色彩空間介紹

       顏色模型是指某個三維顏色空間中的一個可見光子集,它包含某個顏色域的全部顏色。如咱們所熟知的三原色光模式.三原色光模式（RGB color model），又稱RGB顏色模型或紅綠藍顏色模型，是一種加色模型，將紅（Red）、綠（Green）、藍（Blue）三原色的色光以不一樣的比例相加，以產生多種多樣的色光(如圖1所示)。

圖1

    在大多數的彩色圖形顯示設備通常都是使用紅、綠、藍三原色，咱們的真實感圖形學中的主要的顏色模型也是RGB模型，可是紅、綠、藍顏色模型用起來不太方便，它與直觀的顏色概念如色調、飽和度和亮度等沒有直接的聯繫。爲了更便於顏色的直觀表示,一些學者提出了其它的顏色模型,如HSV、HSI、CHL、LAB、CMY等。

RGB顏色模型

     RGB（Red, Green, Blue）顏色模型一般使用於彩色陰極射線管等彩色光柵圖形顯示設備中，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，並分別激發熒光屏上的R、G、B三種顏色的熒光粉 發出不一樣亮度的光線，並經過相加混合產生各類顏色。RGB顏色模型稱爲與設備相關的顏色模型，RGB顏色模型所覆蓋的顏色域取決於顯示設備熒光點的顏色特性，是與硬件相關的。它是咱們使用最多，最熟悉的顏色模型。它採用三維直角座標系。紅、綠、藍原色是加性原色，各個原色混合在一塊兒能夠產生複合色。RGB顏色模型一般採用如圖2所示的單位立方體來表示。在正方體的主對角線上，各原色的強度相等，產生由暗到明的白色，也就是不一樣的灰度值。目前在計算機硬件中採起每一象素用24比特表示的方法,（0，0，0）爲黑色，（255，255，255）爲白色。正方體的其餘六個角點分別爲紅、黃、綠、青、藍和品紅。

圖2 (RGB顏色模型映射到一個立方體上。水平的x軸表明紅色，向左增長。y軸表明藍色，

向右下方向增長。豎直的z軸表明綠色，向上增長。原點表明黑色，遮擋在立方體背面。)

HSL(HSV或HSB)顏色模型

     HSL 和 HSV（也叫HSB）是對RGB 色彩空間中點的兩種有關係的表示，它們嘗試描述比 RGB 更準確的感知顏色聯繫，並仍保持在計算上簡單。

H指hue（色相）、S指saturation（飽和度）、L指lightness（亮度）、V指value(色調)、B指brightness（明度）。色相（H）:是色彩的基本屬性，就是日常所說的顏色名稱，如紅色、黃色等。飽和度（S）:是指色彩的純度，越高色彩越純，低則逐漸變灰，取0-100%的數值。

明度（V），亮度（L）:取0-100%。這種表示方法相似於人類感受顏色的方式，具備較強的感知度,以人類更熟悉的方式封裝了關於顏色的信息：「這是什麼顏色？深淺如何？明暗如何？」。

HSL 和 HSV 兩者都把顏色描述在圓柱座標系內的點，這個圓柱的中心軸取值爲自底部的黑色到頂部的白色而在它們中間是的灰色，繞這個軸的角度對應於「色相」，到這個軸的距離對應於「飽和度」，而沿着這個軸的高度對應於「亮度」，「色調」或「明度」。

圖3 HSV的圖形描述

圖4 HSL雙圓錐圖形描述

從 RGB 到 HSL 或 HSV 的轉換

    設 (r, g, b) 分別是一個顏色的紅、綠和藍座標，它們的值是在 0 到 1 之間的實數。設 max 等價於 r, g 和 b 中的最大者。設 min 等於這些值中的最小者。要找到在 HSL 空間中的 (h, s, l) 值，這裏的 h ∈ [0, 360）度是角度的色相角，而 s, l ∈ [0,1] 是飽和度和亮度，計算爲：

    h 的值一般規範化到位於 0 到 360°之間。而 h = 0 用於 max = min 的（就是灰色）時候而不是留下 h 未定義。

    HSL 和 HSV 有一樣的色相定義，可是其餘份量不一樣。HSV 顏色的 s 和 v 的值定義以下：

從 HSL 到 RGB 的轉換

    給定 HSL 空間中的 (h, s, l) 值定義的一個顏色，帶有 h 在指示色相角度的值域 [0, 360）中，分別表示飽和度和亮度的 s 和 l 在值域 [0, 1] 中，相應在 RGB 空間中的 (r, g, b) 三原色，帶有分別對應於紅色、綠色和藍色的 r, g 和 b 也在值域 [0, 1] 中，它們可計算爲：

    首先，若是 s = 0，則結果的顏色是非彩色的、或灰色的。在這個特殊狀況，r, g 和 b 都等於 l。注意 h 的值在這種狀況下是未定義的。

    當 s ≠ 0 的時候，可使用下列過程：

從 HSV 到 RGB 的轉換

給定在 HSV 中 (h, s, v) 值定義的一個顏色，帶有如上的 h，和分別表示飽和度和明度的 s 和 v 變化於 0 到 1 之間，在 RGB 空間中對應的 (r, g, b) 三原色能夠計算爲(R,G,B變化於 0 到 1 之間)：

對於每一個顏色向量 (r, g, b),

RGB顏色空間和HSL和HSV顏色空間比較:

HSI顏色模型

    HSI色彩空間是從人的視覺系統出發，用色調（Hue）、色飽和度（Saturation或Chroma）和亮度 （Intensity或Brightness）來描述色彩。HSI色彩空間能夠用一個圓錐空間模型來描述。用這種 描述HIS色彩空間的圓錐模型至關複雜，但確能把色調、亮度和色飽和度的變化情形表現得很清楚。 一般把色調和飽和度通稱爲色度，用來表示顏色的類別與深淺程度。因爲人的視覺對亮度的敏感 程度遠強於對顏色濃淡的敏感程度，爲了便於色彩處理和識別，人的視覺系統常常採用HSI色彩空間， 它比RGB色彩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均可在HSI色彩空間中 方便地使用，它們能夠分開處理並且是相互獨立的。所以，在HSI色彩空間能夠大大簡化圖像分析 和處理的工做量。HSI色彩空間和RGB色彩空間只是同一物理量的不一樣表示法，於是它們之間存在着轉換關係。

CMYK顏色模型

      CMYK（Cyan, Magenta, Yellow:印刷四分色模式）顏色空間應用於印刷工業.

印刷四分色模式是彩色印刷時採用的一種套色模式，利用色料的三原色混色原理，加上黑色油墨，共計四種顏色混合疊加，造成所謂「全綵印刷」。四種標準顏色是：

C：Cyan ＝ 青色，在英文的翻譯裏是名詞‘青綠色’。

M：Magenta ＝ 品紅色，又稱爲‘洋紅色’。

Y：Yellow ＝ 黃色。

K：blacK ＝ 黑色，爲了不與RGB的Blue藍色混淆而改稱K。

圖5 理想的印刷四分色標準

    從三原色光模式能夠轉換成印刷模式，印刷品仍然能夠再轉換成三原色光模式顯示。

從四分色向三原光轉換

轉換成三分色

轉換成三原色光

也就是

從三原光向四分色轉換

先轉換成三分色

若，則

不然，再轉換成四分色

YUV顏色模型

     YUV（亦稱YCbCr）是被歐洲電視系統所採用的一種顏色編碼方法（屬於PAL）。在現代彩色電視系統中，一般採用三管彩色攝影機或彩色CCD攝影機進行取像，而後把取得的彩色圖像信號經分色、分別放大校訂後獲得RGB，再通過矩陣變換電路獲得亮度信號Y和兩個色差信號R－Y（即U）、B－Y（即V），最後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。這種色彩的表示方法就是所謂的YUV色彩空間表示。

    採用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。若是隻有Y信號份量而沒有U、V份量，那麼這樣表示的圖像就是黑白灰度圖像。彩色電視採用YUV空間正是爲了用亮度信號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電視信號。

    YUV與RGB相互轉換的公式以下（RGB取值範圍均爲0-255）︰ 
　　Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B 
　　U = -0.147R - 0.289G + 0.436B 
　　V = 0.615R - 0.515G - 0.100B 
　　R = Y + 1.14V 
　　G = Y - 0.39U - 0.58V 
　　B = Y + 2.03U

YCC顏色模型

     YCbCr 有時會稱爲 YCC. Y'CbCr 在模擬份量視頻（analog component video）中也常被稱爲 YPbPr。一般會用於影片中的影像連續處理，或是數位攝影系統中。Y'爲顏色的亮度(luma)成分、而CB和CR則爲藍色和紅色的濃度偏移量成份。

      YCbCr不是一種絕對色彩空間，是YUV壓縮和偏移的版本。YCbCr的 Y 與 YUV 中的Y含義一致，Cb 和Cr 與UV一樣都指色彩，Cb指藍色色度，Cr指紅色色度，在應用上很普遍，JPEG、MPEG、DVD、攝影機、數位電視等皆採此一格式。所以通常俗稱的YUV大可能是指YCbCr。YCbCr格式有：4∶4∶4 ,4∶2∶2 ,4∶1∶1 和4∶2∶0.

   圖6 一個彩色影像的圖和一個彩色影像只有 Y 成份的圖、只有 Cb 成份的圖、和只有 Cr 成份的圖。

Lab 顏色模型

    Lab 色彩空間是顏色-對立空間，帶有維度 L 表示亮度，a 和 b 表示顏色對立維度，基於了非線性壓縮的 CIE XYZ 色彩空間座標。

    Lab顏色模型是由CIE(國際照明委員會)制定的一種色彩模式。天然界中任何一點色均可以在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，因此它彌補了RGB和CMYK模式必須依賴於設備色彩特性的不足。 因爲Lab的色彩空間要 比RGB模式和CMYK模式的色彩空間大。這就意味着RGB以及CMYK所能描述的色彩信息在Lab空間中都能得以影射。Lab顏色模型取座標Lab，其中L亮度；a的正數表明紅色，負端表明綠色；b的正數表明黃色， 負端表明蘭色.

附:

各類顏色空間的轉換公式:http://www.easyrgb.com/index.php?X=MATH;

色彩空間參考:http://en.wikipedia.org/wiki/Color_space.