数字影像的技术质量评价（二）

李勇，马松年

（1.中国传媒大学影视艺术学院，北京 100024；2.北京电影学院摄影系，北京 100088）

（续接上期）

2.2 清晰度（Sharpness）

这里的 “清晰度”严格地讲应当是 “边缘清晰度”，也称作“锐度”，或许现在使用逐渐增多的“锐度”更为明确、形象。

清晰度是指影像中不同亮度部位边缘的明锐程度，或者说是影像细部边缘的明锐程度。通常形容影像时说“影像的轮廓鲜明”，其实质内容就是“清晰度好”。相对于分辨率来说，分辨率所描述的是分辨细部的数量，而清晰度所描述的是分辨细部的“质量”，即分辨细部是否清楚、清晰及清晰的程度。

从本质上说，清晰度所表示的是细部边缘两侧亮度的对比程度，边缘两侧不同亮度之间的“过渡”状态。若两个亮度变化是逐渐过渡的，亮度的过渡平缓，清晰度就表现不好，边缘模糊；若亮度过渡范围小，呈急速变化，则清晰度好，边缘清晰、锐利。如图3所示。（图见下页）

图3 清晰度示意图

图3中的坐标图的横坐标X为图像亮度测量的几何位置，纵坐标B为影像的亮度，图中的曲线表示垂直于不同亮度边界方向进行扫描测量所得亮度变化的数值和趋势。其中图3之Ⅰ为被摄体相邻的两个部位的不同亮度状况，中间存在着鲜明、锐利的边界，图3之Ⅱ为对应Ⅰ的理论亮度分布图，在其分界处的亮度变化为一垂直线。如果拍摄所得图像理想地记录被摄体的亮度状态，亮度变化曲线应与Ⅱ相同，完全真实地记录了被摄体细部的亮度变化状态，具有极其锐利的边缘、最大的清晰度。实际上在拍摄中由于各种杂光的影响，图像载体所捕捉和记录的影像并非如此，而是如图3之Ⅲ的情况，不同曲线代表记录的亮度分布的不同状态。其中曲线C曲线最为平坦，亮度渐变的区域很大，表明边缘最为模糊，细部质量即清晰度最差，曲线D比C较为陡直，表明清晰度比C好。曲线E为经过锐化处理之后的图像细部边缘亮度变化曲线，表明细部边缘的亮度对比有明显的加强，曲线更为陡直，边缘更为锐利，清晰度有很明显的提高。

在传统摄影中对感光材料的清晰度曾采用过测量“锐度”的方法和相应的量值表示，即以具有锐利边缘的光学影像在感光材料上曝光，冲洗之后在胶片影像垂直边缘的方向上进行微密度扫描测量，获得密度值和相应的曲线后，再进行计算得到锐度值。锐度值和清晰度的视觉效果相当一致，但由于测定和计算方法比较复杂，所提供的信息也比较单一而没有被普遍采用。但“锐度”这一术语却在一些领域中被相当普遍地采用了，实际上在应用中锐度和清晰度已被视为同一个概念了。

通过如上说明可知，分辨率和清晰度是表示细部表现特性的两个不同的侧面，两者之间不存在必然一致的关系。过去曾经出现过一种错误的认识，即认为分辨率好，清晰度当然就好，反之，清晰度好，分辨率也一定好，其实并非完全如此。实际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况，都是不鲜见的。例如：在进行图像的锐化处理时，通过锐化可提高图像的清晰度，但往往会导致一些层次损失，细部数量减少，实际上就是分辨率下降，特别是在锐化过度时，会非常明显。

2.3 模量传递函数（MTF）

分辨率和清晰度的实质是什么？它们之间究竟存在着何种关系？仅就这两个独立的参量难以给出清楚的回答。在现代传播媒体特性评价中，广泛采用的“模量传递函数”则可以看出它们之间的联系。

模量传递函数通常是表示为一条特定的曲线，这一曲线的横坐标为“空间频率”，纵坐标为“响应”值。空间频率为类似分辨率标板中的线条的数值，以“周/毫米”表示，1“周”包含了一黑一白两个按正弦波形渐变的“线条”，这种“线条”越细，表示细部越微小，周/毫米的数值越大，单位长度内的细部数量就越多，反之，则细部数量就越少。“响应”值是表示对原始影像细部反差表达和记录的状况，影像的细部反差越大，即响应值越大，细部表现的质量越好，越接近于原始光学影像。通常响应值最高为100%（特殊情况下可超过100%），基本上可以认为影像细部质量达到最好。

模量传递函数也被用于表示摄影镜头的细部表现特性，在应用于镜头时通常称作 “光学传递函数（OTF）”。

模量传递函数的空间频率和响应值可以理解为与分辨率和清晰度正相关的参量。可以建立这样的认识，即在坐标图中模量传递函数曲线涵盖的空间频率越大，表明载体或系统的分辨率越高，反之，分辨率就越低；曲线所对应的响应值越大，表明载体或系统的清晰度越高，反之，清晰度就越低。还可以概括地认为，MTF曲线与横坐标轴、纵坐标轴所包围的面积越大，就表明载体或系统的细部表现特性越好，所包围的面积越小，细部特性就越差。

图4 模量传递函数曲线示意图

图4为模量传递函数曲线的示意图。从图中的曲线可以看出，曲线A所包围的面积最大，表明该载体的细部表现特性明显优于曲线B、C所对应的载体，其分辨率和清晰度都是最好的。还可从图中看出B曲线所对应的空间频率范围大于C曲线，但响应值小于C曲线，从而可以作出判断，B载体的分辨率较高，但其清晰度比较低，而C载体的分辨率不是很好，但清晰度却比较高，其示意图如图5所示。

图5 B载体和C载体的成像示意图

2.4 噪点

观察图像时常常可以发现，摄影影像的暗部会出现较粗的颗粒感，在图像放大倍率较大时，这种颗粒感就变得更为明显，更为粗大。在传统摄影中这种颗粒感就称之为“颗粒”，其定性的表示称作“颗粒性”，定量的表示称作“颗粒度”。在数字摄影中类似的现象同样存在，不过这种颗粒被称作“噪点”，也称作“噪声”或“噪波”。

由于颗粒状态的噪点的存在，会导致影像细部特别是暗细部层次损失，如果在拍摄中存在曝光不足，噪点将更为严重，影像的暗细部层次也会产生严重的损失，甚至完全被噪点吞噬，细部表现变得很差。数字影像的噪点的基本成因主要有两个方面，即数字相机传感器的特性及摄影中技术条件的把握。

噪点表现是数字相机最重要的特性之一。数字单镜头反光相机与小型、家用型数字相机性能最重要的不同之一，就是噪点表现存在明显的差别，小型数字相机比数字单反相机更容易产生噪点，可以说表现得更为严重，因此，细部表现也存在明显的差距。

3 彩色表现

3.1 彩色表现概述

彩色表现是影像载体或系统的重要特征之一，也是彩色影像质量评价与衡量的特征性的参量。彩色表现是指影像载体或系统对被摄体颜色捕捉、记录和表现的能力。彩色表现既体现在宏观表现上，也体现在微观表现上；既体现在影像整体的色调、饱和度及明度等方面的表现状态上，也体现在彩色细节表现的丰富、细腻程度上。

就通常的理解，在技术上最好的、理想的彩色表现应当是获得影像的色彩与被摄体的颜色完全相同，即完全“还原”原始颜色，然而实际上并非如此。在技术上真正实现这一目标是极其困难的，因为不可能百分之百地还原被摄体的全部颜色（包括：色调、明度和饱和度）。此外，在摄影过程中，彩色影像的呈现、显示方式是多种多样的，观看影像时的照明条件、环境条件等等因素又是多样和多变的，因而一个摄影影像的彩色质量被认为“好”或“不好”都是在一定条件下的结论，当观察条件、照明条件、环境条件发生改变时，获得的观察结果也会变化。实际上我们对摄影影像的彩色表现并不追求（也做不到）“还原”被摄体的颜色，在摄影系统中我们所追求的是在一般工作或观赏条件下，画面的颜色与被摄体颜色在视觉感受上相同或相近，即使是这样，“相同或相近”尺度的判断仍然会因人而异，不同观察者之间会存在或大或小的差异。这里除物理的、客观的因素外，评价者的主观因素也有着重要影响，例如观察者的技术训练水准、文化修养、审美倾向和趣味等等因素。此外，作为摄影者有时为了追求特定艺术效果，还会刻意地使画面产生某种倾向和程度的颜色偏离，以使其成为一幅摄影者理想的“摄影作品”。不过这已经完全是艺术创作范围的内容，而不属于技术层面和领域讨论的问题了。

3.2 影响数字影像彩色表现的因素

摄影画面的颜色表现是一个复杂而涉及面广的技术问题，可以说从摄影者按下快门的一瞬，直到最后产生的摄影画面，每一个技术环节都会对画面的颜色表现产生影响，甚至在其后观赏照片的过程中，在不同的光线及观看条件下，还会产生不同的视觉效果。现将在数字摄影中影响载体或系统颜色表现的主要因素列述如下：

①拍摄时的技术操作

作为摄影过程，拍摄时技术条件的设定和把握是最关键、最基本的技术操作。高质量的技术操作将为图像的后期处理及图像输出提供良好的技术基础，也为图像获得优质的彩色表现提供扎实的前提。这些操作涉及的主要方面是：摄影光源的颜色特性与相应的白平衡处理；摄影用光的技术与技巧把握；数字相机的相对感光度的设定；摄影时的测光、曝光及曝光补偿等技术环节的掌握和控制；各种各样的摄影滤镜的应用；摄影镜头的成像质量及其恰当、有效的使用等等。

②色深度

色深度也称色位数。色深度大小不同，图像可具有的颜色数量就不同，色深度数值越大，所表现的颜色数量越多，颜色细节就越丰富、越细腻。色深度越小，所表现的颜色数量就越少，在视觉上会缺乏中间的、过渡性的颜色，图像颜色不丰富。数字相机的色深度大多为24（8×3）位，扫描仪则多为36（12×3）位或48（16×3）位。色深度为24位时可产生1600多万种颜色，对于摄影画面来说，这一颜色数量完全可以充分满足各种图像颜色表现的需要。48位色深度可以产生多达几十万亿种颜色，实际上其中所表现的绝大多数颜色的微小差异人眼是不能区分的。

③色彩模式

色彩模式主要是包括：图像颜色的类型、颜色产生的方式及颜色表征的方法等内容。例如Photoshop软件的应用中有多种色彩模式，这些模式之间可以进行转换，主要有：灰度模式、RGB模式、CMYK模式、LAB模式、索引模式等等。采用灰度模式时，图像是“消色”的，具有“黑白灰”类的颜色，即所产生的是黑白影像；RGB模式为一种典型的、基本的彩色成像模式，即以红、绿、蓝三种原色光按照比例以加色方式混合产生彩色影像，一般的数字相机、扫描仪、显示器等都是采用此种模式；CMKY模式是以减色方式 （如各种染料或颜料等进行混合）形成彩色影像的一种模式，例如：一般在图像输出打印照片时均需转换为这一模式；LAB模式为一种标准的、国际通用的，以色度指数和明度指数表征颜色的色彩模式，也是各种彩色模式之间进行转换时采用的中间模式，即其它模式之间转换时，必须首先转换为LAB模式；索引模式为一种简约的、加色法的色彩模式，RGB三种原色共有8位，即最多只能产生256种颜色，产生的颜色数量少，但形成的图像文件小，只占用很小的存储空间。此外还有更多的色彩模式。

在各种不同的色彩模式下，形成的图像颜色质量存在明显的不同，但不同的色彩模式在不同的技术场合有着相应的应用，因而在实际的技术应用中必须根据不同的技术需要选择相应的色彩模式。

④色彩空间

色彩空间是指一个色彩系统在三维的立体坐标（如：R、G、B空间，L、A、B空间，H、S、L空间等等） 中所能占据的空间范围。占据的范围越大，即色彩空间越大，表明这个系统能够表现的颜色越多、越丰富，可以表现饱和度更高的颜色，颜色特性好，反之，系统的颜色特性就差。此外，通常也可以采用xy色度图（二维坐标）中的色域表示系统的颜色特性：系统的色域越大，彩色表现就越好；色域小，彩色表现就差。

前面谈到数字影像系统可以有不同的色彩模式，这些模式之间的重要差异就是所产生的色彩空间不同。RGB模式是以三种原色光按加色法产生相应的颜色系统，可以获得很大的色彩空间，可以说最大的色彩空间是由RGB模式产生的。CMYK模式是以四种（最基本的颜色是黄、品、青，再加上黑色）染料或颜料混合产生的颜色系统，这一系统的色彩空间会比RGB系统小。在数字摄影系统中最为常用的是sRGB色彩空间，这一标准完全可以满足一般数字摄影或显示器使用中的需要。在一些对颜色表现要求更高的应用领域，如：广告摄影、更为专业的艺术摄影以及高水平的图像印刷等，还常采用Adobe RGB色彩空间，它具有更大的色域，图像可以表现出更高的彩色质量。

⑤色彩管理

数字摄影或数字影像的制作是一个多环节的过程，在整个过程中将涉及多种设备，如：数字相机、显示器、扫描仪、数字打印机、数字彩色扩印机等。这些设备产生色彩的方式不尽相同，产生影像色彩的基本材料存在差异，数字摄影过程中不同用途的设备之间，即使同类设备之间都会存在着特性的差异，以上种种，都会对最终影像的色彩产生影响，导致影像色彩出现不同方向、不同程度的偏离。例如：数字相机拍摄得到的图像在某一显示器上观看，颜色是良好的，同一个图像文件，换一台显示器观看，颜色就可能产生明显的不同，亮度可能也有变化；通过数字彩扩获得的照片颜色和显示器相比也会有差异；如果使用数字打印机打印照片，其颜色也许和显示器、扩印的照片都不相同。这一问题毫无疑问是令人头疼的，但在数字摄影或印刷系统中却是普遍存在的，只是存在着程度大小、差异的方向各有不同而已。在现代各种影像系统中，解决这一问题的基本方案就是进行“色彩管理”。

“色彩管理”系统的作用或目标，就是使数字影像系统（包括数字摄影系统）中，同一个图像文件在不同的设备中产生的图像颜色相同或相近，从而使最终影像的颜色与原始图像的颜色相同或相近。色彩管理系统首先要求对每一个设备建立一个能够描述其颜色特性的“特性文件”，也称“特性描述文件”，以便在设备之间实现颜色转换和传递。为此 “国际色彩联盟（ICC）”制订了一个所有设备生产厂家均可使用的、开放的“特性文件”及其转换的标准格式。在此基础上，通过一定的硬件设备和相应的软件，并在国际通用的、标准的国际照明委员会（CIE）颜色系统（CIE Lab系统）中，进行不同设备之间的颜色转换和传递，从而实现数字影像系统的色彩管理的目标。

数字摄影系统中的颜色表现虽然受到诸多因素的影响，但在这些因素中，有效的色彩管理系统与技术，则是数字摄影获得良好的颜色表现的重要前提和基本的技术保证，因而色彩管理是数字摄影中必须关注的一个重要因素。

结语

以上对数字影像的技术质量从三个方面进行了评价和分析，这是一套严格意义上的科学的方法，是评价影像质量的概括性的理论体系。应该说理论的问题最终表现为认识事物的方式和方法问题，它无疑会对数字影像的发展、对数字影像科学的理论梳理起到积极的作用。