第一节　阶调和层次的基本概念

一、阶调和层次的含义

在图像中，一般存在着多种不同明亮程度、不同深浅的颜色。这些颜色差异所造成的视觉印象可用阶调和层次来表达。

阶调和层次是相互关联较为紧密、又存在一定差别的两个概念。两者都用来描述图像明暗或颜色深浅的关系，但在描述的侧重点上有所不同。

阶调和层次都可以表述为图像的颜色明暗或深浅变化。其中，颜色的明暗及深浅可以用数值来描述，如色度空间中的明度数值、孟赛尔明度值、光学密度值等。

“阶调”（tone）侧重对图像整体状况的描述。例如，“阶调分布”指图像中各种不同明暗等级的分布状况；“阶调长短”指图像最亮与最暗阶调值所构成的范围大小；“高调人像”是指整体上十分明亮的人物肖像，等等。

“层次”（gradation）侧重对明暗等级之间差别的大小进行描述。例如，“拉开或压缩层次”指将图像中颜色明暗及深浅等级之间的差别增大或减小。

图像的最大阶调范围是由其最亮与最暗的明暗等级决定的。在阶调范围固定不变的情况下，等级之间的差别（层次差别）越小，则阶调范围所能容纳的层次数就越多。

一般地，可以将图像的阶调范围分为四部分：极高光、亮调、中间调和暗调。其中，亮调是指由高亮度颜色构成的阶调；暗调则是指由明亮程度低的颜色构成的阶调。在这两者之间，中间调是中等明亮程度的颜色形成的阶调。极高光一般是图像中小面积区域，由极其明亮的颜色构成。在图3-1中，菊花部分为亮调，背景墙壁属中间调，叶子阴影为暗调，而左上侧微小的金属反光点为极高光点。

二、阶调/层次的数值描述

1.光学密度描述

图像的阶调和层次可以用光学密度描述。光学密度的基本定义见式（3-1）。

　　（3-1）

式中，ΦIN和ΦOUT分别为入射和出射的光通量。ΦOUT比ΦIN的值称为不透光率或阻光率，是光反射率R或光透过率τ的倒数。

光学密度的定义是以视觉实验为基础的。通过视觉实验人们发现，在亮度不是特别低或特别高的一般亮度范围内，对人眼视觉而言，恰能分辨的亮度差ΔL与亮度L的比值ΔL/L大致为常数（图3-2），即

　　（3-2）

结合图3-2给出的视觉特性，取亮度对数lg L的微分

　　（3-3）

满足式（3-2）的人眼视觉特性，在大多数情况下，d[lg L]≈常数，人眼视觉对亮度对数差异的感觉大致上是均匀的。对视觉而言，等差的亮度变化在视觉上并不是等差的，而亮度对数值的等差变化大致上却是视觉等差的。

由此，为了使光学密度对图像明暗的描述接近人眼视觉特性，在光学密度定义中使用了阻光率对数的形式。按照这一定义，较亮颜色的光学密度值较低，而较暗颜色的光学密度值较高；密度等差变化造成的视觉明亮程度的感受大致上是等差的。

2.阶调/层次的色度描述及其与光学密度的关系

本质上，图像中的颜色差异构成了图像阶调/层次。从色彩属性上，图像颜色的色调差异、明度差异和饱和度差异都可以形成阶调/层次差别。在其描述上，以均匀色空间的色差描述阶调/层次差异是合理的。在本章中，仅就均匀色空间CIE 1976 L*a*b*中的明度与图像阶调/层次的关系进行讨论。

在常用的CIE 1976 L*a*b*均匀色空间中，用L*描述颜色的明亮程度。由于L*与孟赛尔明度V的线性关系（L*=10V），因此，可以将孟赛尔颜色体系对颜色排布的均匀性引入到CIE 1976 L*a*b*色空间中，故有理由认为CIE 1976 L*a*b*均匀色空间中的L*能够更好地描述视觉系统对颜色的亮度感觉。

依据L*与CIE 1931 XYZ色度系统三刺激值的关系（Y0是照明体的刺激值Y），有

由上面两式可得

　

　（3-4）

由于Y的色度/亮度双重属性，它可以被称为“亮度因数”，写为

式中，R为物体的反射率；RMgO为氧化镁的反射率。

若RMgO=97.5%，则Y=102.56R。

根据光学密度的定义以及式（3-4），可以得出

　

　（3-5）

光学密度D与L*的关系曲线如图3-3所示。可以看出，在等差的光学密度变化下，人眼对亮调区域密度变化的敏感程度高于对暗调区域密度变化。假如以L*作为视觉特性的描述，则表现出光学密度描述某种程度的不完善性。