RGB顏色空間

RGB(red,green,blue)顏色空間最常用的用途就是顯示器系統，彩色陰極射線管,彩色光柵圖形的顯示器 都使用R、G、B數值來驅動R、G、B 電子槍發射電子，并分別激發熒光屏上的R、G、B三種顏色的熒光粉發出不同亮度的光線，并通過相加混合產生各種顏色；掃描儀也是通過吸收原稿經反射或透射而發送來 的光線中的R、G、B成分，并用它來表示原稿的顏色。RGB色彩空間稱為與設備相關的色彩空間，因為不同的掃描儀掃描同一幅圖像，會得到不同色彩的圖像數據；不同型號的顯示器顯示同一幅圖像，也會有不同 的色彩顯示結果。顯示器和掃描儀使用的RGB空間與CIE 1931 RGB真實三原色表色系統空間是不同的，后者 是與設備無關的顏色空間。btw：Photoshop的色彩選取器(Color Picker)。可以顯示HSB、RGB、LAB和CMYK 色彩空間的每一種顏色的色彩值。

在計算機技術中使用最廣泛的顏色空間是RGB顏色空間，它是一種與人的視覺系統結構密切相關的模型。根據人眼睛的結構，所有的顏色都可以看成三個基本顏色-紅色(red)、綠色(green)和藍色(blue)的不同組合，大部分顯示器都采用這種顏色模型。對一幅三通道彩色數字圖像對每個圖像像素(x,y)，需要指出三個矢量分量R、G、B;

根據美國國家電視制式委員會NTSC制式的標準，當白色的亮度用Y來表示是，它和紅基色（R）、綠基色（G）、藍基色（B）的關系可用如下的方程等式描述：

圖1 RGB彩色空間

圖2 人視網膜中三種不同視錐細胞的光譜相對敏感性

RGB對應到顯示器的三個刺激值，組成三維正交坐標系統，該系統中任何顏色都落入RGB彩色立方體內，在RGB顏色模型中，黑色在原點處，白色位于離原點最遠的角上，灰度級沿著這兩點的連線分布，每一個分量圖像都是其原色圖像。

RGB顏色空間最大的優點就是適合于顯示系統，直觀且容易理解。但是對彩色描述上的應用還有以下不足：

(1) RGB顏色空間利用三個顏色分量的線性組合來表示顏色，因此不同的色彩難以用精確的數值來表示，定量分析困難。

(2) 在RGB顏色系統中，三個顏色分量之間是高度相關的，即只要亮度改變，三個分量都會相應的改變，如果一個顏色的某一個分量發生了一定程度的改變，那么這顏色很可能也要發生改變。

(3) RGB顏色空間是一種均勻性較差的顏色空間，人眼對于三個顏色分量的敏感程度是不一樣的，如果顏色的相似性直接用歐氏距離來度量，其結果與人眼視覺會有較大的偏差。

HSV顏色空間

HIS(Hue-Intensity-Saturation)顏色空間是圖像處理中另外一個常用的顏色空間，它從人的視覺系統出發，用色調（Hue）、飽和度（Saturation或Chroma）和亮度（Intensity或Brightness）來描述顏色。HIS顏色空間可以用圖3的圓錐空間模型來描述。其中，色調H由角度表示，其取值范圍是 ，其中表示紅色，表示黃色，表示綠色，表示藍色，表示品紅色。飽和度S是HIS彩色空間中軸線到彩色點的半徑長度，彩色點離軸線的距離越近，表示顏色的白光越多。強度I用軸線方向上的高度表示，圓錐體的軸線描述了灰度級，強度最小值時為黑色，強度最大值時為白色。每個和軸線正交的切面上的點，其強度值都是相等的。

HSV(hue,saturation,value)顏色空間的模型對應于圓柱坐標系中的一個圓錐形子集，圓錐的頂面對應于V=1. 它包含RGB模型中的R=1，G=1，B=1 三個面，所代表的顏色較亮。色彩H由繞V軸的旋轉角給定。紅色對應于 角度0° ，綠色對應于角度120°，藍色對應于角度240°。在HSV顏色模型中，每一種顏色和它的補色相差180° 。 飽和度S取值從0到1，所以圓錐頂面的半徑為１。HSV顏色模型所代表的顏色域是CIE色度圖的一個子集，這個 模型中飽和度為百分之百的顏色，其純度一般小于百分之百。在圓錐的頂點(即原點)處，V=0,H和S無定義， 代表黑色。圓錐的頂面中心處S=0，V=1,H無定義，代表白色。從該點到原點代表亮度漸暗的灰色，即具有不同 灰度的灰色。對于這些點，S=0,H的值無定義。可以說，HSV模型中的V軸對應于RGB顏色空間中的主對角線。 在圓錐頂面的圓周上的顏色，V=1，S=1,這種顏色是純色。HSV模型對應于畫家配色的方法。畫家用改變色濃和 色深的方法從某種純色獲得不同色調的顏色，在一種純色中加入白色以改變色濃，加入黑色以改變色深，同時 加入不同比例的白色，黑色即可獲得各種不同的色調。前面這一大段我相信看起來也比較費勁，雖然已經盡力準確的去解釋了，但我還是建議具體使用請著重數學公式，結合圖示理解 ,效果更佳。

色相 (Hue)：指物體傳導或反射的波長。更常見的是以顏色如紅色，橘色或綠色來辨識，取 0 到 360 度的數值來衡量。

飽和度 (Saturation)：又稱色度，是指色彩的強度或純度。飽和度代表灰色與色調的比例，并以 0% (灰色) 到 100% (完全飽和) 來衡量。

亮度 (Intensity)：是指顏色的相對明暗度，通常以 0% (黑色) 到 100% (白色) 的百分比來衡量。

雖然這種描述HIS顏色空間的圓錐模型相當復雜，但卻能把色調、亮度和飽和度的變化情形表現得很清楚。通常把色調和飽和度通稱為色度，用來表示顏色的類別與深淺程度。由于人的視覺對亮度的敏感程度遠強于對顏色濃淡的敏感程度，為了便于顏色處理和識別，經常采用HIS顏色空間，它比RGB顏色空間更符合人的視覺特性。在圖像處理和計算機視覺中大量算法都可在HIS顏色空間上使用，它們可以分開處理而且是相互獨立的。因此，在HIS顏色空間可以大大簡化圖像分析和處理的工作量。

必須說明，HIS顏色空間和RGB顏色空間只是同一物理量的不同表示方法

圖3 HIS/HSV彩色空間（一）

圖4 HIS/HSV彩色空間（二）

在HIS顏色空間中進行彩色圖像分割有兩個優點：

(1) H和S分量與人感受彩色的方式相似，彩色圖像中的每一個均勻性彩色區域都對應一個相一致的色度和飽和度，色度和飽和度能夠被用來進行獨立于亮度的彩色區域分割。

(2) I分量與顏色信息無關。

Lab 顏色空間

Lab顏色空間是由CIE（國際照明委員會）制定的一種色彩模式。自然界中任何一點色都可以在Lab空間中表達出來，它的色彩空間比RGB空間還要大。另 外，這種模式是以數字化方式來描述人的視覺感應， 與設備無關，所以它彌補了RGB和CMYK模式必須依賴于設備色彩特性的不足。 由于Lab的色彩空間要比RGB模式和CMYK模式的色彩空間大。這就意味著，RGB、CMYK所能描述的色彩信息，在Lab顏色空間中都能得以影身寸。

Lab顏色空間取坐標Lab，其中L亮度；a的正數代表紅色，負端代表綠色；b的正數代表黃色， 負端代表蘭色（a,b）有L＝116f（y）-16, a＝500[f（x／0.982）-f（y）], b＝200[f（y）-f（z／1.183 ）]；其中： f（x）＝7.787x+0.138, x〈0.008856; f（x）＝（x）1／3,x〉0.008856

CIE-lab/luv色彩空間

CIE(Commission International del’Eclairage)國際標準照明委員會于1931年建立了一系列表示可見光譜的顏色空間標準。它有三個基本量，用X、Y、Z表示，通過X、Y、Z能夠表示任何一種顏色，X、Y、Z的值能夠利用R、G、B線性表示出來，相對于RGB顏色空間，XYZ顏色空間幾乎能包含人類能夠感覺到的所有顏色，但XYZ顏色空間仍然是一種不均勻的顏色空間。因此在CIE-XYZ顏色空間的基礎上又有了CIE-Lab，CIE-Luv等顏色空間。國際照明委員會制定了Lab顏色空間，人類所能感覺到的任何顏色都可以在Lab顏色空間中表示出來，其顏色空間比RGB顏色空間還大，可以直接使用歐幾里德距離來衡量兩種顏色的差異性。這種模式是以數字化的方式來描述人的視覺感覺，它與顯示器的色移、輸出設備以及其他設備無關。Lab系統是一個優秀的亮度和彩色分離器，它在圖像壓縮方面很有用。其中L代表亮度，a的正方向代表紅色，負方向代表綠色，b的正方向代表黃色，負方向代表藍色。Lab顏色空間由XYZ轉換而得

圖5 CIE-Lab彩色空間

YUV顏色空間

在現代彩色電視系統中，通常采用三管彩色攝像機或彩色CCD（點耦合器件）攝像機，它把攝得的彩色圖像 信號，經分色、分別放大校正得到RGB，再經過矩陣變換電路得到亮度信號Y和兩個色差信號R－Y、B－Y， 最后發送端將亮度和色差三個信號分別進行編碼，用同一信道發送出去。這就是我們常用的YUV色彩空間。 采用YUV色彩空間的重要性是它的亮度信號Y和色度信號U、V是分離的。如果只有Y信號分量而沒有U、V分量， 那么這樣表示的圖就是黑白灰度圖。彩色電視采用YUV空間正是為了用亮度信號Y解決彩色電視機與黑白電視機 的兼容問題，使黑白電視機也能接收彩色信號。根據美國國家電視制式委員會，NTSC制式的標準，當白光的 亮度用Y來表示時，它和紅、綠、藍三色光的關系可用如下式的方程描述：Y＝0.3R+0.59G+0.11B 這就是常用 的亮度公式。色差U、V是由B－Y、R－Y按不同比例壓縮而成的。如果要由YUV空間轉化成RGB空間，只要進行 相反的逆運算即可。與YUV色彩空間類似的還有Lab色彩空間，它也是用亮度和色差來描述色彩分量，其中L為 亮度、a和b分別為各色差分量。

YUV、YCbCr:該顏色空間主要是基于人眼對亮度比對色度敏感這一特性而來的，將顏色分量和亮度分量分離開來。早期的黑白電視機和彩色電視機的原理也是有此而來的，具體轉換公式可以參照ITU標準公式。

RGB三顏色分量轉換為YUV422之后，圖像的數據量便減少了1/3,如果是YUV420，則數據量便減少了一半。常用這種轉換后的數據進行圖像壓縮編碼。

也有一些圖像邊緣增強的算法，在此顏色空間展開。主要是因為色彩信息和亮度信息分離開來了。

CMYK顏色空間

CMYK(cyan,magenta,yellow)顏色空間應用于印刷工業,印刷業通過青(C)、品(M)、黃(Y)三原色油墨的不同 網點面積率的疊印來表現豐富多彩的顏色和階調，這便是三原色的CMY顏色空間。實際印刷中，一般采用青 (C)、品(M)、黃(Y)、黑(BK)四色印刷，在印刷的中間調至暗調增加黑版。當紅綠藍三原色被混合時，會產生 白色，但是當混合藍綠色、紫紅色和黃色三原色時會產生黑色。既然實際用的墨水并不會產生純正的顏色， 黑色是包括在分開的顏色，而這模型稱之為CMYK。CMYK顏色空間是和設備或者是印刷過程相關的，則工藝方法、 油墨的特性、紙張的特性等，不同的條件有不同的印刷結果。所以CMYK顏色空間稱為與設備有關的表色空間。 而且，CMYK具有多值性，也就是說對同一種具有相同絕對色度的顏色，在相同的印刷過程前提下，可以用分種 CMYK數字組合來表示和印刷出來。這種特性給顏色管理帶來了很多麻煩，同樣也給控制帶來了很多的靈活性。 在印刷過程中，必然要經過一個分色的過程，所謂分色就是將計算機中使 用的RGB顏色轉換成印刷使用的CMYK 顏色。在轉換過程中存在著兩個復雜的問題，其一是這兩個顏色空間在表現顏色的范圍上不完全一樣，RGB的 色域較大而CMYK則較小，因此就要進行色域壓縮；其二是這兩個顏色都是和具體的設備相關的，顏色本身沒有 絕對性。因此就需要通過一個與設備無關的顏色空間來進行轉換，即可以通過以上介紹的XYZ或LAB色空間來 進行轉換。

CMY顏色空間

CMY是一種顏料混合配色體系

RGB是一種光混合配色體系C - Cyan青〈互補色〉 R - Red紅M - Magenta品紅〈互補色〉 G - Green綠Y - Yellow黃〈互補色〉 B - Blue藍

工業印刷中用前一種配色體系（因為是用顏料印刷），但是如果用CMY來配黑色的話很難，往往配出的是一種灰黑色，所以實際應用時還單獨有黑色，即K - 黑色，故而工業中實用的印刷使用CMYK體系。

·C和R相反，M和G相反，Y和B相反

其他顏色模型：

HSL顏色空間HSL(hue,saturation,lightness)顏色空間，這個顏色空間都是用戶臺式機圖形程序的顏色表示， 用六角形錐體表示自己的顏色模型。

HSB顏色空間HSB(hue,saturation,brightness)顏色空間，這個顏色空間都是用戶臺式機圖形程序的顏色表示， 用六角形錐體表示自己的顏色模型。

Ycc顏色空間柯達發明的顏色空間,由于PhotoCd在存儲圖像的時候要經過一種模式壓縮，所以 PhotoCd采用了 Ycc顏色空間，Ycc空間將亮度作由它的主要組件，具有兩個 單獨的顏色通道，采用Ycc顏色空間 來保存圖像，可以節約存儲空間。

XYZ顏色空間國際照明委員會(CIE)在進行了大量正常人視覺測量和統計,1931年建立了"標準色度觀察者"， 從而奠定了現代CIE標準色度學的定量基礎。由于"標準色度觀察者"用來標定光譜色時出現負刺激值，計算不便，也不易理解，因此1931年CIE在RGB 系統基礎上，改用三個假想的原色X、Y、 Z建立了一個新的色度系統。將它匹配等能光譜的三刺激值，定名為"CIE1931 標準色度觀察者 光譜三刺激值"，簡稱為"CIE1931標準色度觀察者"。這一系統叫做"CIE1931標準色度系統"或稱為" 2° 視場XYZ色度系統"。CIEXYZ顏色空間稍加變換就可得到Yxy色彩空間，其中Y取三刺激值中Y的值， 表示亮度，x、y反映顏色的色度特性。定義如下：在色彩管理中，選擇與設備無關的顏色空間是 十分重要的，與設備無關的顏色空間由國際照明委員會(CIE)制定，包括CIEXYZ和CIELAB兩個標準。 它們包含了人眼所能辨別的全部顏色。而且，CIEYxy測色制的建立給定量的確定顏色創造了條件。 但是，在這一空間中，兩種不同顏色之間的距離值并不能正確地反映人們色彩感覺差別的大小， 也就是說在CIEYxy色廈圖中，在 不同的位置不同方向上顏色的寬容量是不同的，這就是Yxy顏色空間 的不均勻性。這一缺陷的存在，使得在Yxy及XYZ空間不能直觀地評價顏色。