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計算機與色彩之數(shù)值是如何工作的

2010-09-17

（圖2-3：層次與階調(diào)的表現(xiàn)）

     為什么是256級
     256這個數(shù)字在某些人看起來似乎是很武斷和不可理解的。但是，這個數(shù)字在計算機和顏色的討論中出現(xiàn)得太頻繁了，因此值得將它的意義搞清楚。它并非那么神秘。我們只是期望能夠表現(xiàn)出足夠的階調(diào)等級，保證觀察者不會看出兩個相鄰階調(diào)等級之間的階調(diào)差別。研究表明，對于多數(shù)人來說，能夠產(chǎn)租平滑漸變效果的階調(diào)等級數(shù)量大約需要200級左右。那么，為什么不就只編碼成200級呢？為什么是256級呢？這里有兩個原因。
     留出余量。在實際應(yīng)用中，讓數(shù)據(jù)留有額外的階調(diào)等級余量是非常有用的，這是因為在復(fù)制過程的每一階段（掃描、顯示、編輯、轉(zhuǎn)換、計算、打?。疾豢杀苊獾貢l(fā)生階調(diào)損失，階調(diào)等級余量可以保證不會因為階調(diào)損失而出現(xiàn)條杠，這一點對色彩管理來說是非常關(guān)鍵的。
     二進制位。第二個原因就是我們使用數(shù)字位（比特）來表示這些階調(diào)等級的值。7位二進制數(shù)字位僅能編碼出128個階調(diào)等級（2⁷），肯定會使圖像中的天空出現(xiàn)條杠，在時裝模特的面頰上出現(xiàn)斑點。8位編碼能有256個階調(diào)等級（2⁸），不僅可以滿足階調(diào)等級的需要，而且還有小小的余量。第三個采用8位的理由是，計算機是以字節(jié)能單位進行存儲的，8個二進制位正好是一個字節(jié)。由8位構(gòu)成的數(shù)量已經(jīng)有很多用途了。例如，它非常適合存儲一種字體的外形，可以容納256個不同的字符形狀，包括所有西文字母、數(shù)字和標點符號。一個字節(jié)的存儲量對于編碼階調(diào)等級也是非常完美的，這個數(shù)量與人類視覺系統(tǒng)對階調(diào)的分辨等級正好吻合，這看起來似乎是一種不可思議的巧合，可工程師們太喜歡這種不可思議了。
     數(shù)百萬種顏色
     于是，用8位編碼，可以形成每個顏色通道256個階調(diào)等級，這睚好符使用們希望在每個通道內(nèi)存儲的小階調(diào)等級數(shù)量。就RGB圖像而言，三個通道的每一個都用8位存儲，合起來就是24位（這正是為何許多人交替使用“8位顏色”和“24位顏色”兩種術(shù)語來表示這同一件事情的原因）。如果三個通道的每一個通道都是256個階調(diào)等級的話，則顏色編碼的總數(shù)就是256×256×256，或者（拿出你的計算器）大約是1680萬種顏色！我們用24位存儲量（或小小的三個字節(jié)）就能編碼出這么多種不同的顏色??！
     盡管這種基于3個通道、每通道8位的編碼方式是常用的方法，因為它是以人類感知顏色的方式為基礎(chǔ)的，但我們在需要的時候也可以很輕易地將它進行擴展。為能夠比人眼識別更多顏色的設(shè)備提供顏色編碼，這種擴展可以通過增加通道數(shù)量或增加每一通道內(nèi)的存儲字節(jié)來實現(xiàn)。例如，當我們?yōu)橐慌_CMYK打印機準備一幅圖像時，我們將通道由三個增加為四個通道編碼，這并不是因為我們需要得到更多的可編碼顏色數(shù)（實際上，我們需要的會更少），而是因為要為四色油墨的每一色分配一個通道，這是很自然的事情。
     類似地，當要存儲由一臺顏色識別能力超過256級的RGB掃描儀所采集的圖像時，我們經(jīng)常將8位編碼擴展，更高為16位編碼（即所謂的“10位”、“12位”和“14位”掃描儀。盡管如此，因為我們都用整數(shù)字節(jié)來存儲文件，所以實際上并不存在“10位”、“12位”和“14位”的文件格式，而只有8位和16位的文件格式）。
     一人需要記住的關(guān)鍵問題是，我們這里談?wù)摰乃袃?nèi)容都是關(guān)于編碼的，也就是使用一系列可以利用的數(shù)值來對顏色進行定義的方法。然而，計算機可編碼的顏色數(shù)量遠遠超出了實際可復(fù)制的顏色數(shù)量。實際上，它也遠遠遠地超出了可感知顏色的數(shù)量。類似高端掃描儀這樣的設(shè)備，能夠比人類眼睛“感知”到更多的階調(diào)等級，我們通常就可以通過擴展編碼位數(shù)來解決編碼問題。編碼要解決的所有問題在于，每一種顏色都必須具有惟一的編碼，因而可編碼的數(shù)量總要多于我們實際所需要的顏色數(shù)量，就像電話公司必須保證每部電話有惟一的號碼，于是就要準備多于實際使用電話數(shù)量的號碼一樣。
     我們之所以要討論這個問題，是因為它是理解用抽象的數(shù)字所表示的顏色，與用“真實世界”的復(fù)制設(shè)備，如打印機、顯示器、掃描儀等，將這些數(shù)值能再現(xiàn)的相應(yīng)顏色感覺之間的差別。要是你考察一下在實際中那些顏色數(shù)值是如何被設(shè)備翻譯成“真實世界”顏色感覺的話，你就會發(fā)現(xiàn)，顏色值與所再現(xiàn)的顏色感覺二者的差別是非常大的。
     正由于這些內(nèi)容有助于理解顏色數(shù)值是如何工作，解釋為什么我們到處都可見到像256或1680萬這樣的數(shù)字。但請不要忘記，直到它們被彩色設(shè)備翻譯成真正的顏色感覺以前，它們只不過是一些純粹的數(shù)字而已。
     顏色定義與顏色
     許多人都將定義顏色的數(shù)值與顏色的數(shù)值搞混淆。例如，我們說發(fā)送給CMYK打印機的顏色自然要編碼為四個通道的數(shù)據(jù)，那么，8位編碼的CMYK顏色真能達到256×256×256或43億個不同顏色嗎？理論上是的。任意四個通道都能產(chǎn)生43億個編碼，但當我們?yōu)檫@四個通道賦予C、M、Y和K數(shù)值的時候，我們并不能通過第四個通道（K）增加更多的實際顏色。事實上，許多CMYK編碼表示的是相同的顏色。例如，50C、50M、50Y、0K組成的顏色，在理論上與0C、0M、0Y、50K產(chǎn)生的是同樣的暗灰色。因此顏色編碼有許多是多余的。這樣一來，可能就會有人爭論，是否增加了額外的K值就真能夠比使用CMY三個顏色通道得到更多的階調(diào)層次。但是這樣會使我們現(xiàn)在要討論的問題更復(fù)雜化了，還是讓我們只簡單地說，8位CMYK編碼的實際顏色總數(shù)遠遠要少于43億吧。
     另一個例子是，我們曾經(jīng)說到，有的掃描儀聲稱能夠識別出遠遠多于8位編碼的256個階調(diào)層次。他們聲稱能夠達到10位、12位，甚至14位的分辨能力。許多人都將這個顏色編碼與掃描儀的密度動態(tài)范圍弄混。密度動態(tài)范圍是指掃描儀從能夠可靠分辨層次的亮白色，到能夠可靠分辨層次的暗黑色所構(gòu)成的階調(diào)范圍。很多掃描儀制造廠家都聲稱這些“高比特”掃描儀能夠提供比8位更大的密度動態(tài)范圍，這種說法都是在混淆視聽。密度動態(tài)范圍是圖像采集設(shè)備能獲取模擬信號的界限范圍，無論如何與編碼位深度沒有任何關(guān)系。高比特僅僅將設(shè)備的密度動態(tài)范圍劃分為更多的不連續(xù)梯級，使我們在編輯圖像時具有更大的選擇余地。你可以將密度動態(tài)范圍理解為樓層的高度，而顏色位深則是樓梯所包含的臺階數(shù)量。顯然，如果我們想要梯級盡可能?。ㄟ@樣做是為了避免階調(diào)的跳變或條杠），密度動態(tài)范圍大的要比密度動態(tài)范圍小的需要更多的梯級，但密度動態(tài)范圍與梯級這兩者之間并沒有直接和必然的關(guān)系。