，則稱(chēng)之為“分辨率”。只要這個(gè)指標足夠大，就足以迷惑人們的感官，讓我們的耳朵、眼睛誤以為這是一幅連貫的畫(huà)面，或是一段流暢的音樂(lè )，而絲毫察覺(jué)不到停頓感或顆粒感。相對于模擬信息的“連續”性質(zhì)而言，數字信息所具有的這種特點(diǎn)稱(chēng)為“間斷”，或者稱(chēng)為“非連續”。
現在，將一張圖像用許多等距的水平線(xiàn)與豎直線(xiàn)分割開(kāi)來(lái)，每一個(gè)小方格都成為一個(gè)像素（ pixel ），也就是一個(gè)獨立的信息元，數字化的工作就完成一半了PSD中四色黑底色怎么換成單黑。接下來(lái)，我們要做的，就是記錄每個(gè)像素的顏色信息。
由于我們要討論的是黑白圖像，因此只需記錄黑、白、灰的信息（在黑白圖像中，它與“亮度”、“灰度”的概念都是等價(jià)的），而不用考慮它的色相PSD中四色黑底色怎么換成單黑。但不要忘了，灰度也是有不同級別的，像“深灰”、“ 淺灰”或“中灰”。
但僅僅用語(yǔ)言描述物體的亮度是遠遠不夠的PSD中四色黑底色怎么換成單黑。上面提到，數字信息具有“間斷”的特點(diǎn)，所以有人提出，用 0 到 100 之間的整數表示灰度的級別：比如用 0 表示純黑色，用 100 表示純白色，而 50 則表示將黑白均勻等量混合后所得的顏色。
眾所周知，在計算機中，是以位（ bit ）存儲數據的PSD中四色黑底色怎么換成單黑。每一個(gè)位只能存儲“ 0 ”或“ 1 ”的信息，用以對應二進(jìn)制的位。讓我們看看要表示一個(gè) 0 到 100 之間的任一整數，需要多少個(gè)二進(jìn)制位：
log 2 101=6.6582
也就是說(shuō)，我們用了 7 位的存儲空間，存儲了僅用 6.6 位便可存儲數據PSD中四色黑底色怎么換成單黑。難道這不是一種浪費么？而這種浪費的根源就在于，我們把黑與白之間的灰階，人為的劃分為 101 段，而不是其他數目。
所以，為了物盡其用，人們通常用 2 的整數次冪來(lái)劃分灰度級別PSD中四色黑底色怎么換成單黑。通常，人們將灰階劃分為 256 級（用 0 ～ 255 表示），而這也將正好占據 8 個(gè)存儲位（一字節）的空間。而 8 這個(gè)數字的由來(lái)，完全是為了使人的肉眼在任一相鄰兩級的變化中，沒(méi)有絲毫的察覺(jué)。
經(jīng)歷了上述兩個(gè)步驟，我們將每個(gè)像素的灰度信息按照劃分好的網(wǎng)格，從上到下，從左到右的順序依次寫(xiě)入硬盤(pán)，數字化的工作就終于完成了PSD中四色黑底色怎么換成單黑。而當我們體驗著(zhù)計算機處理選區飛馳的感覺(jué)時(shí)，就會(huì )明白這一系列且紛繁復雜的轉化與操作絕非徒勞了。
二、幾種特殊通道
由上一節內容可以看到，最早的通道概念是傳統照相工藝中的遮板演變而來(lái)，用以表示選擇范圍的特殊圖像PSD中四色黑底色怎么換成單黑。在這之后，計算機圖像處理技術(shù)迅速發(fā)展，通道的概念又有了大幅度的拓展，進(jìn)而涵蓋了矢量繪圖、三維建模、材質(zhì)、渲染等諸多領(lǐng)域，而不再僅僅局限于平面設計中“選區范圍”的原始意義。這些形形色色的“通道”都有著(zhù)各自不同的名稱(chēng)、用途與計算方法，但又都與原始的通道概念有著(zhù)本質(zhì)上的相似：他們都是依附于其他圖像而存在的，單一色相的灰階圖。
1 ．原色通道、 Alpha 通道與專(zhuān)色通道
在前面的章節中，我們已經(jīng)細致地了解了通道，即單色圖像的數字化過(guò)程PSD中四色黑底色怎么換成單黑。那么，計算機又是如何用這些數字表示彩色圖像的呢？首先，我們來(lái)了解一下原色的概念與加減法混合原理。
在小學(xué)美術(shù)課上，我們就了解了紅黃藍三原色的概念PSD中四色黑底色怎么換成單黑。這里的紅、黃、藍準確地說(shuō)應該是洋紅（ Magenta ）、黃（ Yellow ）與青（ Cyan ）。將這三種顏色按不同的比例混合，可以得到其他的任意顏色；而這三種顏色最大程度的混合，就會(huì )使其范圍內所有波長(cháng)的可見(jiàn)光全部被吸收而顯示出黑色。我們將這三種元色稱(chēng)為“光源三原色”，而將這種在混合過(guò)程中顏色亮度不斷降低的混合方法稱(chēng)為減法混合。
通常，在印刷中，應用的就是這種減法混合原理：在白色的紙張上通過(guò)光源三原色油墨的混合，得到各種色彩及其組合而成的圖像PSD中四色黑底色怎么換成單黑。但在實(shí)際操作中，通過(guò)混合得到的黑色成本高、質(zhì)量差，所以通常人為地添加一種成本較低的黑色油墨（ blacK ），與品、黃、青共同印制。因此，這種印刷的過(guò)程也被稱(chēng)為“四色印刷”，而其顏色體系被稱(chēng)為“ CMYK 色彩體系”。
對應于印刷中減法混合原理的，是顯示元件所遵循的加法混合原理PSD中四色黑底色怎么換成單黑。紅（ Red ）、綠（ Green ）、藍（ Blue ）三個(gè)顏色被稱(chēng)為“物體三原色”，三種顏色光的混合，可以得出其它任意色彩，而其最大混合將得到亮度最高的顏色——白色。我們知道，我們身邊的絕大多數顯示設備（如 CRT 陰極射線(xiàn)顯像管、 LCD 液晶面板等）都應用了加法混合原理。因此，這些設備在未啟動(dòng)時(shí)，底色越黑、亮度越低，其成像效果就越好。顯示顏色體系也被稱(chēng)為 RGB 顏色體系。
自然法則是如此的簡(jiǎn)潔而優(yōu)美，千變萬(wàn)化的色彩僅僅是三種簡(jiǎn)單原色的有機組合PSD中四色黑底色怎么換成單黑。因此，任意一張彩色圖像都可以看作三張不同原色圖像的疊加。既然任意的單色灰階圖都可以被視為通道，那么，我們就完全可以用 3 ～ 4 個(gè)通道來(lái)記錄一張彩色照片。每一個(gè)通道記錄一個(gè)對應原色在彩色圖像上的分布信息，故我們稱(chēng)其為“原色通道”。用于顯示用途的圖片（例如網(wǎng)站彩頁(yè)）可以被分解為 R 、 G 、 B 三個(gè)原色通道，而需要輸出的圖片（例如海報、雜志封面、包裝紙等）則被分解為 C 、 M 、 Y 三個(gè)原色通道與一個(gè) K 通道。
既然每個(gè)通道的單一像素需要 8 個(gè)二進(jìn)制位的存儲空間，那么在三色通道中，每一個(gè)像素都由三個(gè)單色像素混合而成，也就需要 8 × 3=24 個(gè)二進(jìn)制位來(lái)進(jìn)行存儲PSD中四色黑底色怎么換成單黑。這樣，在數據量變?yōu)樵瓉?lái)的三倍時(shí)，可以表達的色彩數目就變?yōu)?2 24 ≈ 1.6 × 10 7 種。我們通常將由這 1600 萬(wàn)個(gè)顏色所組成的色域稱(chēng)為“ 24bit 真彩色”。
2 ． Alpha 通道
Alpha 通道是為保存選擇區域而專(zhuān)門(mén)設計的通道PSD中四色黑底色怎么換成單黑。在生成一個(gè)圖像文件時(shí)，并不必須產(chǎn)生 Alpha 通道。通常它是由人們在圖像處理過(guò)程中人為生成，并從中讀取選擇區域信息的。因此在輸出制版時(shí)， Alpha 通道會(huì )因為與最終生成的圖像無(wú)關(guān)而被刪除。但也有時(shí)，比如在三維軟件最終渲染輸出的時(shí)候，會(huì )附帶生成一張 Alpha 通道，用以在平面處理軟件中作后期合成。
除了 photoshop 的文件格式 PSD 外， GIF 與 TIFF 格式的文件都可以保存 Alpha 通道PSD中四色黑底色怎么換成單黑。而 GIF 文件還可以用 Alpha 通道作圖像的去背景處理。因此，我們可以利用 GIF 文件的這一特性制作任意形狀的圖形。
3 ．專(zhuān)色通道
為了讓自己的印刷作品與眾不同，往往要做一些特殊處理PSD中四色黑底色怎么換成單黑。如增加熒光油墨或夜光油墨，套版印制無(wú)色系（如燙金）等，這些特殊顏色的油墨（我們稱(chēng)其為“專(zhuān)色”）都無(wú)法用三原色油墨混合而成，這時(shí)就要用到專(zhuān)色通道與專(zhuān)色印刷了。
在圖像處理軟件中，都存有完備的專(zhuān)色油墨列表PSD中四色黑底色怎么換成單黑。我們只須選擇需要的專(zhuān)色油墨，就會(huì )生成與其相應的專(zhuān)色通道。但在處理時(shí)，專(zhuān)色通道與原色通道恰好相反，用黑色代表選?。磭娎L油墨），用白色代表不選?。ú粐娎L油墨）。這一點(diǎn)是需要特別注意的。
專(zhuān)色印刷可以讓作品在視覺(jué)效果上更具質(zhì)感與震撼力，但由于大多數專(zhuān)色無(wú)法在顯示器上呈現效果，所以其制作過(guò)程也帶有相當大的經(jīng)驗成分PSD中四色黑底色怎么換成單黑。
4 ．蒙板與貼圖混合通道
蒙板又被稱(chēng)為“遮罩”，可以說(shuō)是最能體現“遮板”意義的通道應用了PSD中四色黑底色怎么換成單黑。
在一張圖像（或一個(gè)圖層）上添加一張黑白灰階圖，黑色部分的圖像將被隱去（而不是刪除），變?yōu)橥该?；白色部分將被完全顯現；而灰階部分將處于半透明狀態(tài)PSD中四色黑底色怎么換成單黑。蒙板無(wú)論在圖像合成還是在特效制作方面，都有不可取代的功用。蒙板也可以應用到三維模型的貼圖上面。金屬上的斑斑銹跡，玻璃上的貼花圖案，這些形狀不規則的圖形，往往要用矩形貼圖加蒙板的方式加以處理。這種類(lèi)型的蒙板由于需要調整它們在三維表面的坐標位置，所以常常被視為一種特殊形式的貼圖，稱(chēng)為“透明度貼圖”。
蒙板不僅可以在簡(jiǎn)單的貼圖中使用，更可以在復雜得多維材質(zhì)中使用PSD中四色黑底色怎么換成單黑。當兩種材質(zhì)在同一表面交錯混合時(shí)，人們同樣需要用通道來(lái)處理他們的分布。而與普通蒙板不同的是，這樣的“混合通道”是直接應用在兩張圖像上的：黑色的部分顯示 A 圖像；白色部分顯示 B 圖像；灰階部分則兼而有之。可見(jiàn)，混合通道是由蒙板概念衍生而來(lái)，用于控制兩張圖像疊蓋關(guān)系的一種簡(jiǎn)化應用。
5 ．置換貼圖與凹凸貼圖
在三維軟件中，通道并不僅限于處理平面貼圖，他也被用于表現更為復雜的材質(zhì)，甚至用來(lái)建立模型PSD中四色黑底色怎么換成單黑。
試想，我們要對一枚硬幣建模：其表面紛繁復雜的圖案與花紋一定會(huì )給我們的工作帶來(lái)不少麻煩，用通常的建模手段，幾乎無(wú)法完成PSD中四色黑底色怎么換成單黑。也許有人會(huì )問(wèn)：我們能不能用一張平面圖像來(lái)表示三維物體表面的凹凸起伏（就像一張海拔地圖那樣），而讓計算機自動(dòng)完成繁瑣的建模工作呢？答案是：能，而且這張關(guān)鍵的平面圖就是通道。
將一張通道用所謂“置換貼圖”的方式貼到物體的表面，這時(shí)，計算機就會(huì )如是運作： 將貼圖表面上的節點(diǎn)，按照貼圖通道上像素的亮度信息，沿曲面在該點(diǎn)的法線(xiàn)方向進(jìn)行不同程度的牽引拉伸，要么凹下去，要么凸起來(lái)：就像比對著(zhù)一張用顏色描繪海拔的地圖，在泥巴上捏出高山與峽谷一樣PSD中四色黑底色怎么換成單黑。現在，我們只要用平面繪圖工具繪制一張二維圖像，然后將其轉化為置換貼圖并賦予物體，一枚極具質(zhì)感的硬幣就躍然紙上了。
置換貼圖雖然可以大大節省建模工作量，但由于這樣生成的模型不夠優(yōu)化，多邊形數目過(guò)于繁多，會(huì )造成渲染時(shí)間的大幅攀升PSD中四色黑底色怎么換成單黑。為此，人們想出一個(gè)折中的好辦法。在不增加模型復雜度的前提下，使物體表面的凹凸效果近似于置換貼圖中生成的真實(shí)模型，這就是凹凸貼圖算法。凹凸貼圖同樣以通道為信息源，通過(guò)特殊的表面貼圖與光影處理，表現出物體的高光與陰影，使其光影效果在大多數情況下能夠達到令人信服的程度。
現在，我們再使用凹凸通道貼圖建立一枚硬幣模型，并與前面的置換模型進(jìn)行渲染比對PSD中四色黑底色怎么換成單黑。我們會(huì )發(fā)現：在“正視”所處理的平面（視線(xiàn)垂直于平面）時(shí)，后者與前者有著(zhù)同樣出色的表現，但渲染時(shí)間大大優(yōu)于前者；而在“側視”（視線(xiàn)垂直于該平面的法線(xiàn)）對比時(shí)，置換貼圖依舊表現出物體表面真實(shí)的起伏形態(tài)，而用凹凸貼圖處理的平面則平整如初。這也使凹凸貼圖的缺點(diǎn)暴露無(wú)遺。以上兩種算法各有優(yōu)劣，而在最終決定究竟使用哪一種算法使通道與模型相結合，以達到所需效果時(shí)，視角便成為決定性的因素。
6 ．矢量通道
為了減小數據量，人們將逐點(diǎn)描繪的數字圖像再一次解析，運用復雜的計算方法將其上的點(diǎn)、線(xiàn)、面與顏色信息轉化為簡(jiǎn)捷的數學(xué)公式；這種公式化的圖形被稱(chēng)為“矢量圖形”；而公式化的通道，則被稱(chēng)為“矢量通道”P(pán)SD中四色黑底色怎么換成單黑。矢量圖形雖然能夠成百上千倍地壓縮圖像信息量，但其計算方法過(guò)于復雜，轉化效果也往往不盡人意。因此，他只有在表現輪廓簡(jiǎn)潔、色塊鮮明的幾何圖形時(shí)才有用武之地；而在處理真實(shí)效果（如照片）時(shí)，則很少派上用場(chǎng)。 Photoshop 中的“路徑”， 3DS 中的幾種預置貼圖， illustrator 、 flash 等矢量繪圖軟件中的蒙板，都是屬于這一類(lèi)型的通道。
古人云：“勿在沙地筑高臺”P(pán)SD中四色黑底色怎么換成單黑。想擁有過(guò)人的技術(shù)就必須努力學(xué)好基礎知識。通道的應用是從事美工行業(yè)人員從入門(mén)到精通的必經(jīng)之路，也是這門(mén)課程的華彩樂(lè )章。希望大家能夠從這里一點(diǎn)一滴地學(xué)起，在不遠的將來(lái)，讓自己的作品散發(fā)出藝術(shù)耀眼的光芒。