1.4 分辨率与彩色显示

1.4.1 数字信息的分辨率

分辨率是度量位图图像内数据量多少的一个参数，分辨率决定了位图图像细节的精细程度，是图像非常重要的性能指标之一。“分辨率”被表示成每一个方向上的像素数量，比如640×480等。我们可以把整个图像想象成一个大型的棋盘，而分辨率的表示方式就是所有经线和纬线交叉点的数目。分辨率的单位通常表示成“每英寸像素”（Pixel Per Inch, PPI）或“每英寸点”（Dot Per Inch, DPI）。分辨率也可同时用“每英寸像素”以及图形的长度和宽度来表示，比如“72PPI,8英寸×6英寸”。

分辨率主要有图像分辨率、网屏分辨率、显示器分辨率等。

1．图像分辨率

图像分辨率，即图像的空间分辨率，指图像中存储的信息量。这种分辨率有多种衡量方法，典型的是以每英寸的像素数（PPI）来衡量，也有以每厘米的像素数（PPC, Pixel Per Centimeter）来衡量的。分辨率和图像的像素有直接关系。通常情况下，图像的分辨率越高，所包含的像素就越多，图像就越清晰，印刷的质量也就越好。我们来算一算，一张分辨率为640×480的图片（一张数码图片的长宽比通常是4∶3），那它的分辨率就达到了307200像素，也就是我们常说的30万像素，而一张分辨率为1600×1200的图片，它的像素就是200万。这样，我们就知道，分辨率的两个数字表示的是图片在长和宽上占有点数的单位。

图像分辨率和图像尺寸（高宽）一起决定文件的大小及输出的质量。图像分辨率以比例关系影响着文件的大小，即文件大小与其图像分辨率的平方成正比。如果保持图像尺寸不变，将图像分辨率提高一倍，则其文件大小增大为原来的四倍。

图像的分辨率越大，包含的数据越多，图像文件的大小就越大，也能表现更丰富的细节。但越大的文件需要耗用更多的计算机资源、更多的内存、更大的硬盘空间等；相反，图像的分辨率越低，图像包含的数据不够充分，就会显得相当粗糙，特别是把图像放大为一个较大尺寸观看的时候。所以在图片创建期间，我们必须根据图像最终的用途决定图像正确的分辨率，原则是，既要保证图像包含足够多的数据，能满足最终输出的需要，也要适量，尽量少占用一些计算机的资源。

数码相机能够拍摄最大图片的面积就是这台数码相机的最高分辨率，通常以像素为单位。数码相机分辨率的高低决定了所拍摄的影像最终能够打印出高质量画面的大小，或在计算机显示器上所能够显示画面的大小。数码相机分辨率的高低，取决于相机中CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件）芯片上像素的多少，像素越多，分辨率越高。数码相机的最大分辨率也是由其生产工艺决定的，但用户拍摄时可以调整到更低分辨率以减少照片占用的空间。就同类数码相机而言，最大分辨率越高，相机档次越高。但高分辨率的相机生成的数据文件很大，对加工、处理的计算机的速度、内存和硬盘的容量以及相应软件都有较高的要求。

2．网屏分辨率

网屏分辨率（Screen Resolution）又称网幕频率（印刷术语），指的是印刷图像所用的网屏的每英寸的网线数（即挂网网线数），以LPI（Line Per Inch）来表示。例如，150LPI是指每英寸加有150条网线。

在传统商业印刷制版过程中，制版时要在原始图像前加一个网屏，这一网屏由呈方格状的透明与不透明部分相等的网线构成。这些网线也就是光栅，其作用是切割光线解剖图像。由于光线具有衍射的物理特性，因此光线通过网线后，形成了反映原始图像影像变化的大小不同的点，这些点就是半色调点，一个半色调点最大不会超过一个网格的面积。网线越多，表现图像的层次越多，图像质量也就越好。因此，商业印刷行业中采用了LPI表示分辨率。

3．显示器分辨率

显示器分辨率是指在显示器的有效显示范围内，显示器的显像设备可以在每英寸荧光屏上产生的光点数。这种分辨率通过“每英寸点”（DPI）来衡量，PC显示器的设备分辨率在60至120DPI之间。例如，一台14英寸的显示器（荧光屏对角线长度为14英寸），其点距为0.28mm，那么显示器分辨率为25.4mm/inch ÷ 0.28mm/Dot≈90DPI（1inch=25.4mm）。显示器出厂时一般不标出表征显示器分辨率的DPI值，只给出点距。我们根据上述公式即可算出显示器的分辨率。根据我们算出的DPI值，进而可以推算出显示器可支持的最高显示模式。假设该14英寸·显示器荧光屏有效显示范围的对角线长度为11.5英寸，因显示器的水平方向和垂直方向的显示比例为4∶3，根据数学上的勾股定理，可得该显示器的有效显示范围宽度为9.2英寸，垂直高度为6.9英寸。最高显示模式约为800（9.2 × 90）× 600（6.8×90），这时是用一个点（Dot）表示一个像素（pixel）。

PC显示器的最佳分辨率，也叫最大分辨率，在该分辨率下，液晶显示器才能显现最佳影像。目前15英寸PC显示器的最佳分辨率为1024×768;17～19英寸显示器的最佳分辨率通常为1280×1024，更大尺寸的显示器拥有更大的最佳分辨率。高分辨率显示器不仅意味着较高的清晰度，也意味着在同样的显示区域内能够显示更多的内容。比如在640 × 480分辨率下只能显示一页内容，在1600×1280分辨率下则能同时显示两页。

对于在电子出版物中显示的图像，其究竟应该取多高的分辨率呢？这主要由电子出版物的阅读设备来确定。当阅读设备的分辨率高时，应该取较高的空间分辨率。人眼之所以习惯于阅读纸张类出版物，其主要原因是现有显示器的分辨率不够高，长时间观看屏幕会使人眼产生疲劳的感觉。目前，普遍使用的计算机显示器屏幕分辨率在85DPI左右，而这与印刷品通常采用的133～175LPI的加网线数相差甚远。因此，虽然计算机屏幕上的一个显示点能足够准确地表现颜色，但由于其输出分辨率较低而给彩色图像的正常阅读和欣赏带来弊端。

电子出版物图像的合理空间分辨率应该与印刷工艺采用的空间分辨率相当，但这往往很难做到。因此，在实际处理时，电子出版物的图像空间分辨率就只能取到其阅读设备的最大分辨率，取得再高是没有意义的，反而会降低屏幕的刷新速度，也就影响了电子出版物的阅读速度。

4．扫描分辨率

扫描分辨率指在扫描一幅图像之前所设定的分辨率，它影响所生成的图像文件的质量和使用性能，决定了图像将以何种方式显示或打印。如果扫描图像用于640×480像素的屏幕显示，则扫描分辨率不必大于一般显示器屏幕的设备分辨率，即一般不超过120DPI。

大多数情况下，扫描图像是为了通过高分辨率的设备输出。如果图像扫描分辨率过低，会导致输出的效果非常粗糙。但如果扫描分辨率过高，数字图像中会产生超过打印所需要的信息，不但减慢打印速度，而且会在打印输出时使图像色调的细微过渡丢失。一般情况下，图像分辨率应该是网屏分辨率的1.5～2倍，这是国内大多数输出中心和印刷厂都采用的标准。

5．打印分辨率

打印分辨率是指打印机输出图像时，在每英寸打印纸上可以打印出的表征图像输出效果的色点数量。例如，某台分辨率为360DPI的打印机，在每英寸打印纸上可以打印出360个表征图像输出效果的色点。打印分辨率越大，表明图像输出的色点越小，输出的图像效果就越精细。打印机色点的大小只同打印机的硬件工艺有关，与要输出图像的分辨率无关。

数码相机像素水平的高低与最终所能打印一定分辨率照片的尺寸可用以下方法简单计算。假如彩色打印机的分辨率为N DPI，数码相机水平像素为M，最大可打印出的照片为M/N英寸。例如，打印机的分辨率为300DPI，那么水平像素为3600的数码相机，其所摄的影像文件不作插值处理能够打印出的最大照片尺寸为12英寸（3600÷300）。要打印出尺寸越大的数码照片，就需要越高像素水平的数码相机。

6．位分辨率

图像的位分辨率（Bit Resolution）又称位深度，是用来衡量每个像素储存信息的位数。有时我们也将位分辨率称为颜色深度。这种分辨率决定可以标记为多少种色彩等级的可能性。一般常见的有8位、16位、24位或32位色彩。所谓“位”，实际上是指“2”的平方次数，8位即是2的八次方，等于256。所以，一幅8位色彩深度的图像，所能表现的色彩等级是256级。

在下面一小节中，我们还会提到图像的位分辨率。

1.4.2 数字信息的彩色显示

人眼的视网膜由大量光敏细胞组成，其中有一种锥状细胞不但能感光也能感色。俄国科学家罗蒙洛索夫于1756年首先提出三基色假设（这个假设后来得到了许多科学家的实验证明），他认为人眼的锥状细胞分为三类，分别称为红敏细胞、绿敏细胞和蓝敏细胞。如果某束光线只能引起某一种光敏细胞兴奋，而另外两种光敏细胞仅受到很微弱的刺激，则感觉到的便是某一种色光。电视技术正是利用了这一原理，在视觉图像复现过程中，不是重现原来景物的光谱分布，而是利用三种相似于红、绿、蓝锥状细胞特性曲线的三种光源进行配色，使在色感上得到相同的效果，即同色异谱的彩色视觉效果。

1．彩色三要素

人眼对任何一种颜色的光引起的视觉反应，可用亮度、色调和色饱和度三个参量来表示，通常把彩色的亮度、色调和色饱和度称为彩色三要素。

·色调——表示颜色的种类，取决于该种颜色的主要波长。· 32 ·

·色饱和度——表示颜色的深浅（浓淡）的程度，按该种颜色混入白光的比例来表示。完全没有混入白色光的单色光的饱和度为100%，混入白光使饱和度降低，使颜色变淡，但色调并不改变。

·亮度——反射光明暗的强度称为亮度，它表示不同照度下，反射出来的光量有多少。

在彩色电视技术中，常把色调和色饱和度统称为色度。

2．三基色原理

选择三种独立的颜色按不同比例混合就可以引起各种不同的颜色感觉；反之，任何彩色也能分解为三种基色，这就是三基色原理。

三基色必须满足以下四点要求：

（1）在三基色中的任何两种颜色都不能产生第三种颜色。

（2）用互相独立的红、绿、蓝三种基色光以不同的比例混合，可模拟出自然界中绝大多数的彩色。或者说绝大多数的彩色光，能分解为红、绿、蓝三种基色光。

（3）三种基色的混合比例决定了混合色的色调和色饱和度。

（4）混合色的亮度等于构成该混合色的各种基色的亮度之和。

彩色电视种所采用的三基色分别是红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue），这是因为人眼的三种锥状细胞分别对红光、绿光和蓝光最敏感。三基色原理对彩色电视极为重要，它把所需要传送景物的丰富多彩的颜色简化为只需传送三种基色信号。

3．图像的彩色模式

图像模式主要包括二值图像、灰度图像、RGB图像、CMYK图像、Lab图像和索引彩色图像，这些图像模式的参数归纳于表1-5中。

（1）RGB模式

RGB模式是一种发光的色彩模式，因此在一间黑暗的房间内仍然可以看见屏幕上的内容。RGB代表红绿蓝三种色彩，只要是屏幕上显示的图像，就是RGB模式表现的。

尽管从表1-5中可以看到RGB图像、CMYK图像和Lab图像在理论上可表示几百万种或数十亿种颜色，但由于输出设备物理属性的限制，实际可显示或表达的颜色数要低于理论上可表示的颜色数，因而不能获得由图像数据定义的颜色范围。印刷复制的颜色范围限制比显示器更多，能复制的颜色数因而更少。

每一种图像模式有特定数量的通道，它们对应于构成彩色图像的主色数目，例如RGB图像模式由红、绿和蓝三个主色通道组成，而构成CMYK图像的主色通道有四个。当各通道以自身的颜色显示时，人眼看到的将是对应的颜色，比如红色通道显示为红色，绿色通道显示为绿色，蓝色通道显示为蓝色，这些颜色称为图像的基本颜色，它们是构成彩色图像的基本成分。因此，当一幅图像由几个通道组成时，每一个像素点的颜色是这几个通道值的组合结果。

每一个通道有特定的颜色“深度”，它决定了该通道的每一个像素可以有多少种取值或取值范围，称为位深度或位分辨率，更确切的称呼是色调分辨率。例如，一张RGB模式的图片，当每个通道的颜色“深度”为8时，则每个像素的信息为24位（8+8+8），每个像素可显示的颜色数约为1678万种；如果该张图片的分辨率为640×480，即图片为307200像素，则该图片的文件大小为900KB（307200像素×24位深度÷8位/字节÷1024）。由此可见，图像的通道数和颜色“深度”将对图像文件的大小产生综合影响。

从上面的讨论可以看到，在衡量数字图像的客观质量时，不仅要考虑它的空间分辨率，也要考虑到图像的色调分辨率，只有当图像的空间分辨率和色调分辨率达到合理的组合时才能获得最佳的复制质量。因此，数字彩色图像的客观质量应该是色调分辨率和空间分辨率的函数，彼此不能或缺。

（2）CMYK模式

CMYK也称作印刷色彩模式，顾名思义就是用来印刷的。它和RGB相比有一个很大的不同，CMYK是一种依靠反射光的色彩模式，例如我们阅读报纸时，是由阳光或灯光照射到报纸上，再反射到我们的眼中，才看到内容，它需要有外界光源。只要是在印刷品上看到的图像，就是CMYK模式表现的，比如期刊、杂志、报纸、宣传画等。CMY是三种印刷油墨名称的首字母：青色Cyan、洋红色Magenta和黄色Yellow，而K取的是Black最后一个字母，之所以不取首字母，是为了避免与蓝色（Blue）混淆。因为青色、洋红色和黄色构成三基色，从理论上说，只需要CMY三种油墨就足够了，它们三个加在一起就应该得到黑·色。但是由于目前制造工艺还不能造出高纯度的油墨，CMY相加的结果实际是一种暗红色。因此，还需要加入一种专门的黑墨来调和。由于高质量印刷常采用四种基本颜色，故CMYK图像文件总是要大于RGB文件的数据量。

（3）Lab模式

Lab模式是由国际照明委员会（CIE）于1976年公布的一种色彩模式，是CIE组织确定的一个理论上包括了人眼可见的所有色彩的色彩模式。也就是说，Lab模式所定义的色彩最多，且与光线及设备无关，并且处理速度与RGB模式同样快，比CMYK模式快数倍。Lab模式弥补了RGB与CMYK两种彩色模式的不足，是Photoshop用来从一种色彩模式向另一种色彩模式转换时使用的一种内部色彩模式。

人在看物体时，首先看到的是明暗，次之是色彩。Lab模式有三个通道，反映明暗的明度通道（L通道）和两个颜色通道（A、B通道）。

L通道有暗区、中间调及高光区之分，L通道可以用来调整照片的亮度，而且当对它进行调整时，图像的颜色是不会发生变化的。

A通道显示的颜色范围是：绿色—50%灰（中性灰）—红色。在这个通道的灰度图中，暗调部分，即小于“50%灰”（色阶值为128）表示绿色。而且在灰度图中颜色越暗，即越低于“50%灰”，绿色的饱和度就越高；颜色灰度值越接近“50%灰”，绿色的饱和度就越低。同时，亮调部分，即大于“50%灰”（色阶值为128）表示红色。颜色越亮，红色饱和度越高，反之，越接近“50%灰”，红色的饱和度越低。

B通道显示的颜色范围是：蓝色—50%灰（中性灰）—黄色，在这个通道的灰度图中，暗调部分，即小于“50%灰”（色阶值为128）表示蓝色。而且在灰度图中颜色越暗，即越低于“50%灰”，蓝色的饱和度就越高；颜色灰度值越接近“50%灰”，蓝色的饱和度就越低。同时，亮调部分，即大于“50%灰”（色阶值为128）表示黄色。颜色越亮，黄色饱和度越高；反之，越接近“50%灰”，黄色的饱和度越低。

当对A、B颜色通道进行调整时，图像只会有相应的色彩变化，而不影响图像的明暗。

（4）索引模式

索引图就是索引模式的图像。索引模式和灰度模式比较类似，它的每个像素点也可以有256种颜色容量，但它可以负载彩色。索引模式的图像最多只能有256种颜色。当图像转换成索引模式时，系统会自动根据图像上的颜色归纳出能代表大多数的256种颜色，就像一张颜色表，然后用这256种来代替整个图像上所有的颜色信息。索引的图像只支持一个图层，并且只有一个索引彩色通道。索引模式的图像就像是一块块由彩色的小瓷砖所拼成的，由于它最多只能有256种彩色，所以它所形成的文件相对其他彩色要小得多。索引模式的另一个好处是它所形成的每一个颜色都有其独立的索引标识。当这种图像在网上发布时，只要根据其索引标识将图像重新识别，它的颜色就完全还原了。索引模式主要用于网络图形、游戏制作等场合，常见的格式有GIF、PNG等。将RGB、CMYK等模式图片转换为索引颜色模式的方法：利用Photoshop中图像→模式→索引颜色命令即可。

思考题

1．信息的概念是什么？它有哪些测度？各自的表达式是什么？

2．假设一条电线上串联了8个灯泡，这8个灯泡损坏的可能性是等概率的，现假设这8个灯泡中有且只有一个灯泡已损坏，致使串联灯泡都不能点亮。在未检查之前，我们不知道那个灯泡已损坏，我们只有用万用表去测量电路是否断路，获得足够的信息量，才能获知具体哪个灯泡已损坏，问至少要测量几次才能找出损坏的那个灯泡？

3．某离散信源由0,1,2,3四种符号组成，其概率场为下式。求：（1）消息“201020 130213 001203 210100 321010023102 002010 312032 100120 210”的信息量；（2）利用信源的熵估算该消息的信息量。

4．普遍性的通信系统模型由哪几部分构成？

5．你认为信息论对传播学的发展有哪些贡献？

6．理解模拟与数字的区别，说说模拟信号与数字信号的区别？

7．二进制与十进制相互转换的口诀是什么？十进制数100.875转换为二进制数是多少？

8．模拟信号数字化的过程是怎样的？

9．数字通信有哪些优点？为什么数字信号的抗干扰性强？

10．计算机字符的输入和输出采用的是哪种编码方式？

11.Huffman编码的过程是怎样的？

12．在一篇100个字的文章中，只出现过M0～M5共6个字符，每个字符出现的概率如下表所示，请分别用等长码编码方法和Huffman编码方法对其进行编码，并分别计算编码后这篇文章的码长。

13．多媒体信息为什么可以被压缩？

14．数字音视频的压缩标准有哪些？

15．什么是图像的空间分辨率和色调分辨率？

16．图像的彩色模式有哪几种？印刷所使用的图像彩色模式是哪种？