色彩空间介绍

色彩空间

色彩空间也称色彩模型(又称色彩空间或色彩系统）它的用途是在某些标准下用通常可接受的方式对彩色加以说明。本质上，色彩模型是坐标系统和子空间的阐述。位于系统的每种色彩都有单个点表示。采用的大多数色彩模型都是面向硬件或面向应用的。色彩空间从提出到现在已经有上百种，大部分只是局部的改变或专用于某一领域。色彩空间有许多种，常用有RGB，YUV，HSV，HSI等。

RGB色彩模型

RGB色彩模型基于三原色学说：视网膜存在三种视锥细胞，分别含有对红、绿、蓝三种光线敏感的视色素，当一定波长的光线作用于视网膜时，以一定的比例使三种视锥细胞分别产生不同程度的兴奋，这样的信息传至大脑中枢就产生某一种颜色的感觉。在大自然中有无穷多种不同的颜色，而人眼只能分辨有限种不同的颜色，RGB模式可表示一千六百多万种不同的颜色，在人眼看来它非常接近大自然的颜色。

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RGB色彩模型的优点：

· 图像直观，容易理解；

· 便于硬件实现，现代显示屏一般基于RGB模型；

· 引入位分辨率(颜色深度)，指一个像素中，每个颜色分量的比特数。位分辨率决定了色彩等级，8bit数据每个颜色分量就有256种。

RGB色彩模型的缺点：

·RGB3分量是高度相关的，即如果一个颜色的某一个分量发生了一定程度的改变，那么这个颜色很可能要发生改变；

·人眼对于常见的红绿蓝三色的敏感程度是不一样的，因此RGB色彩空间的均匀性非常差，且两种颜色之间的知觉差异色差不能表示为该色彩空间中两点间的距离

CMY色彩模型

CMY色彩模型的颜色分量对应RGB模型中由白色减去三基色RGB合成的颜色分量，可以看作是补色模型，CMY色彩模型的颜色分量可以作为颜料的原色，常用于彩色打印机等设备。

$$C=1-R;M=1-G;Y=1-B$$

C、M、Y、R、G、B均为归一化的色彩分量

YUV色彩模型

YUV是被欧洲电视系统所采用的一种色彩编码方法，基于YUV的色彩编码是流媒体的常用编码方式。其中Y表示明亮度(Luminance或Luma)，也就是灰阶值；而U和V表示的则是色度(Chrominance或Chroma)，作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。采用YUV色彩空间的重要性是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。如果只有Y信号分量而没有U、V信号分量，那么这样表示的图像就是黑白灰度图像。彩色电视采用YUV空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的相容问题，使黑白电视机也能接收彩色电视信号。
YUV主要用于优化彩色视频信号的传输，使其向后相容老式黑白电视。与RGB视频信号传输相比，它最大的优点在于只需占用极少的频宽(RGB要求三个独立的视频信号同时传输)。
YCrCb色彩空间是由YUV色彩空间派生的一种色彩空间，不同之处在于YCbCr用于数字图像领域，YUV用于模拟信号领域。YCbCr是在世界数字组织视频标准研制过程中作为ITU-R BT.601建议的一部分，其实是YUV经过缩放和偏移的翻版。YCrCb中的Y与YUV中的Y含义一致，Cb、Cr同样都指色彩，只是在表示方法上不同。YCbCr中，Y：亮度分量，Cr：（色度红）反应了RGB输入信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异（即，当前颜色对红色的偏移程度）。Cb：（色度红）反应了RGB输入信号蓝色部分与RGB信号亮度值之间的差异（即，当前颜色对蓝色的偏移程度）。在YUV家族中，YCbCr是在计算机系统中应用最多的成员，其应用领域很广泛，JPEG、MPEG均采用此格式。一般人们所讲的YUV大多是指YCbCr。
YUV格式通常有两大类：打包(packed format)格式和平面(planar format)格式。packed format YUV数据交叉存储，planar format先存储Y，在存储U，最后存储V。例如YUV444格式，packet采样（yuv yuv yuv）和 planar 采样（yyyy uuuu vvvv）。
打包格式将YUV分量存放在同一个数组中，通常是几个相邻的像素组成一个宏像素(macro-pixel)，和RGB的存放方式类似，在这种格式下每个像素点的YUV数据混合放在一个矩阵中。平面格式使用三个数组分开存放YUV三个分量，先连续存储所有像素点的Y，紧接着存储所有像素点的U，随后是所有像素点的V。YUV码流的存储格式与其采样方式有密切的关系，主流的采样方式有三种：YUV4:4:4、YUV4:2:2、YUV4:2:0。
下面三个图比较直观的显示了三种采样方式。其中黑点表示采样像素点的Y分量，空心圆表示采样像素点的UV分量。

YUV 4:4:4采样，每一个Y对应一组UV分量。

YUV 4:2:2采样，每两个Y共用一组UV分量。

YUV 4:2:0采样，每四个Y共用一组UV分量。

HSV色彩模型

HSV(Hue, Saturation, Value)HSV颜色空间比RGB更接近人们对彩色的感知经验，非常直观地表达颜色的色调、鲜艳程度和明暗程度，是根据颜色的直观特性由A. R. Smith在1978年创建的一种色彩空间, 也称六角锥体模型(Hexcone Model)。这个模型中颜色的参数分别是：色调、色相(Hue)，饱和度(Saturation)），明度(Value)。

色调H：用角度度量，取值范围为0°～360°，从红色开始按逆时针方向计算，红色为0°，绿色为120°,蓝色为240°。它们的补色是：黄色为60°，青色为180°，紫色为300°。

饱和度S：表示颜色接近光谱色的程度。一种颜色，可以看成是某种光谱色与白色混合的结果。其中光谱色所占的比例愈大，颜色接近光谱色的程度就愈高，颜色的饱和度也就愈高。饱和度高，颜色则深而艳。光谱色的白光成分为0，饱和度达到最高。通常取值范围为0%～100%，值越大，颜色越饱和。

明度V：表示颜色明亮的程度，对于光源色，明度值与发光体的光亮度有关；对于物体色，此值和物体的透射比或反射比有关。通常取值范围为0%（黑）到100%（白）。

Lab色彩模型

Lab是基于人对颜色的感觉来设计的，它是感知均匀（perceptual uniform）的。如果数字（即前面提到的L、a、b这三个数）变化的幅度一样，给人带来视觉上的变化幅度也差不多。 Lab是由一个亮度通道（channel）和两个颜色通道组成的。在Lab颜色空间中，每个颜色用L、a、b三个数字表示，L代表亮度，a代表从绿色到红色的分量，b代表从蓝色到黄色的分量。Lab相较于RGB色彩空间更符合人类视觉，也更容易调整，想要调节亮度（不考虑Helmholtz–Kohlrausch effect，即当色彩饱和度高时，颜色会看起来更亮，是人眼的一种错觉）就调节L通道，想要调节只色彩平衡就分别调a和b。 Lab有个很好的特性——设备无关（device-independent）。也就是说，在给定了颜色空间白点（white point）（下图中表示了一种颜色空间的白点）之后，这个颜色空间就能明确地确定各个颜色是如何被创建和显示的，与使用的显示介质没有关系。

LAB和RGB、CMYK之间的转换：
由于RGB和CMYK都是设备相关的，因此不能直接和LAB互相转换。所以在转换之前，必须定义一种绝对的颜色空间，比如sRGB或者Adobe RGB。从RGB转到sRGB是设备相关的，但之后的变换是设备无关的。