数字图像基础知识

前言

数字图像（Digital Image），又称数码图像或数位图像，以数字形式存储于电子设备中。

有多种方式可以生成数字图像。

一种是物理收集，例如使用数码相机、扫描仪、卫星遥感器、红外/热成像仪、核磁共振 MRI 等设备采集真实世界的光、热、磁等信息后再将其转为合适的数字信号。

另一种是通过算法计算生成，这类方式属于“创造”图像，不依赖现实世界，例如使用图像编辑软件（如 Photoshop、Illustrator、Inkscape、CAD 等）、程序绘图（如 Python 绘图 等）或者这几年热门的图像生成 AI。

通过物理收集生成的图像通常称为位图，而通过算法生成的图像通常称为矢量图（也可能是位图）。生成方式不能完全区分位图和矢量图。

位图

位图（Bitmap）又称点阵图或栅格图，它由一个个微小的像素组成。像素是组成位图最基本的单位。

像素

像素（Pixel）又称像元，是带有颜色信息的小方块。像素可用于表示图像尺寸，例如 1920 × 1080 像素大小的图像总共包含有 2,073,600 个像素。

像素数量决定了图像的信息量，也影响图像的细节程度。

分辨率

单位长度内的像素密度称为分辨率（Resolution），单位通常为像素/英寸（pixels per inch, ppi 或 dots per inch, dpi），表达为水平像素数×垂直像素数。

我们知道屏幕显示器有一个分辨率参数，通常说的 2K 屏、4 K 屏，实际上指的是分辨率为 2560 × 1440 dpi、3840 × 2160 dpi。屏幕分辨率越大，屏幕显示的像素越多，单个像素尺寸就越小。

分辨率细分为图像分辨率、显示分辨率、扫描分辨率、打印分辨率。分辨率不同，得到的图像质量也会不同。

图像的清晰度与分辨率有关。每英寸像素越多，分辨率越高、图像越清晰、颜色间的过渡越平滑。

位图能很好表现出图像的细节、层次、阴影等等，但当你把一幅位图放大多倍后，就会发现图像发虚、失真，甚至能看到组成它的像素点。矢量图却不会如此。

矢量图

矢量图（Vector Graphics）不依赖像素和分辨率，它是由图形对象组成的图像。图形对象可以是一点、一线或一面。

笔尖触碰纸面，印下一点，往任意方向滑动，划出一线，以此线为直径，画出一圆面。

矢量图本质上是由数学公式定义的图形，这些公式描述了图形的颜色、形状、轮廓、大小和屏幕位置等信息，它只能靠软件生成，如 Adobe Illustrator、CorelDRAW、Inkscape、Affinity Designer 等。

也是因此，矢量图放大时通过数学公式重新计算，同样的输入生成同样的结果，才不会导致图形失真。

但是屏幕是以像素进行显示的，矢量图实际上会被“光栅化”为位图进行显示。

颜色三属性

颜色三属性分别为色相、色度和明度。

色相或色调（Hue）顾名思义就是颜色的表相，即人眼所感知到的色彩，如红橙黄绿青蓝紫。

色度即色彩的纯度，也称为彩度或饱和度。色度在孟塞尔颜色系统中称为 Chroma，而在 HSV 模式中称为 Saturation。色度也可看作与纯色的差异大小。

明度（Lightness）表示颜色的「相对」明暗、深浅程度。明度越小，颜色相对越暗、越深。

像素位深度

位深度（Bit Depth）是指每个像素用于表示颜色的二进制位数。它决定了图像能表达多少种颜色或灰度等级。位深度越高，图像的色相越丰富、过渡越平滑。

黑白图位深度为 1 位；8 位位深度可表示 256 种颜色或灰度等级；24 位位深度的颜色分为红、绿、蓝三基色三个颜色通道，各占 8 位，可表示 256^3 种颜色，超过了人眼能分辨的颜色数，因此称为真彩色。