本文最后更新于 2024-10-21，文章内容可能已经过时。

本系列文章是对言有三《深度学习之摄影图像处理——核心算法与案例精粹》一书的整理与学习，请尊重原著，仅供参考

像素与分辨率

像素是相机传感器上的最小感光单位，像光学相机摄影胶片的银色颗粒一样，可理解为数码相机：胶片

上的感光点

图像分辨率Pixel Per Inch（PPI）

图像分辨率Pixel Per Inch指的是每英寸的像素数，通常简写为px。我们平常描述一幅图像大小的时候使用的即是PPI。例如使用Canon EOS M拍摄出的最大图像高度为4000像素，宽度为6000像素，因此为4000*6000=2400万像素，所以PPI为2400万像素。

  • PPI是用于描述数字图像分辨率的，它指的是每英寸可以显示的像素数量。

  • PPI通常用于显示器、相机传感器、手机屏幕等数字设备的上下文中。

  • PPI值越高，图像的清晰度和细节越好，尤其是在较小的屏幕上。

输出分辨率

输出分辨率指的是设备输出图像时每英寸可产生的点数（Dots Per Inch，DPI）。

  • DPI最初是用于描述打印分辨率的，它指的是每英寸可以打印的点（墨点）的数量。

  • DPI通常用于打印机、扫描仪和打印输出的上下文中。

  • DPI值越高，打印出来的图像越清晰，细节越丰富。

尽管DPI和PPI在概念上相似，但它们在实际应用中有所不同。例如，DPI通常与物理打印过程相关，而PPI则与数字图像的显示相关。此外，DPI是打印设备的一个固定属性，而PPI则是图像文件的一个属性，可以通过图像处理软件来调整。

注意在摄影或印刷时常常要求DPI不小于300，而在日常生活和数字图像处理中只关注PPI。

相同的图像分辨率，更大的DPI表现为物理尺寸更小，因为这个时候每英寸的点数更大，每英寸的像素数更多。

像素深度与颜色

像素深度

像素深度指存储每个像素所用的位数，又被称为图像深度，表示一个像素的位数越多，就可以表示越丰富的灰度级。我们通常用8位度来表示图像，像素深度为256级，即0~255。其中0为最暗，255为最亮。

灰度图与彩色图

根据图像的通道数，常见的图像分为灰度图和彩色图两种灰度图只包括亮度信息，也可以称之为单色图。彩色图则不仅包括亮度信息还包括颜色信息，常见的彩色图为RGB图像，每个像素用R、G、B这三个灰度分量表示。如果每个分量用8位表示，那么一个彩色像素共用3*8=24位表示，其像素深度为24，每个像素^24种颜色。

  1. 红色通道（Red Channel）：这个灰度图代表了图像中红色成分的强度。在这张图中，亮的地方表示红色成分较多，暗的地方表示红色成分较少。

  2. 绿色通道（Green Channel）：这个灰度图代表了图像中绿色成分的强度。在这张图中，亮的地方表示绿色成分较多，暗的地方表示绿色成分较少。

  3. 蓝色通道（Blue Channel）：这个灰度图代表了图像中蓝色成分的强度。在这张图中，亮的地方表示蓝色成分较多，暗的地方表示蓝色成分较少。

灰度图的使用场景

  • 纪实类作品

  • 简化背景

  • 特殊题材

直方图

图像中的直方图被用来表示数字图像中的亮度分布，对像素直方图进行统计就能得到直方图。直方图中，横坐标的左侧表示较暗的区域，右侧表示较亮的区域。

颜色空间

HSV颜色空间，也称为HSB（Hue, Saturation, Brightness）或HSL（Hue, Saturation, Lightness），是一种基于人类对颜色直观感受的颜色模型。它由色调（Hue）、饱和度（Saturation）、和明度（Value）三个分量组成，分别代表了颜色的基本类型、颜色的纯度或强度以及颜色的明亮程度。

  1. 色调（Hue）：色调表示颜色的基本类型，用角度来表示，取值范围通常是0°到360°。在这个颜色圆环上，红色为0°，绿色为120°，蓝色为240°。色调是颜色的一个主要属性，它决定了颜色的种类，如红色、绿色或蓝色等。

  2. 饱和度（Saturation）：饱和度表示颜色的纯度或强度。饱和度的取值范围是0.0到1.0，其中0.0表示灰色（没有颜色），1.0表示最鲜艳的颜色。饱和度越高，颜色越纯净；饱和度越低，颜色越接近灰色。

  3. 明度（Value）：明度表示颜色的明亮程度。明度的取值范围也是0.0到1.0，其中0.0表示黑色，1.0表示最亮的色调。明度的变化可以影响颜色的亮度，但不改变颜色的色调或饱和度。

HSV颜色空间的直观性使其在图像处理和计算机视觉领域中非常有用，尤其是在颜色分割和目标检测方面。例如，通过分析HSV颜色空间中的色调分量，可以有效地区分不同颜色的物体，从而实现图像分割和目标检测。此外，HSV颜色空间也常用于色调调整和图像增强，通过调整色调、饱和度和明度分量，可以改变图像的色调或增强图像的色彩和亮度。

HSL颜色空间，即色相（Hue）、饱和度（Saturation）、明度（Lightness）颜色模型，是一种更接近人类对颜色感知的颜色表示方法。以下是HSL颜色空间的一些关键特点和定义：

  1. 色相（Hue）：色相是色彩的基本属性，代表了颜色的种类，如红色、黄色等。在HSL模型中，色相通常以角度来表示，取值范围是0°到360°，其中0°或360°表示红色，120°表示绿色，240°表示蓝色。

  2. 饱和度（Saturation）：饱和度表示颜色的纯度，即颜色中灰色成分的比例。饱和度的取值范围是0%（完全灰色）到100%（完全饱和的颜色）。

  3. 明度（Lightness）：明度表示颜色的明亮程度，取值范围是0%（黑色）到100%（白色）。明度的变化可以影响颜色的亮度，但不改变颜色的色调或饱和度。

HSL颜色空间的可视化可以想象为一个圆柱体，其中色相围绕圆柱体的角度变化，饱和度表示从圆柱体中心轴向外的距离，而明度则表示从圆柱体底部（黑色）到顶部（白色）的高度。这种颜色模型在图像处理和计算机视觉领域中非常有用，尤其是在颜色分割和目标检测方面。通过分析HSL颜色空间中的色相分量，可以有效地区分不同颜色的物体，从而实现图像分割和目标检测。

HSV（Hue, Saturation, Value）和HSL（Hue, Saturation, Lightness）颜色空间都是基于人类对颜色的感知设计的，它们都使用色相（Hue）、饱和度（Saturation）和另一个表示亮度或明度的维度。尽管它们在概念上相似，但在计算和表示亮度或明度方面有所不同。以下是HSV与

HSV与HSL之间的主要区别：

  1. 亮度与明度：

    • HSV中的Value（V）：表示颜色的亮度，即颜色的明暗程度。Value的范围通常是从0（黑色）到1（最亮的颜色）。Value越高，颜色越亮。

    • HSL中的Lightness（L）：表示颜色的明度，它考虑了颜色的亮度和暗度。Lightness的范围也是从0（黑色）到1（白色）。Lightness为0.5时，颜色是中性的，没有亮度或暗度的变化。

  2. 饱和度的影响：

    • 在HSV颜色空间中，饱和度（S）表示颜色的纯度，即颜色中灰色成分的比例。当S为0时，颜色变为灰色，而S为1时，颜色最纯。

    • 在HSL颜色空间中，饱和度（S）表示颜色的强度，即颜色与相同明度的灰色之间的差异。当S为0时，颜色是灰色，而S为1时，颜色最饱和。

另外的颜色空间还有CMYK、YUV、Lab

焦距

相机焦距是指从相机镜头光学中心到成像平面（通常是相机的感光元件，如胶片或数码传感器）的距离。这个距离决定了相机能够捕捉到的视角范围以及图像的放大倍数。

  1. 视角：焦距越短，视角越宽，能够捕捉到的场景范围越大；焦距越长，视角越窄，能够捕捉到的场景范围越小。

  2. 放大倍数：焦距越长，图像的放大倍数越大，可以拍摄到更远的物体的细节；焦距越短，图像的放大倍数越小，拍摄的物体看起来更小。

  3. 景深：焦距越长，景深（即图像中清晰部分的范围）通常越浅，这在拍摄人像或微距摄影时可以产生漂亮的背景虚化效果；焦距越短，景深越深，图像中更多的部分会处于清晰状态。

  4. 透视：焦距影响透视效果。短焦距镜头会产生轻微的透视畸变，使物体看起来比实际更宽；长焦距镜头则减少了这种畸变，使物体看起来更接近真实比例。

  5. 标准镜头：通常，焦距在50毫米左右的镜头被称为标准镜头，它在全画幅相机上提供的视角接近人眼的视角。

光圈

相机光圈是镜头上用来控制通过镜头进入相机内部，到达感光元件（如胶片或数码传感器）的光量的开口。光圈的大小直接影响到曝光量和景深，是摄影中非常重要的一个参数。以下是关于相机光圈的一些关键点：

  1. 光圈大小：光圈的大小通常用f-stop（f值）来表示，如f/1.4、f/2.8、f/4等。f值越小，光圈开口越大，允许更多的光线进入镜头；f值越大，光圈开口越小，进入的光线越少。

  2. 曝光控制：光圈是控制曝光的三个主要因素之一（另外两个是快门速度和ISO）。通过调整光圈大小，可以控制图像的亮度。

  3. 景深：光圈大小直接影响景深。大光圈（小f值）会产生浅景深，使得主体清晰而背景模糊；小光圈（大f值）会产生深景深，使得前景和背景都较为清晰。

ISO感光度与噪点

ISO感光度是衡量相机感光元件（如胶片或数码传感器）对光线敏感度的一个标准。ISO值越高，感光元件对光线的反应越敏感，能够在较暗的环境中捕捉到图像，或者在固定光圈下使用更快的快门速度。ISO感光度的设置对于摄影中的曝光控制至关重要。以下是关于ISO感光度的一些关键点：

  1. 曝光控制：ISO是控制曝光的三个主要因素之一（另外两个是光圈和快门速度）。提高ISO值可以在光线不足的情况下增加曝光，或者在固定曝光下使用更快的快门速度。

  2. 噪点与图像质量：提高ISO值虽然可以在暗光条件下拍摄，但同时也会增加图像的噪点（图像中的随机亮度或颜色变化），从而降低图像质量。低ISO值通常能提供更干净、更细腻的图像。

  3. ISO值的范围：ISO值的范围可以从非常低的数值（如ISO 50或ISO 100）到非常高的数值（如ISO 6400或更高）。不同的相机有不同的ISO范围和性能。

  4. 数码传感器的ISO表现：在数码摄影中，随着技术的进步，现代相机的高ISO表现已经大大改善。许多相机在高ISO设置下仍然能够提供可接受的图像质量，尽管在极高ISO值下仍然会有可见的噪点。

  5. ISO与快门速度的关系：在光圈固定的情况下，提高ISO值可以让你使用更快的快门速度，这对于拍摄快速移动的物体或在手持拍摄时防止相机抖动非常有帮助。

  6. ISO与光圈的关系：在快门速度固定的情况下，提高ISO值可以让你使用更小的光圈，这有助于获得更大的景深，使得图像中的更多内容保持清晰。


快门与慢门

快门

快门（Shutter）是相机中用来控制光线照射到感光元件（如胶片或数码传感器）上时间长度的机械或电子装置。快门速度（Shutter Speed）则是指快门开启至关闭的时间长度，它决定了感光元件接收光线的时间，从而影响照片的曝光和动态效果。

快门速度：

  • 快门速度通常以秒或几分之一秒来表示，如1/60秒、1/250秒等。

  • 快门速度越快，感光元件接收光线的时间越短，曝光量越少，适合捕捉快速移动的物体。

  • 快门速度越慢，感光元件接收光线的时间越长，曝光量越多，适合在低光环境下拍摄或创造特殊的视觉效果。

慢门

色温与白平衡

色温

色温（Color Temperature）是描述光源颜色特性的一个物理量，它用开尔文（Kelvin，K）温度单位来表示。色温的概念源于一个理想化的物理过程：将一个纯黑的物体加热，随着温度的升高，物体会先发出红色光，然后是黄色光，接着是白色光，最后是蓝色光。这个过程中的不同温度点代表了不同的颜色，这些颜色就可以用来描述其他光源的颜色。

白平衡

  • 相机中的白平衡功能允许用户根据光源的色温调整照片的颜色，以确保白色物体在照片中呈现为白色。

  • 用户可以选择自动白平衡，让相机自动调整；也可以手动设置特定的色温值，或者使用预设的白平衡模式（如日光、阴天、白炽灯等）。

对比度与清晰度

对比度

目前很多显示系统利用8位对图像进行显示，即最小灰度值0代表最暗，最大灰度值255代表最亮，0~255就是它的动态范围。大多数图中最小灰度值会大于0，最大灰度值会小于255，两者之差就是对比度，从视觉上来看就是画面的明暗反差程度。

高对比度图像中，亮区和暗区之间的过渡非常明显，这可以增强图像的清晰度和深度感。低对比度图像中，亮区和暗区之间的差异较小，图像可能看起来比较平坦，缺乏立体感。

增加对比度，画面中亮的地方会更亮，暗的地方会更暗，明暗反差会增强。

清晰度

清晰度（Clarity）是描述图像中细节的锐利度和可辨识性的一个术语。它涉及到图像中各个元素的边缘和纹理的清晰程度，以及图像整体的清晰可见性。清晰度高的照片通常看起来更加生动、细腻，细节丰富，而清晰度低的照片则可能看起来模糊或朦胧。