轉自：http://blog.csdn.net/ningyaliuhebei/article/details/7652673
通道在圖像處理中的應用 —通道起源
如果問“什麼是 photoshop中最重要、最不可缺少的功能？”相信很多人的回答是“圖層”。其實，在 photoshop3.0 之前，根本沒有圖層的功能。在圖像處理中，最重要的功能是選區範圍。只有正確地運用選區範圍，才能夠進行精確的合成。如果無法選區，也就無法作出相應的操作或處理。爲了記錄選區範圍，可以通過黑與白的形式將其保存爲單獨的圖像，進而製作各種效果。人們將這種獨立並依附於原圖的、用以保存選擇區域的黑白圖像稱爲“通道”（channel）。換言之，通道纔是圖像處理中最重要的部分。
然而，真正懂得Photoshop通道的人並不多。對基本概念的一知半解，造成了技術上的斷層，以致某些難點無法突破，這是由學習上的本末倒置所造成的。本文試圖通過常用的圖像處理方法，來探討Photoshop通道的本質、運算及其特殊形式，幫助讀者從中獲得啓發，理解本質，掌握應用。
一、通道起源——傳統照相合成技術及其數字化
1 ．遮板的應用
我們知道，照相排版行業的全面數字化不過是最近幾年的事情。在此之前，圖像合成工作者的工作量之大，內容之枯燥令人難以想象。他們必須將自己關在暗房裏，在放大機下面作遮板，以便在底片曝光時有所選擇。這種遮板其實就是有選擇地在一張透明底片的不同部位塗上黑色染料，讓光線不能透過。在曝光時，使遮板與底片重疊放置，這樣，遮板上黑色區域下面的底片圖像就因爲被不透明的黑色遮住而不能被曝光，而只剩下透明部分對應的圖像，也就是說完成了對照片的選擇曝光。
通道的概念，便是由遮板演變而來的。在通道中，以白色代替透明表示要處理的部分（選擇區域）；以黑色表示不需處理的部分（非選擇區域）。因此，通道也與遮板一樣，沒有其獨立的意義，而只有在依附於其他圖像（或模型）存在時，才能體現其功用。而通道與遮板的最大區別，也是通道最大的優越之處，在於通道可以完全由計算機來進行處理，也就是說，它是完全數字化的。
2 ．通道——傳統技術的數字化
計算機可以不知疲倦的 24 小時工作，而且效率極高。因此，人們不遺餘力地將一切可能的信息交由計算機處理，數字化的浪潮席捲全球，圖像處理行業也不例外。
如何將一張鮮活的照片變成我們硬盤上的“0 ”與“1 ”呢？在此之前，讓我們來看看數字化信息的特點。首先，顧名思義，數字化信息最大的特點就是任何形式的信息都可以用數字完整、準確的表達出來，無論它是一條記錄、一通電話、還是一段錄影。數字化的這個特點是很容易理解的，我們稱之爲“解析”。
其次，受到存儲及計算等方面的限制，數字化信息的容量必須是有限的。也就是說，要將原來瞬息萬變、細緻入微的模擬信號解析開來，就必須有所取捨——用一個個足夠小的，可解析的“信息元”取代原先的“信息流”。我們看到，這樣的“採樣”過程必然損失掉了部分元與元之間的原始數據。所以我們必須以某種指標來判斷數字化信息與模擬信息的切近程度。顯然，在有限長度的“信息流”中，所取的“信息元”越多，這種轉化就越爲精確，反之，所取的“信息元”越少，切近的程度就越爲粗糙。所以，我們用“單位信息流”中“信息元”的數目多寡，來衡量數字化信息的逼真程度。在數字化音頻中，這個指標稱之爲“採樣率”與“量化精度”；在數字視頻中，稱之爲“幀頻”；在數字化圖像中，則稱之爲“分辨率”。只要這個指標足夠大，就足以迷惑人們的感官，讓我們的耳朵、眼睛誤以爲這是一幅連貫的畫面，或是一段流暢的音樂，而絲毫察覺不到停頓感或顆粒感。相對於模擬信息的“連續”性質而言，數字信息所具有的這種特點稱爲“間斷”，或者稱爲“非連續”。
現在，將一張圖像用許多等距的水平線與豎直線分割開來，每一個小方格都成爲一個像素（pixel），也就是一個獨立的信息元，數字化的工作就完成一半了。接下來，我們要做的，就是記錄每個像素的顏色信息。 由於我們要討論的是黑白圖像，因此只需記錄黑、白、灰的信息（在黑白圖像中，它與“亮度”、“灰度”的概念都是等價的），而不用考慮它的色相。但不要忘了，灰度也是有不同級別的，像“深灰”、“淺灰”或“中灰”。
但僅僅用語言描述物體的亮度是遠遠不夠的。上面提到，數字信息具有“間斷”的特點，所以有人提出，用 0到 100 之間的整數表示灰度的級別：比如用 0表示純黑色，用 100 表示純白色，而 50 則表示將黑白均勻等量混合後所得的顏色。 衆所周知，在計算機中，是以位（ bit）存儲數據的。每一個位只能存儲“ 0 ”或“ 1 ”的信息，用以對應二進制的位。讓我們看看要表示一個 0到 100 之間的任一整數，需要多少個二進制位： log 2 101=6.6582 也就是說，我們用了 7 位的存儲空間，存儲了僅用 6.6 位便可存儲數據。難道這不是一種浪費麼？而這種浪費的根源就在於，我們把黑白之間的灰階，人爲的劃分爲101段，而不是其他數目。
所以，爲了物盡其用，人們通常用2 的整數次冪來劃分灰度級別。通常，人們將灰階劃分爲256級（用 0～ 255 表示），而這也將正好佔據 8個存儲位（一字節）的空間。而 8 這個數字的由來，完全是爲了使人的肉眼在任一相鄰兩級的變化中，沒有絲毫的察覺。
經歷了上述兩個步驟，我們將每個像素的灰度信息按照劃分好的網格，從上到下，從左到右的順序依次寫入硬盤，數字化的工作就終於完成了。而當我們體驗着計算機處理選區飛馳的感覺時，就會明白這一系列且紛繁複雜的轉化與操作絕非徒勞了。
二、幾種特殊通道類型
由上一節內容可以看到，最早的通道概念是傳統照相工藝中的遮板演變而來，用以表示選擇範圍的特殊圖像。在這之後，計算機圖像處理技術迅速發展，通道的概念又有了大幅度的拓展，進而涵蓋了矢量繪圖、三維建模、材質、渲染等諸多領域，而不再僅僅侷限於平面設計中“選區範圍”的原始意義。這些形形色色的“通道”都有着各自不同的名稱、用途與計算方法，但又都與原始的通道概念有着本質上的相似，從本質上看：通道仍然沒有脫離選區這個大的範圍。
1 ．原色通道、 Alpha通道與專色通道
在前面的描述中，我們已經細緻地瞭解了通道，即單色圖像的數字化過程。那麼，計算機又是如何用這些數字表示彩色圖像的呢？首先，我們來了解一下原色的概念與加減法混合原理。
在小學美術課上，我們就瞭解了紅黃藍三原色的概念。這裏的紅、黃、藍準確地說應該是洋紅（Magenta）、黃（Yellow ）與青（Cyan ）。將這三種顏色按不同的比例混合，可以得到其他的任意顏色；而這三種顏色最大程度的混合，就會使其範圍內所有波長的可見光全部被吸收而顯示出黑色。我們將這三種元色稱爲“光源三原色”，而將這種在混合過程中顏色亮度不斷降低的混合方法稱爲減法混合。
通常，在印刷中，應用的就是這種減法混合原理：在白色的紙張上通過光源三原色油墨的混合，得到各種色彩及其組合而成的圖像。但在實際操作中，通過混合得到的黑色成本高、質量差，所以通常人爲地添加一種成本較低的黑色油墨（blacK），與品、黃、青共同印製。因此，這種印刷的過程也被稱爲“四色印刷”，而其顏色體系被稱爲“ CMYK 色彩體系”。
對應於印刷中減法混合原理的，是顯示元件所遵循的加法混合原理。紅（ Red ）、綠（ Green ）、藍（ Blue ）三個顏色被稱爲“物體三原色”，三種顏色光的混合，可以得出其它任意色彩，而其最大混合將得到亮度最高的顏色——白色。我們知道，我們身邊的絕大多數顯示設備（如 CRT 陰極射線顯像管、 LCD液晶面板等）都應用了加法混合原理。因此，這些設備在未啓動時，底色越黑、亮度越低，其成像效果就越好。顯示顏色體系也被稱爲 RGB顏色體系。
自然法則是如此的簡潔而優美，千變萬化的色彩僅僅是三種簡單原色的有機組合。因此，任意一張彩色圖像都可以看作三張不同原色圖像的疊加。既然任意的單色灰階圖都可以被視爲通道，那麼，我們就完全可以用 3 ～ 4 個通道來記錄一張彩色照片。每一個通道記錄一個對應原色在彩色圖像上的分佈信息，故我們稱其爲“原色通道”。用於顯示用途的圖片（例如網站彩頁）可以被分解爲 R 、 G 、 B三個原色通道，而需要輸出的圖片（例如海報、雜誌封面、包裝紙等）則被分解爲 C、 M 、 Y三個原色通道與一個 K 通道。
既然每個通道的單一像素需要 8個二進制位的存儲空間，那麼在三色通道中，每一個像素都由三個單色像素混合而成，也就需要 8 × 3=24個二進制位來進行存儲。這樣，在數據量變爲原來的三倍時，可以表達的色彩數目就變爲 2 24 ≈ 1.6× 10 7種。我們通常將由這1600 萬個顏色所組成的色域稱爲“24bit 真彩色”。
2 ． Alpha通道
Alpha 通道是爲保存選擇區域而專門設計的通道。在生成一個圖像文件時，並不必須產生 Alpha通道。通常它是由人們在圖像處理過程中人爲生成，並從中讀取選擇區域信息的。因此在輸出製版時， Alpha通道會因爲與最終生成的圖像無關而被刪除。但也有時，比如在三維軟件最終渲染輸出的時候，會附帶生成一張Alpha通道，用以在平面處理軟件中作後期合成。
除了 photoshop 的文件格式 PSD 外， GIF與 TIFF 格式的文件都可以保存 Alpha通道。而 GIF文件還可以用 Alpha通道作圖像的去背景處理。因此，我們可以利用 GIF文件的這一特性製作任意形狀的圖形。
3 ．專色通道
爲了讓自己的印刷作品與衆不同，往往要做一些特殊處理。如增加熒光油墨或夜光油墨，套版印製無色系（如燙金）等，這些特殊顏色的油墨（我們稱其爲“專色”）都無法用三原色油墨混合而成，這時就要用到專色通道與專色印刷了。
在圖像處理軟件中，都存有完備的專色油墨列表。我們只須選擇需要的專色油墨，就會生成與其相應的專色通道。但在處理時，專色通道與原色通道恰好相反，用黑色代表選取（即噴繪油墨），用白色代表不選取（不噴繪油墨）。這一點是需要特別注意的。
專色印刷可以讓作品在視覺效果上更具質感與震撼力，但由於大多數專色無法在顯示器上呈現效果，所以其製作過程也帶有相當大的經驗成分。
4 ．蒙板與貼圖混合通道
蒙板又被稱爲“遮罩”，可以說是最能體現“遮板”意義的通道應用了。
在一張圖像（或一個圖層）上添加一張黑白灰階圖，黑色部分的圖像將被隱去（而不是刪除），變爲透明；白色部分將被完全顯現；而灰階部分將處於半透明狀態。蒙板無論在圖像合成還是在特效製作方面，都有不可取代的功用。蒙板也可以應用到三維模型的貼圖上面。金屬上的斑斑鏽跡，玻璃上的貼花圖案，這些形狀不規則的圖形，往往要用矩形貼圖加蒙板的方式加以處理。這種類型的蒙板由於需要調整它們在三維表面的座標位置，所以常常被視爲一種特殊形式的貼圖，稱爲“透明度貼圖”。
蒙板不僅可以在簡單的貼圖中使用，更可以在複雜得多維材質中使用。當兩種材質在同一表面交錯混合時，人們同樣需要用通道來處理他們的分佈。而與普通蒙板不同的是，這樣的“混合通道”是直接應用在兩張圖像上的：黑色的部分顯示 A 圖像；白色部分顯示 B 圖像；灰階部分則兼而有之。可見，混合通道是由蒙板概念衍生而來，用於控制兩張圖像疊蓋關係的一種簡化應用。
5 ．置換貼圖與凹凸貼圖
在三維軟件中，通道並不僅限於處理平面貼圖，他也被用於表現更爲複雜的材質，甚至用來建立模型。
試想，我們要對一枚硬幣建模：其表面紛繁複雜的圖案與花紋一定會給我們的工作帶來不少麻煩，用通常的建模手段，幾乎無法完成。也許有人會問：我們能不能用一張平面圖像來表示三維物體表面的凹凸起伏（就像一張海拔地圖那樣），而讓計算機自動完成繁瑣的建模工作呢？答案是：能，而且這張關鍵的平面圖就是通道。
將一張通道用所謂“置換貼圖”的方式貼到物體的表面，這時，計算機就會如是運作：將貼圖表面上的節點，按照貼圖通道上像素的亮度信息，沿曲面在該點的法線方向進行不同程度的牽引拉伸，要麼凹下去，要麼凸起來：就像比對着一張用顏色描繪海拔的地圖，在泥巴上捏出高山與峽谷一樣。現在，我們只要用平面繪圖工具繪製一張二維圖像，然後將其轉化爲置換貼圖並賦予物體，一枚極具質感的硬幣就躍然紙上了。
置換貼圖雖然可以大大節省建模工作量，但由於這樣生成的模型不夠優化，多邊形數目過於繁多，會造成渲染時間的大幅攀升。爲此，人們想出一個折中的好辦法。在不增加模型複雜度的前提下，使物體表面的凹凸效果近似於置換貼圖中生成的真實模型，這就是凹凸貼圖算法。凹凸貼圖同樣以通道爲信息源，通過特殊的表面貼圖與光影處理，表現出物體的高光與陰影，使其光影效果在大多數情況下能夠達到令人信服的程度。
現在，我們再使用凹凸通道貼圖建立一枚硬幣模型，並與前面的置換模型進行渲染比對。我們會發現：在“正視”所處理的平面（視線垂直於平面）時，後者與前者有着同樣出色的表現，但渲染時間大大優於前者；而在“側視”（視線垂直於該平面的法線）對比時，置換貼圖依舊表現出物體表面真實的起伏形態，而用凹凸貼圖處理的平面則平整如初。這也使凹凸貼圖的缺點暴露無遺。以上兩種算法各有優劣，而在最終決定究竟使用哪一種算法使通道與模型相結合，以達到所需效果時，視角便成爲決定性的因素。
6 ．矢量通道
爲了減小數據量，人們將逐點描繪的數字圖像再一次解析，運用複雜的計算方法將其上的點、線、面與顏色信息轉化爲簡捷的數學公式；這種公式化的圖形被稱爲“矢量圖形”；而公式化的通道，則被稱爲“矢量通道”。矢量圖形雖然能夠成百上千倍地壓縮圖像信息量，但其計算方法過於複雜，轉化效果也往往不盡人意。因此，他只有在表現輪廓簡潔、色塊鮮明的幾何圖形時纔有用武之地；而在處理真實效果（如照片）時，則很少派上用場。Photoshop中的“路徑”， 3DS中的幾種預置貼圖， illustrator、 flash 等矢量繪圖軟件中的蒙板，都是屬於這一類型的通道。
古人云：“勿在沙地築高臺”。想擁有過人的技術就必須努力學好基礎知識。通道的應用是從事美工行業人員從入門到精通的必經之路，也是這門課程的華彩樂章。希望大家能夠從這裏一點一滴地學起，在不遠的將來，讓自己的作品散發出藝術耀眼的光芒。