锐化的基本原理 ––– 强化边缘对比
人类的视神经和大脑在处理视觉信号的时候，会把信息分为边缘（亮度突变部分）和表面（平滑部分）。我们的眼睛对边缘特别敏感。更为有趣的是，人眼看到的世界不完全是客观信息，而是经过我们视神经系统加工和改进后的图像。换一句话说，我们的眼睛会对客观世界做一些“后期处理”，然后再把加工过的结果送给大脑。
著名的马赫带
我们来看看著名的马赫带（Mach Bands） 图案。我们在Photoshop里建立了五个亮度不同的相邻方块。
著名的马赫带
在每一个方块内的亮度是完全一致的（不信的话大家可以在PS里查看）。可是在我们人眼看起来，这些方块的边界处的亮度分布并不均匀。在浅色方块的一侧，越靠近交界线的亮度似乎越高；同样，在深色方块的一侧，越靠近交界线的亮度似乎越低。这个著名现象是1868年由奥地利物理学家恩斯特·马赫（Ernst Mach）发现的一种视觉错觉。当我们观察两块亮度不同的区域时，我们的眼睛会“欺骗”我们，让我们错以为明暗交界处的亮处更亮，暗处更暗。其结果是在主观视觉上增加了边缘对比，强化了轮廓表现。
美国生理学家霍尔登.哈特兰(H. K. Hartline)通过实验，精确而定量地在低等海洋动物鲎的复眼里也观察到这样的现象。这种主观反差增强的机理被称为侧抑制。相邻的视神经细胞存在相互抑制的作用。当一个神经细胞被外界信号激发后，它会抑制相邻神经细胞的反应，改变它的输出。我们的视觉神经系统通过这种对信息的预加工，可使边缘反差加强，便于大脑检测轮廓。事实上侧抑制现象是一种极其基本的生理机制，它普遍存在于动物的各种感觉神经系统中。哈特兰的重大发现使得他赢得了1967年的诺贝尔生理和医学奖。
USM锐化
几乎所有的锐化算法都是模仿侧抑制现象去强化边缘对比。在Photoshop里，最有用，最灵活的锐化工具是USM锐化。我们来看看USM工具来锐化这个马赫带图的结果。在Photoshop里，我们通过点击“滤镜→锐化→USM锐化”菜单来调出USM锐化对话框。我们可以看到这对话框有三个可调参数：数量、半径和阈值。 我们先看看没有任何锐化的缺省情况。三个滑块上方是图中一条边界的800%放大图。
马赫带图案没有锐化前的细节
“半径”这个参数告诉锐化算法从检测到的边缘开始向外影响多少像素。如果半径值为1，则边沿两边各有一个像素点会被算法改变。如果半径值为2，则边缘两边各有两个像素点将会被改变。半径越大，锐化后的细节的差别也清晰，但会增加画面颗粒感，同时会在边界产生光晕。大多数时候，我们锐化的半径不要超过1个像素，而是宁愿用很小的半径多锐化几次。在本例里，我们先从很小的半径（0.5像素）开始。
“数量”这个参数决定了锐化的强度。我们慢慢把“数量”滑块向右边拉动。在800%的放大图中，我们可以看到边界左侧的亮部出现了一条很细的白线，随着锐化数量的增加，这条白线越来越亮。同样，在边界右侧的暗部出现了一条很细的黑线，随着锐化数量的增加，这条黑线越来越黑。其结果是虽然微观上边缘附近的像素分布变得更为杂乱，但宏观上看起来，边缘反差越来越高，越来越清晰锐利，和侧抑制的原理完全一致。 这条白线的宽度由锐化半径这个参数决定。
马赫带在小半径锐化下的细节
在下面的例子来，为了能更清楚地看到锐化的原理和效果，我们故意用了两个非常极端的参数。我们把半径设为10，数量设为200%。现在这个算法的模仿侧抑制效应的边缘增强效果非常清楚了。我们可以看到在边界处出现了非常明显的白边和黑边。在实际图像中，如果锐化半径过大，我们常能地面和天空的交界处，还有地面和水面，岩石和白雪的交界处看到这种刺眼又恼人的光晕或黑白边，这是我们后期处理要极力避免的。
马赫带在大半径，大数量锐化下的结果。这样的白边和黑边是我们一定要避免的
如果我们把半径进一步增加大50像素，则出现了另外一种很有趣的现象。这么大的半径值意味着算法从边缘开始有足够的像素来实现更加自然平缓的明暗过渡，因此画面的颗粒感和光晕不再明显，但立体感和局部反差（不是画面的整体反差）有了非常显著的提升。在后面，我们将讲述如何用这个技术来提高画面的清晰度观感。
马赫带在超大半径，大数量锐化下的结果
我们再看看“阈值”这个参数的作用。阈值决定了算法如何检查到画面中的边缘。阈值越高，一个像素与周围区域的数值必须越大，才能被认定是边缘。如果阈值是0，那么每一个像素边界都会被被认为是边缘。而我们知道USM算法的本质是提高边缘反差。因此阈值越低，画面中的边缘就越多，锐化就越明显。但可能会出现锐化过度或杂色等现象。
