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數位化工作流程指南:影像資料

Tags: , , , , 發表: 2011-08-30, 點閱: 34,956 , 加入收藏櫃 , 列印 列印 , 轉寄 轉寄

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參、基本理論(Fundamental Theory)

 

 

 

攝影的特質在於能凝結時光的剎那,進而記錄了時空中的人事時地物,不僅能保存且能進一步再現影像的記錄。在底片的世代,攝影者藉由底片的感光能力記錄住影像,再經由化學沖洗的過程將影像保存在底片上,要觀察時再由放大與沖洗的過程,將影像呈現在相紙上,或由幻燈片投影機將正片上的影像呈現出來。要特別強調的是,底片上記錄與保存影像的功能是同時進行不易分離的,這樣的類比處理模式常被稱為封閉式的環境,亦是攝影在數位化世代之前的特徵。隨著電腦效能的大幅提升,編輯與處理影像的能力大增,攝影的形式漸漸被影像數位化所涵蓋,同時也發展成開放式的環境。

 

 

 

一、影像數位化的基本概念

 

 

影像數位化的模組常被區分為輸入(Input)、處理(Process)、儲存(Store)與輸出(Output)四大階段。輸入階段是將光的訊號經過感光原件編碼(Encode)後記錄(Record)成數位訊號;處理階段將數位訊號依特定規則,在數位化的狀態,處理 (Process)成另一批數位訊號;儲存(Store)是依特定編碼及排列的規則將數位訊號以檔案的格式保存在可被讀取的儲存記憶媒材上;輸出是將數位編碼的訊號,透過輸出設備與媒材,以光的形式將影像組合(Synthesis) ,還原(Decode)在各種的輸 出設備,如液晶螢幕或印表機的紙材上。其中要特別強調的是在影像數位化的世代,影像在輸入階段被記錄後,可以先經過處理的階段之後才被儲存下來,這增加了數位化前處理的空間(如色溫調整、反差調整,多頻譜式的擷取運算等,詳見後文);而從儲存階段到輸出呈現的過程,更可經由各式各樣的後處理技法調整(如銳利度、圖層、去背等軟體特效)。最重要的是,底片時代影像的輸入與輸出是封閉式的,數位化的時代在輸入與輸出間是開放式的,這個差異導致在數位時代的攝影增添了無限多的處理空間,相對的,在影像的編輯處理流程中需要一些新觀念來說明影像數位化的流程。

 

 

 

 

 

 

如同筆者在《數位攝影的技術》一書第207頁後記中,所呈現出世界著名之微笑的圖像,眼尖的讀者可能會發現,那個微笑的眼裏是0與1的世界,更接近看時,影像都只是一個個以該書名之0與1和。的文字,但遠遠看微笑就又漸漸浮現。該影像是筆者在羅浮宮現場拍攝的幻燈片,經正片彩色掃描後,轉換成50×60畫素的黑白影像,存成影像檔案做為輸入的原始影像。接下來,運用程式將該影像分成十階的灰階,並以文字筆劃的疏密分別對每一畫素指定一代表該輸出點的文字,處理完並存成TXT檔案,再由排版編輯形成此文字所組合的輸出影像,完成了以文字的元素來組合出影像的範例。除了隱藏在後的意涵外,這影像要表達的有四個重點:

 

 

 

1.影像數位化的模組中,輸入階段的影像擷取與記錄(Captureand Record),事實上可以用分析(Analysis)光線成份之概念來敘述。

 

 

 

2.輸出階段的影像呈現(Appear),事實上可以用將光線組合(Synthesis)成為可見影像之概念來敘述。

 

 

 

3.輸入與輸出之間需要正確的對應,不然影像品質會出現問題(詳見解析度章節ppi與dpi不同之比較)。

 

 

 

4.在輸入和輸出階段可增加數位處理的空間,除了色彩管理、解析度與多頻譜影像等技術處理,更可增加各種的創意思維,對數位典藏的加值應用等具有很大潛力。

 

 

 

二、色彩深度與色彩模式

 

 

 

輸入階段的功能是將原場景的光線,透過感光設備如CCD或CMOS元件,分析影像中每一個單元光線的特性,然後擷取(Capture)或取樣(Sample)出一格格的影像單元,稱為「畫像元素」(Picture Element)或簡稱為畫素(Pixel),而每一個畫素由多少個位元(Byte)的訊號長度來編碼即為其色彩深度(Color Depth);而用那種混色的方式來分析原始影像的光線並記錄之,稱為色彩模式(Color Mode)。

 

 

 

現今最常見的色彩模式是RGB 24 bits的全彩模式,亦即每一畫素是將原始的光線,分析成以各1 Byte訊號長度的紅色、綠色與藍色的色版(Channel)來記錄。而「四色印刷」模式是用各1 Byte色彩深度的青、洋紅、黃及黑(C、M、Y和K)四色版的分色方式來記錄影像。近年來色彩管理的應用日漸普及,其中涉及人類視覺上的色度空間模式(Colorimetric Space)來記錄影像,就如同Adobe Photoshop內的影像模式,還有黑白影像的模式等等,可由表3-1來總覽。而多頻譜(Multi- spectral)的色彩模式是最新的影像科技發展,其記錄的是彩色物件在可見光的頻譜反射率,是目前最精密的色彩模式,在下一章節中有詳細技術說明。

 

 

 

 

 

 

輸出階段將數位編碼的影像檔案,透過輸出設備如噴墨印表機、液晶螢幕或雷射沖印的相紙,還原成光學成像的形式,將影像呈現在人眼前。輸出設備在實體上是以一個個能呈現顏色的「質點」(Dot)或簡稱「點」來控制光線的變化,再組合(Synthesis)成整體的影像。由於輸出媒材的成色原理不同,其操作成本也有所差異,因此在顏色的表現能力上,還區分成可調整厚薄的連續調 (Continuous Tone)與可調整疏密的半色調(Half Tone)的質點來組成各種顏色的變化。

 

 

 

相片用彩色相紙是常見的連續色調輸出材質,運用可調整厚薄的C、M及Y三色的色膜,相紙在同一個光學質點的位置可以同時變換各種顏色的深淺,成為連續調式的變化顏色,但相對的材料成本較高,通常以300個連續調質點在一英寸內的密度(300 dpi)即可呈現不錯的光學解析度。印刷品是較便宜的彩色輸出材質,透過C、M、Y與K四色的半色調油墨(只能呈現有或無不能變化其他階調),印刷品以更細緻的墨點之疏密來模擬一個區域中網線(Line)的顏色調變, 因此以150網線(Line Per Inch簡稱LPI)的印刷品,在2400 DPI半色調質點的解析度下可達到256階色階的變化( (2400/150)?256 ),此為調幅網點的基本原理。近來噴墨印表機運用更多種顏色的墨料,以更細緻的墨滴用調頻網點的方式來組合各種顏色,在影像的色彩呈現上已非直接經過色版的對應,而是以色彩管理系統透過色度對應的方式來處理,相對的需要較複雜的處理能力。

 

 

 

影像數位化的模組中,處理階段的功能隨著科技的進步日益重要,再加上色彩管理的需求,使解析度的對應、色彩轉換的對應、銳利度的調整、色彩的微調與創意性的影像編輯都能在處理模組執行。相對於底片與相紙的封閉式複製流程,影像數位化在輸入與輸出中間可以用開放式的對應,亦即不用限制輸入和輸出之間需要相同的格式(如彩色負片就不能用正片的相紙沖洗),其中最重要的原因是處理階段可以提供在輸入階段的影像分析(Analysis)與輸出階段的影像組合(Synthesis)間的對應(Mapping)服務。這個對應處理的能力,大大的提高影像數位化的整體效能,也提供了無限的變化空間。

 

 

 

色彩轉換的對應是影像數位化流程導入色彩管理系統概念後,必須特別處理的工作環節。以往在封閉式複製系統,如印刷分色與製版印刷流程,輸入的檔案為CMYK模式,而輸出訊號亦是CMYK模式,所以不需任何色彩轉換或色彩管理的動作。因此,在前端輸入時就以輸出所要用的色彩模式來編碼,並不太需要色彩管理的色彩轉換。現今的影像數位化流程中,前端輸入的數位相機是RGB檔案,同時掃描機輸入的是內嵌色彩描述檔的RGB檔案,而輸出端不論是一般印刷的CMYK模式或如噴墨印表機的多色模式,輸入和輸出之間的色彩模式不再相同,因此色彩轉換的處理勢在必行,但同時也使得色彩管理的處理方式益形重要且逐漸發揚光大。

 

 

 

開放式的數位影像數位化流程中,輸入階段在擷取原始影像時,將光線分析成人類視覺特性所接收到的色彩形式,並以輸入設備的訊號格式編碼為畫素資料,不同的設備在編碼時會用不同的技術,將設備的色彩特性同時記錄在特定架構中,現今常見的就是國際色彩聯盟 (International Color Consortium 簡稱ICC) 的色彩描述檔(Color Profile)架構,而其它更新的技術如多頻譜技術亦以特殊訊號格式記錄人類視覺訊號相對應的形式(於下章節再詳述)。ICC色彩描述檔包含輸入描述檔與輸出描述檔等等,其中以人類視覺特性所構建出的色彩編碼形式做為輸入與輸出間轉譯信號定義的運算平台,或稱為描述檔連接空間(Profile Connection Space),常見的為CIELAB或CIECAM02視覺色彩空間。輸入描述檔將輸入設備的畫素訊號對應到視覺色彩空間,輸出描述檔將視覺色彩空間的訊號對應到輸出設備組合出質點上的顏色。若輸入和輸出設備所能承載的色域範圍不 同時,就需透過色域對應的處理,選擇不同的演譯意向(Rendering Intent),完成不同考量下的色彩優化處理。

 

 

 

三、解析度與檔案大小

 

 

 

解析度的對應處理是因輸入原稿的尺寸和輸出尺寸並不必然相同,且輸入設備和輸出設備的解析能力亦不相同,另外在訊號定義上輸入「畫素(Pixel)」和 輸出「質點(Dot)」有其差異。理論上,一個輸入畫素對應到一個連續調輸出質點的方式在光學上可達到最佳解析度;但實際上,因為輸出成品的大小不同於觀賞時的距離因素,在尺寸大小與輸出設備解析度高低的總和考量下,輸出設備上所需要的影像資料大小分析如下:

 

 

 

檔案大小= 輸出長邊尺寸 x 輸出設備解析度(DPI) x 輸出寬邊尺寸 x 輸出設備解析度(DPI) x 色彩深度

 

 

 

若將畫素與連續調的質點1對1的對應,則以掃描機掃描時其輸入設備上所可擷取的影像資料其大小為:

 

檔案大小= 輸入原稿長度 x 輸入設備解析度(PPI) x 輸入原稿寬度 x 輸入設備解析度(PPI) x 色彩深度

 

 

 

如一張4×6的相片,以1500 PPI的掃描解析度,用24-bit的全彩模式去掃描,其影像檔案大小為:

 

6 x 1500 x 4 x 1500 x 3 = 162,000,000 Bytes = 約162M Bytes

 

 

 

若對應到300 dpi輸出解析度的一般常見相片解析度的RGB印表機上,則可輸出成 30 x 20英吋的相片,檔案大小為:

 

30 x 300 x 20 x 300 x 3 =162,000,000 Bytes

 

 

 

若以解析度要求較低的戶外布旗等看板輸出列印〈如100 DPI〉,其輸出尺寸可為 90 x 60 英吋,檔案大小為:

 

90 x 100 x 60 x 100 x 3 = 162,000,000 Bytes

 

 

 

因此,可以歸納出輸入與輸出間的解析度對應公式為:

 

(DPI) x (DPI) x 輸出成品的高 x寬 = (PPI) x (PPI) x 輸入原稿的高 x寬或(PPI)?= (DPI)?x (輸出成品的高 x寬) / (輸入原稿的高 x寬)

 

 

 

若將縮放倍率定義為輸出尺寸與輸入原稿尺寸間的比例,則:

 

縮放倍率= (輸出成品的尺寸) / (輸入原稿的尺寸)= (輸出的高或寬) / (輸入的高或寬)= (PPI) / (DPI)

 

 

 

但在掃描時其常用的思考模式為:

 

PPI = DPI x 縮放倍率

 

 

 

雖然在光學品質上,以一個影像輸入畫素(Pixel)資料對應到一個連續調質點 (Dot)有最好的品質,但在實際上並不一定都可以達成,因此偶而會有輸入資料不足的情形,則以品質係數的觀念來說明如下:

 

 

 

品質係數 = PPI / (DPI x 縮放倍率)

 

所以品質係數為1時有最佳品質,若大於1時會使多個畫素同時對應到一個質點,不僅得被捨去並無太大功效,反而使檔案大而無當;反之,若品質係數太低時,一個畫素會同時對應到多個質點而連成一個大區塊,即會造成馬賽克般的色塊效果 (如圖3-2所示),是在處理數位影像時一定要避免發生的問題。

 

 

 

 

 

 

 

一般單色調印刷品常以網線LPI (Line Per Inch)為解析度的單位,其與連續調解析度DPI的關係常以:

 

 

DPI = LPI x 2

 

因此,PPI = LPI x 2 x縮放倍率 x品質係數

 

 

 

而數位相機的解析度只有畫素總量(Pixels)並沒有實體原稿尺寸大小的限制,因此在相機感光晶片的寬邊與高邊的畫素量直接對應到輸出設備的DPI數,即可計算出其輸出尺寸,其道理大致相同。

 

 

 

在高階專業輸出環境,為了降低因原始影像資料不足而造成鋸齒狀的品質缺陷,在輸出前會用RIP(Raster Image Processor)特別將輸入畫素資料透過特殊的數學解譯模式,並對輸出設備的網點執行過網(Screening)的優化處理,同時將色彩管理的色彩對應轉換一併處理,在解析度的品質係數上有其另一套獨特的數學運算模式,得視各輸出中心的內部流程而定。

 

 

 

四、檔案格式

 

 

 

影像資料的儲存格式與其使用上的考量息息相關,除了檔案大小與軟體相容性的因素外,將影像儲存成何種檔案格式,首先要考量的是該檔案格式具備那些特性是未來在使用此檔案時必備的功能。

 

 

 

數位典藏所訴求的是資料的永久保存與傳真性,因此在影像檔案的使用與管理上,與一般影像創作時的使用考量不同。如下表3-2所示為常用的影像檔案格式。

 

  

 

 

 

Raw檔是相容性最低但資料內容最純粹的格式,通常是數位相機拍到後未經過任何處理〈如白平衡或色彩管理等〉的第一手影像資料,但通常需要搭配特定硬體上的專屬軟體,才能完整的將其內容讀取出來,在長期使用的軟體相容性上有潛在疑慮。因此,在使用時常先將Raw檔轉換後,存成相容性較高的其他檔案格式。

 

 

 

TIFF檔是歷史悠久且相容性非常高的影像檔案格式,同時因為其支援較多樣的色彩模式與色彩深度,是永久保存檔案的首選格式。在印刷設計與影像輸出也是非常普及的格式,但現今常用的網頁瀏覽軟體並不支援TIFF格式,若要提供一般大眾在網路上閱覽,就需另外考量。

 

 

 

JPEG格式是現今最普遍使用的影像檔案格式,因為其可提供多種壓縮程度的選擇,同時亦可在網頁或電腦作業系統內直接瀏覽,是使用上最方便的影像檔案。

 

 

 

雖然PSD檔案是Adobe Photoshop軟體的原生檔案,可以保存最多的影像編修參數〈如圖層、特殊色版等等〉,但因為不是開放式格式,而且常常隨著軟體的版本更新而變動,較適合於美術編輯工作上應用,並不適合使用於數位典藏流程。

 

 

 

PNG和JPEG2000是較新的檔案格式,都使用小波(Wavelet)壓縮技術來縮小檔案大小。PNG格式適用在網頁直接瀏覽,但不適用於印刷設計與影像輸出; JPEG2000格式是JPEG格式的改良版,但尚未大量普及。此兩種新檔案格式的應用與未來發展值得關注。

 

 

 

數位化處理的其中一個優勢,是在複製時可以得到和原始訊號編碼完全相同的複製檔案,但要非常謹慎的是所有的訊號一旦被數位化,任何的處理與操弄並不能無中生有得到比原始編碼更多的影像資訊,除非有特殊的外部估算處理。能夠在特定的時機使用正確的檔案格式,是建置正確運用流程的重要基礎。

 

 

五、影像檔案分級與運用流程

 

 

建立正確的數位影像檔案分級體系,是從事數位影像檔案管理的重要工作,尤其在典藏影像常被加值使用的分工環境益形重要。理論上,只要拿到最大資料量的原始檔案,技術熟練的操作人員應該都可以做出品質不錯的影像成品,但實際上因為各種因素,如授權使用的場域因材質的不同、授權的程度與範圍不同,所使用的影像應該要有不同的等級,才不會天下大亂。因此流程管控上,會將數位影像檔案分級成:主檔(master file)、副主檔(sub master file)或稱衍生主檔(derivative master file)與取用檔(access file)三大類。

 

 

 

典藏用主檔影像檔案(master image file)是輸入擷取階段最原始的檔案,也就是在標準的硬體設定下所直接獲取的編碼資料。在數位相機上常見的就是RAW檔,或是直接在相機上產生的TIFF檔或JPEG檔,在掃描機上就是直接掃描,尚未被裁切或修飾髒點的影像。這些檔案雖然保有最大的影像內容資訊,但就像尚未校稿的文章草稿還不能供大眾欣賞,不過有最多的原始資料。

 

 

 

副主檔(sub master)或稱衍生主檔(derivative master)是經過修飾處理後可提供外界正式使用的檔案,也是數位典藏永久保存並提供後續重覆應用的原始源頭。一般而言,去除不經意產生的髒點、反光,裁切掉額外的邊界,修正一些變形或歪斜,嵌入或指定色彩管理的輸入描述檔,加入必要的後設資料再存成較高色彩深度未壓縮的TIFF檔案等處理,都是衍生主檔比原始主檔更完備於後續應用的原因。但由於數位複製是無失真的複製,一般皆不會直接將副主檔或衍生主檔提供典藏單位外部的使用,都會再轉存成取用檔(access file),另外存檔之後才提供商務級或公共資訊級的網路瀏覽等使用,因此內部管控用的編號條碼及控制導表等影像在準備取用檔時都要去除。

 

 

 

明確、嚴謹與制度化的管理衍生主檔與後續使用之取用檔(access file)是常被忽略的重要環節,因為通常只關心在資料庫內的主檔或副主檔,而忘了要以使用的需求與條件產生適當的取用檔,才能確保後續應用之影像品質可達到最適化。由於數位典藏的使用環境有多種可能,如要提供網頁瀏覽,則其檔案一定要被壓縮以提高傳輸速度,而其解析度不用太高,因為螢幕上解析度的要求並不高,但色彩模式大都要轉換成sRGB色域較小的模式。一般而言大都為RGB模式的JPEG檔或PNG檔,也可能是索引色模式的GIF檔。如要做成印刷品,則其解析度就不能太低,而色彩模式要轉成CMYK或包含輸入設備的色彩描述檔,不然亦可轉成CIELAB的色彩模式,得視後端印刷流程的需求而定,一般而言大都存成 CMYK模式的JPEGTIFF檔。

 

 

 

在工作流程上為講求時效,可能將先前使用的取用檔(如設計網頁用), 直接再轉檔成印刷使用的格式就放入印刷流程中,這樣的方式一定會造成影像品質的低落,因為不同的使用場域在解析度、色彩模式甚至銳利度都有不同的考量。從衍生主檔轉換到取用檔時就已做過一次轉換,其中就少掉一些細節,在特定使用場合並不會形成大問題(如網頁用檔案解析度要求較低),但若以現有取用檔再轉換成另一個新的取用檔提供不同的環境使用(如網頁用檔案轉用於印刷流程),其品質的落差可能會非常大!基本的原則是衍生主檔只能有一個,而取用檔可以無限多個,但一定要由調整及編輯衍生主檔另存新檔以產生取用檔,千萬不要由取用檔直接產生下一代的取用檔,如此才能確保影像品質不會下降。運用此類影像檔案分級使用的概念,可避免非常多影像品質不佳的差錯,更是運用流程中非常重要的一個大原則。

 

 

 

數位典藏所使用之影像檔案分級成:主檔、衍生主檔(或稱副主檔)與取用檔。取用檔一定要由副主檔衍生而來,一定不可以從取用檔再產生取用檔。運用此類影像檔案分級使用的概念,可避免影像品質不佳的差錯。

 

 

 

 

 

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