108第六章第六章 图像清晰度强调图像清晰度强调 复制图像的清晰度的好坏是判断图像复制质量和效果的重要指标之一，它是记 录景物阶调、颜色、质感、透视感等的基础。图像在传输和变换过程中，由于受到 各种因素的干扰，除造成图像色彩和层次的变化外，还会造成图像中目标轮廓的模 糊，而在实际应用中，又常常需要突出目标的轮廓或图像边缘信息。因此，在图像 处理过程中，除对图像的色彩和层次进行调整外，对图像进行清晰度强调也是图像 处理的一个重要内容。 61 图像的清晰度 61 图像的清晰度 6.1.1 图像清晰度的含义 6.1.1 图像清晰度的含义 图像的清晰度是指图像轮廓边缘的清晰程度，它包括： 1分辨出图像线条间的区别：即图像层次对景物质点的分辨率或细微层次质感 的精细程度。其分辨率愈高，景物质点的分辨率或细微层次质感的精细程度越高， 景物质点表现的愈细致，清晰度则愈高。 2衡量线条边缘轮廓是否清晰：即图像层次轮廓边界的虚实程度，常用锐度表 示，其实质是指层次边界渐变密度的变化宽度，若变化宽度小，则边界清晰，反之 变化宽度大则边界发虚。 3 细小层次间的清晰程度： 尤其是细小层次间的明暗对比或细微反差是否清晰。 因此图像的清晰度也称为细微层次。 6.1.2 图像复制中影响图像清晰度的因素 6.1.2 图像复制中影响图像清晰度的因素 在图像复制过程中，有很多因素会影响特别是会降低图像的清晰度。 1图像扫描输入过程：在图像扫描输入过程中，由于扫描仪的扫描光孔是有一 定大小的，经扫描后的图像轮廓边缘的清晰度会受到很大的影响，如图 61 所示， 原本清晰的原稿图像边缘经扫描后所得数字图像的边缘则变得模糊了。 2反差压缩：印刷图像反差通常都低于原稿反差，也就是说印刷过程中，一般 要压缩原稿图像的反差。反差压缩后导致视觉对细节间的分辨力下降，使图像清晰 度降低 3图像网点化：印刷图像是用网点大小、疏密等变化来再现原稿图像的颜色和 层次变化的，连续调图像经加网后，即图像网点化后，其图像内容的细腻光滑程度 肯定不如连续调图像。原稿一般由染料颗粒或银颗粒构成，其解像力可达 6070 线 /mm，而加网图像的网目线数一般为 47 线/mm，从而使图像细节边缘粗糙，降低图 像清晰度。 1094图像复制光学系统的误差： 图像复制光学系统如扫描仪、记录 系统等的光学系统的分辨率是有限 的，而且存在一定的色差和其他光 学误差， 这是会降低图像清晰度的， 特别是质量、精度较低的扫描仪、 输出设备，图像清晰度降低是不可 避免的。 5印刷条件：印刷过程中所采 用的纸张平滑度、印刷压力、套印 准确度、油墨在纸张中的渗透等都 将影响印刷图像的清晰度。 因此原稿图像经过复制传递 后，其清晰度不可避免地会降低， 为使印刷图像保持较高的清晰性， 图像处理过程中必须对其清晰度进 行强调。 62 图像清晰度强调原理 62 图像清晰度强调原理 图像在传输和变换过程中引起的清晰度下降，实际是造成图像中目标轮廓的模 糊，而在实际应用中，又常常需要突出目标的轮廓或边缘信息，因此，要消除模糊， 使图像边缘增强，即要对图像进行清晰度强调，或称为细微层次强调，在数字图像 处理中常称为图像锐化（Image Sharppening） 。所以，图像清晰度强调的目的是加强 图像中景物的边缘和轮廓，而对图像其他部位不起作用，或不改变其他部位的图像 特征。 6.2.1 图像清晰度强调的理论基础 6.2.1 图像清晰度强调的理论基础 清晰度是图像在人眼中的一种视觉心理反映。通过研究发现，应用视觉现象的 原理，能使复制图像在视觉上产生良好的“清晰”效果，这些现象主要有： 1 奥布莱恩效应 奥布莱恩效应（Obrien Effect）是指在图像一定密度部位上，使密度逐渐 产生变化，即使图像两边密度相同，而中间部分先逐渐变黑，再逐渐变白，最后又 逐渐变到原来的密度大小，其密度变化的次序当然也可以反过来，即先变白，再变图 61 图像扫描过程 扫描黑白 线条的过程 扫描获得图像 光信号的变化 再现黑白线条 的密度变化 110黑，此时尽管图像变化前后密度相同，但给人以左右存在一定密度差的视觉感受， 如图 62 所示。 2 马赫带效应 马赫带效应（Mach Band Effect）是指有一定反差的图像临界部位，在视觉上 会给人以特别白或特别黑的感觉，即人眼会感觉在图像低密度一边的临界部分密度更低，而高密度一边的临界部分密度更高，如图 63 所示。 另外，当我们在观察一幅图像的密度跳跃处时，图像层次边界的反差愈大，则 图像视觉的清晰度愈好。 因此，我们对图像的清晰度进行强调，并非一定要从本质上提高图像的清晰度， 而可以从视觉效应上提高图像清晰度即可，即只要使图像在视觉上产生清晰的效果 即可。 6.2.2 图像清晰度强调原理 6.2.2 图像清晰度强调原理 图像的清晰度强调或图像锐化，是一种使图像具有的信息让人们易于观察的图 像质量改善方法，可以采用光学、电学或数学的方法实现图像的锐化。 1 光学效应的清晰度强调 光学效应的清晰度强调基础是传统的照相制版中的虚光蒙版原理，在传统的照 相制版中，为获得高清晰的分色片，可事先对原稿照相，获得一张稍虚晕的底片， 其明暗层次与原稿相反，称为虚光蒙片，再将虚光蒙片与原稿蒙合进行照相，即可 得到清晰度得到提高的照相底片或分色片。在电子制版中，也采用了这种清晰度强 调方法，即在获取图像主信号的同时，获得一个图像的虚光信号，再对主信号和虚 光信号进行适当的变换，即可达到图像清晰度强调的目的。如图 64 中，Q 为图像 主信号，R 为图像虚光信号，即由较大的虚光光孔扫描所获得的图像信号，S=QR 为虚光校正信号，T=Q+S 为经校正后的图像主信号，由图可看出，经校正后的图像图 62 奥布莱恩效应 图 63 马赫带效应111信号在图像黑白交界的边缘产生了一个“边饰” ，即在图像黑边的边缘产生了一个更 黑的黑边，亮边的边缘产生了一个更亮的亮边，从而达到了提高图像清晰度的目的。 在数字图像过程中，Photoshop 中的 UnsharpMask（虚光蒙版）滤镜就是利用 这种方法强调图像的清晰度的，它的工作 原理是：把图像中的某一个像素与周围像 素进行比较，如果两者之间的差值较大， UnsharpMask 滤镜就把两者之间的反差变 得更大，其结果是在边缘上产生了一种虚 晕效果，图像看起来就变得较清晰。实际 上，Unsharp Mask 滤镜并不能提高图像本 身的实际清晰度，它只是加大了像素之间 的反差，使图像看起来很清晰。它突出了 图像边缘高反差像素的变化。因为在锐化 过程中要对图像的每一个像素实施处理， 所以应用 Unsharp Mask 滤镜， 需要一定的 处理时间，尤其是对于大图像而言时间会 更长。 使用 Unsharp Mask 滤镜的弊端是在 图像像素差值较小的平缓区域会产生明 显的纹理，同时也会使得扫描产生的图像噪声更为明显。但是，Unsharp Mask 滤镜 提供了一组修改参数，通过调整这组修改参数可达到满意的锐化效果。方法是在 Unsharp Mask 滤镜通过设置 Amount、Radius 和 Threshold 三个参数的值，可获得平 衡的效果。 2 电学效应的清晰度强调 电学效应的清晰度强调是指通过对图像的电信号进行适当的变换和处理，达到 清晰度增强的目的。 1） 二次微分法的清晰度强调 二次微分法的清晰度强调属电学方法的清晰度强调。其原理是：首先对图像主 信号 V1 进行二次微分(d2v1/dt2)，获得清晰度强调的校正信号，再将二次微分信号 (d2v1/dt2)与图像主信号 V1 叠加，就可在图像密度跃变处产生“边饰”，而提高图像清 晰度，如图 65 所示。 2） 延迟叠加法的清晰度强调 延迟叠加法也是电学法的清晰度强调方式，是采用一种特殊电路来进行清晰度 强调。这种特殊电路能将主信号进行延时，制作出多种延时信号，并对其进行一系 列的变换，获取清晰度强调信号，然后再与图像主信号叠加，完成清晰度强调，如图 64 虚光蒙版法的清晰度强调 Q R S=Q-R T=Q+S 112图 66 所示。 3 数学方法的清晰度强调 数学方法的清晰度强调就是对图像的数字信号进行一定的数学变化，达到清晰 度强调的目的的方法， 因此数学方法的清晰度强调主要用于数字图像的处理增强中。 由于数字图像是用数字代码表示图像信息的，而图像中的边缘和轮廓一般都位于灰 度突变的地方，由此可用灰度的差分运算方法检测边缘和轮廓，但是有些差分运算 是有方向性的，而图像中的边缘和轮廓往往具有任意的方向，所以必须用具有各向 同性的差分运算才能检测任意方向的边缘、轮廓，常用于图像锐化的算法有微分处 理法、拉普拉斯算子处理法等。这些方法是数字图像处理中的主要内容之一，这里 对它不作深入的探讨。 6.3 图像清晰度调整方法 6.3 图像清晰度调整方法 对图像清晰度的调整包括对图像清晰度的强调即锐化，图像的平滑处理及对半 色调图像的网点模糊化处理即去网。 6.3.1 图像锐化 6.3.1 图像锐化 由于在图像复制过程中有很多不可避免的因素会影响图像的清晰度，因此在图 像复制过程中通常要对图像进行清晰度强调处理。 Photoshop 中包括四个清晰度调节图 65 二次微分法的清晰度强调 图 66 延迟叠加法的清晰度强调 113选项，如图 67 所示：Sharpen（锐化） 、Sharpen Edges（锐化边缘） 、Sharpen more （较多锐化）和 Unsharpen Mask（虚光蒙版） 。 1Sharpen、Sharpen More、Sharpen Edges. Sharpen、Sharpen More 滤镜均是通过提高与周围像素点的对比度来提高图像的 清晰度，但后者效果比前者明显。Sharpen Edges 滤镜仅锐化图像的边缘。 2虚光蒙版 USM（Unsharpen Mask） 虚光蒙版技术来源于传统照相术，通过虚光蒙版的作用来提高复制品的清晰度， 是基于这样一个涉及人类视觉生理的事实：较多的细节变化能够有助于眼睛对图像 的聚焦，从而使观察者得到清晰的感觉。若能在扫描得到的图像上人为添加一些与 内容有关的轮郭细节，而这些添加并不过分时，观察者就会觉得图像更加清晰。 在 photoshop 软件中，可以通过数字滤波的方式来实现虚蒙的效果，但其原理， 则与传统照相术所依据的完全相同，即先针对扫描图像，在软件内部生成一个虚化 的像，并按一定的数学规律，逐点进行处理。 在锐化（Sharpen）下拉菜单中选择虚光蒙版（Unsharp Mask） ，将出现如图 68 所示的对话框，对话框中各参数的含义为： 虚蒙量（Amount） 该设置表示参加运算的像素之间变深变浅的剧烈程度，即沿着边缘产生的对比 度增强的程度。由于虚蒙的最终效果，是增加在边界或细节处相邻像素之间在亮度 或网点百分比之间的差额，这个差额，是以百分比来计算的，它表示通过虚蒙后边 界两侧亮度差增加了一倍，即边界两侧亮度差增强的程度（或称虚蒙量）为 100%。 在 photoshop 中，这个数值的范围可在 0500%之间任意选取，而建议的缺省值是 50%。在实际应用过程中，这个量可以超过 100%，通常在 3080%之间选取，图像 较小（2-3MB 或更小）时，可选用 30%40%，图像较大时（大于 10MB） ，可选用 50%200%或更大，具体的数值及效果与所设的半径也有连带关系。选择过分后， 会使边界外出现镶边。 半径（Radius） 图 67 图像清晰度调节工具 图 68 Unsharp Mask 对话框 114半径表示符合锐化条件的某个像素在锐化时使周围的多少个像素同时参加运 算，也即虚蒙作用完成后像素的亮度在多大半径的范