通道在图像处理中的应用
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点击下载为了记录选区范围，可以通过黑与白的形式将其保存为单独的图像，进而制作各种效果。人们将这种独立并依附于原图的、用以保存选择区域的黑白图像称为“通道”（ channel ）。换言之，通道才是图像处理中最重要的部分。
然而，真正懂得通道的人并不多。对基本概念的一知半解，造成了技术上的断层，以致某些难点无法突破，这是由学习上的本末倒置所造成的。本文试图通过常用的图像处理方法，来探讨通道的本质、运算及其特殊形式，希望读者能够从中获得启发，理解其本质，掌握其应用。
一、通道起源——传统照相合成技术及其数字化
1 ．遮板的应用
我们知道，照相排版行业的全面数字化不过是最近几年的事情。在此之前，图像合成工作者的工作量之大，内容之枯燥令人难以想象。他们必须将自己关在暗房里，在放大机下面作遮板，以便在底片曝光时有所选择。这种遮板其实就是有选择地在一张透明底片的不同部位涂上黑色染料，让光线不能透过。在曝光时，使遮板与底片重叠放置，这样，遮板上黑色区域下面的底片图像就因为被不透明的黑色遮住而不能被曝光，而只剩下透明部分对应的图像，也就是说完成了对照片的选择曝光。在进行了反复几次相同牟僮髦螅湍茉擞貌煌恼诎逋瓿筛吣讯鹊恼掌铣闪恕?
通道的概念，便是由遮板演变而来的。在通道中，以白色代替透明表示要处理的部分（选择区域）；以黑色表示不需处理的部分（非选择区域）。因此，通道也与遮板一样，没有其独立的意义，而只有在依附于其他图像（或模型）存在时，才能体现其功用。而通道与遮板的最大区别，也是通道最大的优越之处，在于通道可以完全由计算机来进行处理，也就是说，它是完全数字化的。
2 ．通道——传统技术的数字化
计算机可以不知疲倦的 24 小时工作，而且效率极高。因此，人们不遗余力地将一切可能的信息交由计算机处理，数字化的浪潮席卷全球，图像处理行业也不例外。
如何将一张鲜活的照片变成我们硬盘上的“ 0 ”与“ 1 ”呢？在此之前，让我们来看看数字化信息的特点。首先，顾名思义，数字化信息最大的特点就是任何形式的信息都可以用数字完整、准确的表达出来，无论它是一条记录、一通电话、还是一段录影。数字化的这个特点是很容易理解的，我们称之为“解析”。
其次，受到存储及计算等方面的限制，数字化信息的容量必须是有限的。也就是说，要将原来瞬息万变、细致入微的模拟信号解析开来，就必须有所取舍——用一个个足够小的，可解析的“信息元”取代原先的“信息流”。我们看到，这样的“采样”过程必然损失掉了部分元与元之间的原始数据。所以我们必须以某种指标来判断数字化信息与模拟信息的切近程度。显然，在有限长度的“信息流”中，所取的“信息元”越多，这种转化就越为精确，反之，所取的“信息元”越少，切近的程度就越为粗糙。所以，我们用“单位信息流”中“信息元”的数目多寡，来衡量数字化信息的逼真程度。在数字化音频中，这个指标称之为“采样率”与“量化精度”；在数字视频中，称之为“帧频”；在数字化图像中，则称之为“分辨率”。只要这个指标足够大，就足以迷惑人们的感官，让我们的耳朵、眼睛误以为这是一幅连贯的画面，或是一段流畅的音乐，而丝毫察觉不到停顿感或颗粒感。相对于模拟信息的“连续”性质而言，数字信息所具有的这种特点称为“间断”，或者称为“非连续”。
现在，将一张图像用许多等距的水平线与竖直线分割开来，每一个小方格都成为一个像素（ pixel ），也就是一个独立的信息元，数字化的工作就完成一半了。接下来，我们要做的，就是记录每个像素的颜色信息。
由于我们要讨论的是黑白图像，因此只需记录黑、白、灰的信息（在黑白图像中，它与“亮度”、“灰度”的概念都是等价的），而不用考虑它的色相。但不要忘了，灰度也是有不同级别的，像“深灰”、“ 浅灰”或“中灰”。
但仅仅用语言描述物体的亮度是远远不够的。上面提到，数字信息具有“间断”的特点，所以有人提出，用 0 到 100 之间的整数表示灰度的级别：比如用 0 表示纯黑色，用 100 表示纯白色，而 50 则表示将黑白均匀等量混合后所得的颜色。
众所周知，在计算机中，是以位（ bit ）存储数据的。每一个位只能存储“ 0 ”或“ 1 ”的信息，用以对应二进制的位。让我们看看要表示一个 0 到 100 之间的任一整数，需要多少个二进制位：
log 2 101=6.6582
也就是说，我们用了 7 位的存储空间，存储了仅用 6.6 位便可存储数据。难道这不是一种浪费么？而这种浪费的根源就在于，我们把黑与白之间的灰阶，人为的划分为 101 段，而不是其他数目。
所以，为了物尽其用，人们通常用 2 的整数次幂来划分灰度级别。通常，人们将灰阶划分为 256 级（用 0 ～ 255 表示），而这也将正好占据 8 个存储位（一字节）的空间。而 8 这个数字的由来，完全是为了使人的肉眼在任一相邻两级的变化中，没有丝毫的察觉。
经历了上述两个步骤，我们将每个像素的灰度信息按照划分好的网格，从上到下，从左到右的顺序依次写入硬盘，数字化的工作就终于完成了。而当我们体验着计算机处理选区飞驰的感觉时，就会明白这一系列且纷繁复杂的转化与操作绝非徒劳了。
二、几种特殊通道
由上一节内容可以看到，最早的通道概念是传统照相工艺中的遮板演变而来，用以表示选择范围的特殊图像。在这之后，计算机图像处理技术迅速发展，通道的概念又有了大幅度的拓展，进而涵盖了矢量绘图、三维建模、材质、渲染等诸多领域，而不再仅仅局限于平面设计中“选区范围”的原始意义。这些形形色色的“通道”都有着各自不同的名称、用途与计算方法，但又都与原始的通道概念有着本质上的相似：他们都是依附于其他图像而存在的，单一色相的灰阶图。
1 ．原色通道、 Alpha 通道与专色通道
在前面的章节中，我们已经细致地了解了通道，即单色图像的数字化过程。那么，计算机又是如何用这些数字表示彩色图像的呢？首先，我们来了解一下原色的概念与加减法混合原理。
在小学美术课上，我们就了解了红黄蓝三原色的概念。这里的红、黄、蓝准确地说应该是洋红（ Magenta ）、黄（ Yellow ）与青（ Cyan ）。将这三种颜色按不同的比例混合，可以得到其他的任意颜色；而这三种颜色最大程度的混合，就会使其范围内所有波长的可见光全部被吸收而显示出黑色。我们将这三种元色称为“光源三原色”，而将这种在混合过程中颜色亮度不断降低的混合方法称为减法混合。
通常，在印刷中，应用的就是这种减法混合原理：在白色的纸张上通过光源三原色油墨的混合，得到各种色彩及其组合而成的图像。但在实际操作中，通过混合得到的黑色成本高、质量差，所以通常人为地添加一种成本较低的黑色油墨（ blacK ），与品、黄、青共同印制。因此，这种印刷的过程也被称为“四色印刷”，而其颜色体系被称为“ CMYK 色彩体系”。
对应于印刷中减法混合原理的，是显示元件所遵循的加法混合原理。红（ Red ）、绿（ Green ）、蓝（ Blue ）三个颜色被称为“物体三原色”，三种颜色光的混合，可以得出其它任意色彩，而其最大混合将得到亮度最高的颜色——白色。我们知道，我们身边的绝大多数显示设备（如 CRT 阴极射线显像管、 LCD 液晶面板等）都应用了加法混合原理。因此，这些设备在未启动时，底色越黑、亮度越低，其成像效果就越好。显示颜色体系也被称为 RGB 颜色体系。
自然法则是如此的简洁而优美，千变万化的色彩仅仅是三种简单原色的有机组合。因此，任意一张彩色图像都可以看作三张不同原色图像的叠加。既然任意的单色灰阶图都可以被视为通道，那么，我们就完全可以用 3 ～ 4 个通道来记录一张彩色照片。每一个通道记录一个对应原色在彩色图像上的分布信息，故我们称其为“原色通道”。用于显示用途的图片（例如网站彩页）可以被分解为 R 、 G 、 B 三个原色通道，而需要输出的图片（例如海报、杂志封面、包装纸等）则被分解为 C 、 M 、 Y 三个原色通道与一个 K 通道。
既然每个通道的单一像素需要 8 个二进制位的存储空间，那么在三色通道中，每一个像素都由三个单色像素混合而成，也就需要 8 × 3=24 个二进制位来进行存储。这样，在数据量变为原来的三倍时，可以表达的色彩数目就变为 2 24 ≈ 1.6 × 10 7 种。我们通常将由这 1600 万个颜色所组成的色域称为“ 24bit 真彩色”。
2 ． Alpha 通道
Alpha 通道是为保存选择区域而专门设计的通道。在生成一个图像文件时，并不必须产生 Alpha 通道。通常它是由人们在图像处理过程中人为生成，并从中读取选择区域信息的。因此在输出制版时， Alpha 通道会因为与最终生成的图像无关而被删除。但也有时，比如在三维软件最终渲染输出的时候，会附带生成一张 Alpha 通道，用以在平面处理软件中作后期合成。
除了 photoshop 的文件格式 PSD 外， GIF 与 TIFF 格式的文件都可以保存 Alpha 通道。而 GIF 文件还可以用 Alpha 通道作图像的去背景处理。因此，我们可以利用 GIF 文件的这一特性制作任意形状的图形。
3 ．专色通道
为了让自己的印刷作品与众不同，往往要做一些特殊处理。如增加荧光油墨或夜光油墨，套版印制无色系（如烫金）等，这些特殊颜色的油墨（我们称其为“专色”）都无法用三原色油墨混合而成，这时就要用到专色通道与专色印刷了。
在图像处理软件中，都存有完备的专色油墨列表。我们只须选择需要的专色油墨，就会生成与其相应的专色通道。但在处理时，专色通道与原色通道恰好相反，用黑色代表选取（即喷绘油墨），用白色代表不选取（不喷绘油墨）。这一点是需要特别注意的。
专色印刷可以让作品在视觉效果上更具质感与震撼力，但由于大多数专色无法在显示器上呈现效果，所以其制作过程也带有相当大的经验成分。
4 ．蒙板与贴图混合通道
蒙板又被称为“遮罩”，可以说是最能体现“遮板”意义的通道应用了。
在一张图像（或一个图层）上添加一张黑白灰阶图，黑色部分的图像将被隐去（而不是删除），变为透明；白色部分将被完全显现；而灰阶部分将处于半透明状态。蒙板无论在图像合成还是在特效制作方面，都有不可取代的功用。蒙板也可以应用到三维模型的贴图上面。金属上的斑斑锈迹，玻璃上的贴花图案，这些形状不规则的图形，往往要用矩形贴图加蒙板的方式加以处理。这种类型的蒙板由于需要调整它们在三维表面的坐标位置，所以常常被视为一种特殊形式的贴图，称为“透明度贴图”。
蒙板不仅可以在简单的贴图中使用，更可以在复杂得多维材质中使用。当两种材质在同一表面交错混合时，人们同样需要用通道来处理他们的分布。而与普通蒙板不同的是，这样的“混合通道”是直接应用在两张图像上的：黑色的部分显示 A 图像；白色部分显示 B 图像；灰阶部分则兼而有之。可见，混合通道是由蒙板概念衍生而来，用于控制两张图像叠盖关系的一种简化应用。
5 ．置换贴图与凹凸贴图
在三维软件中，通道并不仅限于处理平面贴图，他也被用于表现更为复杂的材质，甚至用来建立模型。
试想，我们要对一枚硬币建模：其表面纷繁复杂的图案与花纹一定会给我们的工作带来不少麻烦，用通常的建模手段，几乎无法完成。也许有人会问：我们能不能用一张平面图像来表示三维物体表面的凹凸起伏（就像一张海拔地图那样），而让计算机自动完成繁琐的建模工作呢？答案是：能，而且这张关键的平面图就是通道。
将一张通道用所谓“置换贴图”的方式贴到物体的表面，这时，计算机就会如是运作： 将贴图表面上的节点，按照贴图通道上像素的亮度信息，沿曲面在该点的法线方向进行不同程度的牵引拉伸，要么凹下去，要么凸起来：就像比对着一张用颜色描绘海拔的地图，在泥巴上捏出高山与峡谷一样。现在，我们只要用平面绘图工具绘制一张二维图像，然后将其转化为置换贴图并赋予物体，一枚极具质感的硬币就跃然纸上了。
置换贴图虽然可以大大节省建模工作量，但由于这样生成的模型不够优化，多边形数目过于繁多，会造成渲染时间的大幅攀升。为此，人们想出一个折中的好办法。在不增加模型复杂度的前提下，使物体表面的凹凸效果近似于置换贴图中生成的真实模型，这就是凹凸贴图算法。凹凸贴图同样以通道为信息源，通过特殊的表面贴图与光影处理，表现出物体的高光与阴影，使其光影效果在大多数情况下能够达到令人信服的程度。
现在，我们再使用凹凸通道贴图建立一枚硬币模型，并与前面的置换模型进行渲染比对。我们会发现：在“正视”所处理的平面（视线垂直于平面）时，后者与前者有着同样出色的表现，但渲染时间大大优于前者；而在“侧视”（视线垂直于该平面的法线）对比时，置换贴图依旧表现出物体表面真实的起伏形态，而用凹凸贴图处理的平面则平整如初。这也使凹凸贴图的缺点暴露无遗。以上两种算法各有优劣，而在最终决定究竟使用哪一种算法使通道与模型相结合，以达到所需效果时，视角便成为决定性的因素。
6 ．矢量通道
为了减小数据量，人们将逐点描绘的数字图像再一次解析，运用复杂的计算方法将其上的点、线、面与颜色信息转化为简捷的数学公式；这种公式化的图形被称为“矢量图形”；而公式化的通道，则被称为“矢量通道”。矢量图形虽然能够成百上千倍地压缩图像信息量，但其计算方法过于复杂，转化效果也往往不尽人意。因此，他只有在表现轮廓简洁、色块鲜明的几何图形时才有用武之地；而在处理真实效果（如照片）时，则很少派上用场。 Photoshop 中的“路径”， 3DS 中的几种预置贴图， illustrator 、 flash 等矢量绘图软件中的蒙板，都是属于这一类型的通道。
古人云：“勿在沙地筑高台”。想拥有过人的技术就必须努力学好基础知识。通道的应用是从事美工行业人员从入门到精通的必经之路，也是这门课程的华彩乐章。希望大家能够从这里一点一滴地学起，在不远的将来，让自己的作品散发出艺术耀眼的光芒。
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