數字圖像入門·用數字記錄顏色

數字圖像入門·用數字記錄顏色

《數字圖像入門》是SOOMAL 13年前啓動的科普文章系列共計十餘篇，在公衆號上沒發表過，現在看還行並沒有完全過時，稍微改改還能看，加一點流行詞彙，討好一下年輕人，不知道這樣city不city。

頤和園雪景

頤和園雪景-局部放大

打開任意一張數碼照片，將它儘量放大。會看到很多彩色的小方塊，這些小方塊被稱爲像素，它是構成圖像最基本的元素。像素的英文名Pixel，它是一個合成詞匯，由Picture[圖像] 和 Element[元素]兩個單詞合成。

我們常常用1024X768、1600X1200這樣的表達式來描述圖片的尺寸，例如1600X1200，表示其橫向有1600個像素，縱向1200個像素，此圖一共有1920000個像素構成。數碼相機或手機的宣傳資料中，常常提到該相機該攝像頭具有有效像素XXX萬，即表示它最大能拍攝XXX萬像素構成的數字圖像。一張圖片包含的像素越多，它的信息量就越大，理論上，不存在最大的數字圖片，但最小的數字圖片可以由單個的像素構成。

像素可以是紅色的、紫色的、藍色的、綠色的、白色的……它可以有數以千萬甚至更多種變化，那麼像素是如何被存儲和表達的呢？依靠的是數字。

爲了記錄圖像，首先需要對光的強度進行量化，通常的情況是將光由最暗到最亮量化爲256級。

我們知道，光學的三原色爲紅綠藍，這三種光可以合成其他任意顏色，例如紫色光、橙色光等等。因此只要記錄三原色的亮度，就可以記錄下色彩的變化。紅綠藍三種光的亮度分別被量化爲256級，都爲0時，表現爲黑色，都爲255時，就是白色。理論上，這種記錄方式，可以記錄下至多16777216種不同的顏色，這些顏色可以用數字來記錄，例如用0來表示黑色，用16777215來表示白色。量化後，用數字表示對應像素的顏色，即數字圖像最基礎的構成原理。    

前面提到，光的量化級數爲256級，這正好是2的8次方。紅綠藍三種光分別量化爲256級，能產生2的24次方[16777216]種變化，這種圖像又被稱爲24位[bit]圖像。

並不是所有的圖像都是24位，黑白圖像只有8位，即0-255的256種變化。其實，更準確的稱呼不是黑白圖像，而是灰度圖像，這種圖像只記錄合成光的亮度值，而不記錄三原色光的亮度值，24位圖像可以轉換爲灰度圖像，會丟失色彩信息，但保留合成光的亮度信息。灰度圖像也可以轉換成24位圖像，但並不會恢復顏色，灰度圖像中亮度爲255的像素，轉換後會記錄爲紅綠藍均爲255的值，依次類推。

不是所有的8位圖像就一定是灰度圖像，它也可以是彩色的。網絡上常用的GIF動圖，就是一種彩色的8位圖像。它最多允許256種色彩存在，因此表現力會非常有限，爲了讓色彩表現更加豐富一些，GIF圖像可以允許建立一個調色板，在調色板中存儲使用最多的顏色值，每一種顏色值都有一個0-255之間的索引號[Index]，像素記錄的是索引號，通過索引號，可以檢索到顏色值。這張調色板的示意圖，就是《頤和園雪景》那張轉換爲GIF後產生的。

你如果是修圖愛好者，會發現還有一種32位色圖像。它是在24位圖像的基礎上，增加了一個透明的概念，即像素的的透明度，其變化範圍也是8位，即256級。這個透明層主要用於圖像合成時的運算，其色彩記錄範圍依然是24位。

隨着存儲成本和運算成本的持續下降，人們對色彩的要求越來越高，也因此開始出現48位圖像，即每一種原色都進行65536級的亮度量化，48位圖像理論上可以記錄281474976710656種顏色，記錄範圍要高於24位圖像千萬倍。

不管是多少位，其差別主要是信息記錄能力上有差異，其核心記錄方式是基本相同的[矢量圖像另說]，即用數字記錄像素的顏色以及像素的排列，並形成圖像，所以，數字圖像本質上就是一個數字矩陣。