颜色空间

一、人类视觉与色度学基础

三原色原理、光度学基本知识：

人类色觉的产生是一个复杂的过程。除了光源对眼睛的刺激，还需要人脑对光刺激的解释。人感受到的物体颜色主要取决于反射光的特性。如果物体比较均衡地反射各种光谱，则看起来是白的。如果物体对某些光谱反射得较多，则看起来物体就呈现相对应的颜色。
色度学（colorimetry）：进行图像的彩色分析，建立的研究彩色计量的学科。

视觉系统中存在着杆状和锥状细胞两种感光细胞。
杆状细胞为暗视器官
锥状细胞是明视器官，在照度足够高时起作用，并能分辨颜色。
锥状细胞大致将电磁光谱的可见部分分为三个波段：红、绿、蓝。
这三种颜色被称为三基色

图 人类视觉系统三类锥状细胞的光谱敏感曲线

人类视觉对颜色的主观感觉：

颜色的三种主观感觉：色调、饱和度和亮度。
色调（hue）：从一个物体反射过来的或透过物体的光波长，是由颜色种类来辨别的，如红、橙、绿。
饱和度（saturation）：即色纯度，指颜色的深浅，例如：深红和浅红。
亮度（brightness）：颜色的明暗程度，从黑到白，主要受光源强弱影响。

由三基色混配各种颜色通常有两种方法：
1.相加混色法。
彩色电视机上的颜色。
2.相减混色法。
彩色电影、幻灯片、绘画原料
相加混色和相减混色的主要区别：
（1）相加法是由发光体发出的光相加而产生的各种颜色，而相减法是先有白色光，然后从中减去某些成份（吸收）得到各种颜色。
（2）相加混色的三基色是红、绿、蓝，而相减混色的三基色是黄、青、品红。相加混色的补色就是相减混色的基色。
（3）相加混色和相减混色有不同的规律。

二、颜色空间的表示及转换

实际应用中常用的颜色空间有RGB、HSV、HSI、YUV、YIQ等。
常用的颜色空间可分为两类：（或者有的分为于设备有关和与设备无关）
面向硬设备的应用：RGB颜色空间，如：彩色显示器、打印机等
面向以彩色处理为目的的应用：HSI颜色空间以及HSV颜色空间

1.RGB颜色空间

计算机颜色显示器显示颜色的原理与彩色电视机一样，都是采用R、G、B相加混色的原理，通过发射出三种不同强度的电子束，
使屏幕内侧覆盖的红、绿、蓝磷光材料发光而产生颜色的。这种颜色的表示方法称为RGB颜色空间表示。在多媒体计算机技术中，用得最多的是RGB颜色空间表示。 
根据三基色原理，用基色光单位来表示光的量，则在RGB颜色空间，任意色光F都可以用R、G、B三色不同分量的相加混合而成： 
  F＝r [ R ] + g [ G ] + b [ B ] 
我们可知自然界中任何一种色光都可由R、G、B三基色按不同的比例相加混合而成，当三基色分量都为0（最弱）时混合为黑色光；
当三基色分量都为k（最强）时混合为白色光。任一颜色F是这个立方体坐标中的一点，调整三色系数r、g、b中的任一系数都会改变F的坐标值，
也即改变了F的色值。RGB颜色空间采用物理三基色表示，因而物理意义很清楚，适合彩色显像管工作。然而这一体制并不适应人的视觉特点。
因而，产生了其他不同的颜色空间表示法。

国际照明委员会（CIE）规定以700nm(红)、546.1nm (绿)、435.8nm (蓝)三个色光为三基色。又称为物理三基色。

2.CMY和CMYK颜色空间

CMY模型和RGB模型具有相似的特点，它也是一种面向硬件设备（彩色打印机，复印机）的颜色模型，CMY代表青色，深红色和黄色（颜料原色）的组合。这三种颜色是RGB的二次色，用的是另一种方式定义。如青色表示用白光照射时，反射光是白光减去红光，而白光是红绿蓝光的组合。因此呢就有了RGB和CMY的转换：假设所有的颜色值归一化到（0，1）之间。

表示了青色表面不反射红光，深红色不反射绿色，纯黄色不反射蓝色。等量的颜料原色组合可以产生黑色，但是为了打印组合产生的黑色往往不会很纯，因此为了产生真正的黑色，加入了第四种颜色黑色，于是就有了CMYK模型。

3.HSI圆锥空间彩色模型

RGB彩色模型和CMY模型对硬件设备的实现是很理想的，而且RGB模型可以和人眼感受三原色的事实相匹配。但是很遗憾，这些颜色模型很难适应人对颜色的解释。HIS彩色空间正是为了适应人眼对颜色的感知和描述发展的颜色模型。它是开发基于彩色描述的图像处理方法的理想工具，这个模型利用色调（H），饱和度（S）强度（I）来描述色彩。其中HSI彩色模型和RGB彩色模型可以相互转换（省略）。

色调（H）和饱和度（S）的含义与HSV系统一致，而强度（I）对应与颜色的亮度或灰度。HSI彩色模型如左图 所示，

           

4.HSV颜色空间

 HSV模型：由色度（H），饱和度（S），亮度（V）三个分量组成,与人的视觉特性比较接近。
重要性：消除了亮度成分V在图像中与颜色信息的联系；色调H和饱和度S分量与人的视觉感受密切相关。

倒锥形模型：

这个模型就是按色彩、深浅、明暗来描述的。

H是色彩

S是深浅， S = 0时，只有灰度

V是明暗，表示色彩的明亮程度，但与光强无直接联系，（意思是有一点点联系吧）。

RGB与HSV的联系

从上面的直观的理解，把RGB三维坐标的中轴线立起来，并扁化，就能形成HSV的锥形模型了。

但V与强度无直接关系，因为它只选取了RGB的一个最大分量。而RGB则能反映光照强度（或灰度）的变化。

v = max(r, g, b)

由RGB到HSV的转换：

"　　HSV对用户来说是一种直观的颜色模型。我们可以从一种纯色彩开始，即指定色彩角H，并让V=S=1，然后我们可以通过向其中加入黑色和白色来得到我们需要的颜色。增加黑色可以减小V而S不变，同样增加白色可以减小S而V不变。例如，要得到深蓝色，V=0.4 S=1 H=240度。要得到淡蓝色，V=1 S=0.4 H=240度。" --百度百科

HSV在图像处理应用

HSV在用于指定颜色分割时，有比较大的作用。

H和S分量代表了色彩信息。

分割应用：

      用H和S分量来表示颜色距离，颜色距离指代表两种颜色之间的数值差异。
     Androutsos等人通过实验对HSV颜色空间进行了大致划分，亮度大于75%并且饱和度大于20%为亮彩色区域，亮度小于25%为黑色区域，亮度大于75%并且饱和度小于20%为白色区域，其他为彩色区域。

   对于不同的彩色区域，混合H与S变量，划定阈值，即可进行简单的分割。

注意：

hsv里面的v指的是明度，是指RGB里面的最大的值，v = max((r,g,b); 而HSI的I是亮度，是平均值，I=(r+g+b) / 3; 另外两个分量应该是一样的。

纯色的明度等于白色的明度，而纯色的亮度等于中度灰的亮度。

6.YUV颜色模型

YUV颜色模型在广泛性方面仅次于RGB模型。在彩色电视系统中，采用的就是YUV色彩空间。
由于人眼对于亮度的敏感程度大于对于色度的敏感程度，所以完全可以让相邻的像素使用同一个色度值，而人眼的感觉不会引起太大的变化。
UV的基本思想是通过损失色度信息来达到节省存储空间的目的。可以定义出许多YUV的格式。相邻两个像素使用一个色度值的YUYV，JPEG、MPEG中相邻四个像素使用一个色度值的YUV12等。

YUV是通过亮度-色差来描述颜色的颜色空间。

亮度信号经常被称作Y，色度信号是由两个互相独立的信号组成。视颜色系统和格式不同，两种色度信号经常被称作UV或PbPr或CbCr。这些都是由不同的编码格式所产生的，但是实际上，他们的概念基本相同。在DVD中，色度信号被存储成Cb和Cr（C代表颜色，b代表蓝色，r代表红色）。

分配比例

在十年中，视频工程师发现人眼对色度的敏感程度要低于对亮度的敏感程度。在生理学中，有一条规律，那就是人类视网膜上的视网膜杆细胞要多于视网膜锥细胞，说得通俗一些，视网膜杆细胞的作用就是识别亮度，而视网膜锥细胞的作用就是识别色度。所以，你的眼睛对于亮和暗的分辨要比对颜色的分辨精细一些。正是因为这个，在我们的视频存储中，没有必要存储全部颜色信号。既然眼睛看不见，那为什么要浪费存储空间（或者说是金钱）来存储它们呢？

像Beta或VHS之类的消费用录像带就得益于将录像带上的更多带宽留给黑—白信号（被称作“亮度”），将稍少的带宽留给彩色信号（被称作“色度”）。

在MPEG2（也就是DVD使用的压缩格式）当中，Y、Cb、Cr信号是分开储存的（这就是为什么分量视频传输需要三条电缆）。其中Y信号是黑白信号，是以全分辨率存储的。但是，由于人眼对于彩色信息的敏感度较低，色度信号并不是用全分辨率存储的。

YUV 4:4:4

色度信号分辨率最高的格式是4:4:4，也就是说，每4点Y采样，就有相对应的4点Cb和4点Cr。这种格式主要应用在视频处理设备内部，避免画面质量在处理过程中降低。当图像被存储到Master Tape，比如D1或者D5，的时候，颜色信号通常被削减为4:2:2。

YUV 4:4:4采样概念图

YUV 4:2:2

其次就是4:2:2，每4点Y采样，就有2点Cb和2点Cr。在这里，每个象素都有与之对应的亮度采样，同时一半的色度采样被丢弃，所以我们看到，色度采样信号每隔一个采样点才有一个。就像上面提到的那样，人眼对色度的敏感程度不如亮度，大多数人并不能分辨出4:2:2和4:4:4颜色构成的画面之间的不同。

YUV 4:2:2采样概念图

YUV 4:2:0

概念上4:2:0颜色格式非交错画面中亮度、色度采样信号的排列情况。同4:2:2格式一样，每条扫描线中，只有一半的色度采样信息。同时，YUV 4:2:0是所有采样方式中颜色分辨率最低的一种。

请注意，在4:2:0颜色格式中，色度采样被放在了两条扫描线中间。为什么会这样呢？很简单：DVD盘上的颜色采样是由其上下两条扫描线的颜色信息“平均”而来的。比如，图三中，第一行颜色采样（Line 1和Line 2中间夹着的那行）是由Line 1和Line 2“平均”得到的，第二行颜色采样（Line 3和Line 4中间夹着的那行）也是同样的道理，是由Line 3和Line 4得到的。

虽然文章中多次提到“平均”这个概念，但是这个“平均”可不是我们通常意义上的(a+B)/2的平均。颜色的处理有极其复杂的算法保证其最大限度地减少失真，接近原始质量。

事实上4:2:0是一个混乱的称呼，按照字面上理解，4:2:0应该是每4点Y采样，就有2点Cb和0点Cr，但事实上完全不是这样。举个例子，如果整张画面的尺寸是720*480，那么亮度信号是720*480，色度信号只有360*240。诚然，4:4:4的效果很棒，但是如果要用4:4:4存储一部电影，我们的DVD盘的直径至少要有两英尺（六十多厘米）。

非交错的YUV 4:2:0概念图