數字影像的技術質量評價（二）

李勇，馬松年

（1.中國傳媒大學影視藝術學院，北京 100024；2.北京電影學院攝影系，北京 100088）

（續接上期）

2.2 清晰度（Sharpness）

這里的 “清晰度”嚴格地講應當是 “邊緣清晰度”，也稱作“銳度”，或許現在使用逐漸增多的“銳度”更為明確、形象。

清晰度是指影像中不同亮度部位邊緣的明銳程度，或者說是影像細部邊緣的明銳程度。通常形容影像時說“影像的輪廓鮮明”，其實質內容就是“清晰度好”。相對于分辨率來說，分辨率所描述的是分辨細部的數量，而清晰度所描述的是分辨細部的“質量”，即分辨細部是否清楚、清晰及清晰的程度。

從本質上說，清晰度所表示的是細部邊緣兩側亮度的對比程度，邊緣兩側不同亮度之間的“過渡”狀態。若兩個亮度變化是逐漸過渡的，亮度的過渡平緩，清晰度就表現不好，邊緣模糊；若亮度過渡范圍小，呈急速變化，則清晰度好，邊緣清晰、銳利。如圖3所示。（圖見下頁）

圖3 清晰度示意圖

圖3中的坐標圖的橫坐標X為圖像亮度測量的幾何位置，縱坐標B為影像的亮度，圖中的曲線表示垂直于不同亮度邊界方向進行掃描測量所得亮度變化的數值和趨勢。其中圖3之Ⅰ為被攝體相鄰的兩個部位的不同亮度狀況，中間存在著鮮明、銳利的邊界，圖3之Ⅱ為對應Ⅰ的理論亮度分布圖，在其分界處的亮度變化為一垂直線。如果拍攝所得圖像理想地記錄被攝體的亮度狀態，亮度變化曲線應與Ⅱ相同，完全真實地記錄了被攝體細部的亮度變化狀態，具有極其銳利的邊緣、最大的清晰度。實際上在拍攝中由于各種雜光的影響，圖像載體所捕捉和記錄的影像并非如此，而是如圖3之Ⅲ的情況，不同曲線代表記錄的亮度分布的不同狀態。其中曲線C曲線最為平坦，亮度漸變的區域很大，表明邊緣最為模糊，細部質量即清晰度最差，曲線D比C較為陡直，表明清晰度比C好。曲線E為經過銳化處理之后的圖像細部邊緣亮度變化曲線，表明細部邊緣的亮度對比有明顯的加強，曲線更為陡直，邊緣更為銳利，清晰度有很明顯的提高。

在傳統攝影中對感光材料的清晰度曾采用過測量“銳度”的方法和相應的量值表示，即以具有銳利邊緣的光學影像在感光材料上曝光，沖洗之后在膠片影像垂直邊緣的方向上進行微密度掃描測量，獲得密度值和相應的曲線后，再進行計算得到銳度值。銳度值和清晰度的視覺效果相當一致，但由于測定和計算方法比較復雜，所提供的信息也比較單一而沒有被普遍采用。但“銳度”這一術語卻在一些領域中被相當普遍地采用了，實際上在應用中銳度和清晰度已被視為同一個概念了。

通過如上說明可知，分辨率和清晰度是表示細部表現特性的兩個不同的側面，兩者之間不存在必然一致的關系。過去曾經出現過一種錯誤的認識，即認為分辨率好，清晰度當然就好，反之，清晰度好，分辨率也一定好，其實并非完全如此。實際上分辨率高而清晰度不高，或者清晰度提高而分辨率下降等情況，都是不鮮見的。例如：在進行圖像的銳化處理時，通過銳化可提高圖像的清晰度，但往往會導致一些層次損失，細部數量減少，實際上就是分辨率下降，特別是在銳化過度時，會非常明顯。

2.3 模量傳遞函數（MTF）

分辨率和清晰度的實質是什么？它們之間究竟存在著何種關系？僅就這兩個獨立的參量難以給出清楚的回答。在現代傳播媒體特性評價中，廣泛采用的“模量傳遞函數”則可以看出它們之間的聯系。

模量傳遞函數通常是表示為一條特定的曲線，這一曲線的橫坐標為“空間頻率”，縱坐標為“響應”值。空間頻率為類似分辨率標板中的線條的數值，以“周/毫米”表示，1“周”包含了一黑一白兩個按正弦波形漸變的“線條”，這種“線條”越細，表示細部越微小，周/毫米的數值越大，單位長度內的細部數量就越多，反之，則細部數量就越少。“響應”值是表示對原始影像細部反差表達和記錄的狀況，影像的細部反差越大，即響應值越大，細部表現的質量越好，越接近于原始光學影像。通常響應值最高為100%（特殊情況下可超過100%），基本上可以認為影像細部質量達到最好。

模量傳遞函數也被用于表示攝影鏡頭的細部表現特性，在應用于鏡頭時通常稱作 “光學傳遞函數（OTF）”。

模量傳遞函數的空間頻率和響應值可以理解為與分辨率和清晰度正相關的參量。可以建立這樣的認識，即在坐標圖中模量傳遞函數曲線涵蓋的空間頻率越大，表明載體或系統的分辨率越高，反之，分辨率就越低；曲線所對應的響應值越大，表明載體或系統的清晰度越高，反之，清晰度就越低。還可以概括地認為，MTF曲線與橫坐標軸、縱坐標軸所包圍的面積越大，就表明載體或系統的細部表現特性越好，所包圍的面積越小，細部特性就越差。

圖4 模量傳遞函數曲線示意圖

圖4為模量傳遞函數曲線的示意圖。從圖中的曲線可以看出，曲線A所包圍的面積最大，表明該載體的細部表現特性明顯優于曲線B、C所對應的載體，其分辨率和清晰度都是最好的。還可從圖中看出B曲線所對應的空間頻率范圍大于C曲線，但響應值小于C曲線，從而可以作出判斷，B載體的分辨率較高，但其清晰度比較低，而C載體的分辨率不是很好，但清晰度卻比較高，其示意圖如圖5所示。

圖5 B載體和C載體的成像示意圖

2.4 噪點

觀察圖像時常常可以發現，攝影影像的暗部會出現較粗的顆粒感，在圖像放大倍率較大時，這種顆粒感就變得更為明顯，更為粗大。在傳統攝影中這種顆粒感就稱之為“顆粒”，其定性的表示稱作“顆粒性”，定量的表示稱作“顆粒度”。在數字攝影中類似的現象同樣存在，不過這種顆粒被稱作“噪點”，也稱作“噪聲”或“噪波”。

由于顆粒狀態的噪點的存在，會導致影像細部特別是暗細部層次損失，如果在拍攝中存在曝光不足，噪點將更為嚴重，影像的暗細部層次也會產生嚴重的損失，甚至完全被噪點吞噬，細部表現變得很差。數字影像的噪點的基本成因主要有兩個方面，即數字相機傳感器的特性及攝影中技術條件的把握。

噪點表現是數字相機最重要的特性之一。數字單鏡頭反光相機與小型、家用型數字相機性能最重要的不同之一，就是噪點表現存在明顯的差別，小型數字相機比數字單反相機更容易產生噪點，可以說表現得更為嚴重，因此，細部表現也存在明顯的差距。

3 彩色表現

3.1 彩色表現概述

彩色表現是影像載體或系統的重要特征之一，也是彩色影像質量評價與衡量的特征性的參量。彩色表現是指影像載體或系統對被攝體顏色捕捉、記錄和表現的能力。彩色表現既體現在宏觀表現上，也體現在微觀表現上；既體現在影像整體的色調、飽和度及明度等方面的表現狀態上，也體現在彩色細節表現的豐富、細膩程度上。

就通常的理解，在技術上最好的、理想的彩色表現應當是獲得影像的色彩與被攝體的顏色完全相同，即完全“還原”原始顏色，然而實際上并非如此。在技術上真正實現這一目標是極其困難的，因為不可能百分之百地還原被攝體的全部顏色（包括：色調、明度和飽和度）。此外，在攝影過程中，彩色影像的呈現、顯示方式是多種多樣的，觀看影像時的照明條件、環境條件等等因素又是多樣和多變的，因而一個攝影影像的彩色質量被認為“好”或“不好”都是在一定條件下的結論，當觀察條件、照明條件、環境條件發生改變時，獲得的觀察結果也會變化。實際上我們對攝影影像的彩色表現并不追求（也做不到）“還原”被攝體的顏色，在攝影系統中我們所追求的是在一般工作或觀賞條件下，畫面的顏色與被攝體顏色在視覺感受上相同或相近，即使是這樣，“相同或相近”尺度的判斷仍然會因人而異，不同觀察者之間會存在或大或小的差異。這里除物理的、客觀的因素外，評價者的主觀因素也有著重要影響，例如觀察者的技術訓練水準、文化修養、審美傾向和趣味等等因素。此外，作為攝影者有時為了追求特定藝術效果，還會刻意地使畫面產生某種傾向和程度的顏色偏離，以使其成為一幅攝影者理想的“攝影作品”。不過這已經完全是藝術創作范圍的內容，而不屬于技術層面和領域討論的問題了。

3.2 影響數字影像彩色表現的因素

攝影畫面的顏色表現是一個復雜而涉及面廣的技術問題，可以說從攝影者按下快門的一瞬，直到最后產生的攝影畫面，每一個技術環節都會對畫面的顏色表現產生影響，甚至在其后觀賞照片的過程中，在不同的光線及觀看條件下，還會產生不同的視覺效果。現將在數字攝影中影響載體或系統顏色表現的主要因素列述如下：

①拍攝時的技術操作

作為攝影過程，拍攝時技術條件的設定和把握是最關鍵、最基本的技術操作。高質量的技術操作將為圖像的后期處理及圖像輸出提供良好的技術基礎，也為圖像獲得優質的彩色表現提供扎實的前提。這些操作涉及的主要方面是：攝影光源的顏色特性與相應的白平衡處理；攝影用光的技術與技巧把握；數字相機的相對感光度的設定；攝影時的測光、曝光及曝光補償等技術環節的掌握和控制；各種各樣的攝影濾鏡的應用；攝影鏡頭的成像質量及其恰當、有效的使用等等。

②色深度

色深度也稱色位數。色深度大小不同，圖像可具有的顏色數量就不同，色深度數值越大，所表現的顏色數量越多，顏色細節就越豐富、越細膩。色深度越小，所表現的顏色數量就越少，在視覺上會缺乏中間的、過渡性的顏色，圖像顏色不豐富。數字相機的色深度大多為24（8×3）位，掃描儀則多為36（12×3）位或48（16×3）位。色深度為24位時可產生1600多萬種顏色，對于攝影畫面來說，這一顏色數量完全可以充分滿足各種圖像顏色表現的需要。48位色深度可以產生多達幾十萬億種顏色，實際上其中所表現的絕大多數顏色的微小差異人眼是不能區分的。

③色彩模式

色彩模式主要是包括：圖像顏色的類型、顏色產生的方式及顏色表征的方法等內容。例如Photoshop軟件的應用中有多種色彩模式，這些模式之間可以進行轉換，主要有：灰度模式、RGB模式、CMYK模式、LAB模式、索引模式等等。采用灰度模式時，圖像是“消色”的，具有“黑白灰”類的顏色，即所產生的是黑白影像；RGB模式為一種典型的、基本的彩色成像模式，即以紅、綠、藍三種原色光按照比例以加色方式混合產生彩色影像，一般的數字相機、掃描儀、顯示器等都是采用此種模式；CMKY模式是以減色方式 （如各種染料或顏料等進行混合）形成彩色影像的一種模式，例如：一般在圖像輸出打印照片時均需轉換為這一模式；LAB模式為一種標準的、國際通用的，以色度指數和明度指數表征顏色的色彩模式，也是各種彩色模式之間進行轉換時采用的中間模式，即其它模式之間轉換時，必須首先轉換為LAB模式；索引模式為一種簡約的、加色法的色彩模式，RGB三種原色共有8位，即最多只能產生256種顏色，產生的顏色數量少，但形成的圖像文件小，只占用很小的存儲空間。此外還有更多的色彩模式。

在各種不同的色彩模式下，形成的圖像顏色質量存在明顯的不同，但不同的色彩模式在不同的技術場合有著相應的應用，因而在實際的技術應用中必須根據不同的技術需要選擇相應的色彩模式。

④色彩空間

色彩空間是指一個色彩系統在三維的立體坐標（如：R、G、B空間，L、A、B空間，H、S、L空間等等） 中所能占據的空間范圍。占據的范圍越大，即色彩空間越大，表明這個系統能夠表現的顏色越多、越豐富，可以表現飽和度更高的顏色，顏色特性好，反之，系統的顏色特性就差。此外，通常也可以采用xy色度圖（二維坐標）中的色域表示系統的顏色特性：系統的色域越大，彩色表現就越好；色域小，彩色表現就差。

前面談到數字影像系統可以有不同的色彩模式，這些模式之間的重要差異就是所產生的色彩空間不同。RGB模式是以三種原色光按加色法產生相應的顏色系統，可以獲得很大的色彩空間，可以說最大的色彩空間是由RGB模式產生的。CMYK模式是以四種（最基本的顏色是黃、品、青，再加上黑色）染料或顏料混合產生的顏色系統，這一系統的色彩空間會比RGB系統小。在數字攝影系統中最為常用的是sRGB色彩空間，這一標準完全可以滿足一般數字攝影或顯示器使用中的需要。在一些對顏色表現要求更高的應用領域，如：廣告攝影、更為專業的藝術攝影以及高水平的圖像印刷等，還常采用Adobe RGB色彩空間，它具有更大的色域，圖像可以表現出更高的彩色質量。

⑤色彩管理

數字攝影或數字影像的制作是一個多環節的過程，在整個過程中將涉及多種設備，如：數字相機、顯示器、掃描儀、數字打印機、數字彩色擴印機等。這些設備產生色彩的方式不盡相同，產生影像色彩的基本材料存在差異，數字攝影過程中不同用途的設備之間，即使同類設備之間都會存在著特性的差異，以上種種，都會對最終影像的色彩產生影響，導致影像色彩出現不同方向、不同程度的偏離。例如：數字相機拍攝得到的圖像在某一顯示器上觀看，顏色是良好的，同一個圖像文件，換一臺顯示器觀看，顏色就可能產生明顯的不同，亮度可能也有變化；通過數字彩擴獲得的照片顏色和顯示器相比也會有差異；如果使用數字打印機打印照片，其顏色也許和顯示器、擴印的照片都不相同。這一問題毫無疑問是令人頭疼的，但在數字攝影或印刷系統中卻是普遍存在的，只是存在著程度大小、差異的方向各有不同而已。在現代各種影像系統中，解決這一問題的基本方案就是進行“色彩管理”。

“色彩管理”系統的作用或目標，就是使數字影像系統（包括數字攝影系統）中，同一個圖像文件在不同的設備中產生的圖像顏色相同或相近，從而使最終影像的顏色與原始圖像的顏色相同或相近。色彩管理系統首先要求對每一個設備建立一個能夠描述其顏色特性的“特性文件”，也稱“特性描述文件”，以便在設備之間實現顏色轉換和傳遞。為此 “國際色彩聯盟（ICC）”制訂了一個所有設備生產廠家均可使用的、開放的“特性文件”及其轉換的標準格式。在此基礎上，通過一定的硬件設備和相應的軟件，并在國際通用的、標準的國際照明委員會（CIE）顏色系統（CIE Lab系統）中，進行不同設備之間的顏色轉換和傳遞，從而實現數字影像系統的色彩管理的目標。

數字攝影系統中的顏色表現雖然受到諸多因素的影響，但在這些因素中，有效的色彩管理系統與技術，則是數字攝影獲得良好的顏色表現的重要前提和基本的技術保證，因而色彩管理是數字攝影中必須關注的一個重要因素。

結語

以上對數字影像的技術質量從三個方面進行了評價和分析，這是一套嚴格意義上的科學的方法，是評價影像質量的概括性的理論體系。應該說理論的問題最終表現為認識事物的方式和方法問題，它無疑會對數字影像的發展、對數字影像科學的理論梳理起到積極的作用。