顏色直方圖

顏色直方圖是在許多圖像檢索系統中被廣泛採用的顏色特徵。它所描述的是不同色彩在整幅圖像中所占的比例，而並不關心每種色彩所處的空間位置，即無法描述圖像中的對象或物體。顏色直方圖特別適於描述那些難以進行自動分割的圖像。

基本介紹

• 中文名：顏色直方圖
• 類別：全局顏色直方圖，累加顏色直方圖
• 特點：廣泛採用的顏色特徵
• 方法：主色調直方圖方法

概念

直方圖中的數值都是統計而來，描述了該圖像中關於顏色的數量特徵，可以反映圖像顏色的統計分布和基本色調;直方圖只包含了該圖像中某一顏色值出現的頻數，而丟失了某象素所在的空間位置信息;任一幅圖像都能唯一的給出一幅與它對應的直方圖，但不同的圖像可能有相同的顏色分布，從而就具有相同的直方圖，因此直方圖與圖像是一對多的關係;如將圖像劃分為若干個子區域，所有子區域的直方圖之和等於全圖直方圖;一般情況下，由於圖像上的背景和前景物體顏色分布明顯不同，從而在直方圖上會出現雙峰特性，但背景和前景顏色較為接近的圖像不具有這個特性。

顏色直方圖

類別

全局顏色直方圖：反映的是圖像中顏色的組成分布，即出現了哪些顏色以及各種顏色出現的機率，Swain 和 Ballard最先提出了使用顏色直方圖作為圖像顏色特徵的表示方法。他們還指出:顏色直方圖相對於圖像的以觀察軸為軸心的旋轉以及幅度不大的平移和縮放等幾何變換是不敏感的，顏色直方圖對於圖像質量的變化(如模糊)也不甚敏感。顏色直方圖的這種特性使得它比較適合於檢索圖像的全局顏色相似性的場合，即通過比較顏色直方圖的差異來衡量兩幅圖像在顏色全局分布上的差異。

累加顏色直方圖：當圖像中的特徵並不能取遍所有可取值時，統計直方圖中會出現一些零值。這些零值的出現會對相似性度量的計算帶來影響，從而使得相似性度量並不能正確反映圖像之間的顏色差別。為解決這個問題，在全局直方圖的基礎上，Stricker和Orengo進一步提出了使用“累加顏色直方圖”的概念。在累加直方圖中，相鄰顏色在頻數上是相關的。相比一般直方圖，雖然累加直方圖的存儲量和計算量有很小的增加，但是累加直方圖消除了一般直方圖中常見的零值，也克服了一般直方圖量化過細過粗檢索效果都會下降的缺陷。一般的顏色直方圖由於顏色空間是三維的，具有相同的三通道獨立分布，但其聯合分布並不為一。這種不考慮聯合分布的方法，會導致在結果集中不相似的圖像數目增加。因此便產生了1x3D的顏色直方圖，設三個通道的量化級數分別是l、m、n，則總的量化級數K=lxmxn。這種方法雖然克服了一維的缺點，但顏色解析度較低，而特徵維數較高。對於一般的直方圖特徵維數是K=l+m+n，因此1x3D直方圖的高維數，給特徵處理帶來了極大的不便。因此便想到了量化直方圖。考慮到不同顏色空間的特性，各通道對人眼的視覺重要程度不同，可以對不同的顏色通道給於不同的量化級數。預先給定量化級數，用聯合的方法建立直方圖比較簡單，但是卻存在以下的不足：首先，沒有考慮圖像本身的特點；其次，沒有考慮顏色空間的特點，l、m、n的不同取值，不足以反映不同顏色空間的3D分布情況；最後，顏色集合的代表性差。

方法

主色調直方圖方法：考慮到量化直方圖的上述問題便產生了主色調直方圖的方法。因一幅圖像中，往往少數幾種顏色就涵蓋了圖像的大多數像素，而且不同顏色在圖像中的出現機率是不同的，因此，可以通過統計圖像中各種顏色出現的機率，選出最頻繁出現的幾種做為主色。使用主色並不會降低顏色匹配的效果，因為顏色直方圖中出現頻率很低的那些顏色往往不是圖像的主要內容，從某種程度上講，是對圖像內容表示的一種噪聲。

細分

顏色直方圖可以是基於不同的顏色空間和坐標系。最常用的顏色空間是RGB顏色空間，原因在於大部分的數字圖像都是用這種顏色空間表達的。然而，RGB空間結構並不符合人們對顏色相似性的主觀判斷。因此，有人提出了基於HSV空間、Luv空間和Lab空間的顏色直方圖，因為它們更接近於人們對顏色的主觀認識。其中HSV空間是直方圖最常用的顏色空間。它的三個分量分別代表色彩（Hue）、飽和度（Saturation）和值（Value）。

RGB

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，並分別激發螢光屏上的R、G、B三種顏色的螢光粉發出不同亮度的光線，並通過相加混合產生各種顏色；掃瞄器也是通過吸收原稿經反射或透射而傳送來的光線中的R、G、B成分，並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,因為不同的掃瞄器掃描同一幅圖像，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。顯示器和掃瞄器使用的RGB空間與CIE 1931 RGB真實三原色表色系統空間是不同的，後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。

photoshop中的RGB顏色直方圖

HSV

HSV顏色空間：HSV(hue,saturation,value)顏色空間的模型對應於圓柱坐標系中的一個圓錐形子集，圓錐的頂面對應於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。紅色對應於角度0° ，綠色對應於角度120°，藍色對應於角度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，其純度一般小於百分之百。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。對於這些點，S=0,H的值無定義。可以說，HSV模型中的V軸對應於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模型對應於畫家配色的方法。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。

CMYK

CMYK顏色空間：CMYK(cyan,magenta,yellow)顏色空間套用於印刷工業,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，一般採用青 (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。既然實際用的墨水並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複雜的問題，其一是這兩個顏色空間在表現顏色的範圍上不完全一樣，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。

HSL

HSL顏色空間：HSL(hue,saturation,lightness)顏色空間，色相hue,飽和度saturation,亮度lightness/luminance, 也稱HLS或HSI（I指intensity）與 HSV非常相似，僅用亮度（lightness）替代了明度（brightness）。二者區別在於，一種純色的明度等於白色的明度，而純色的亮度等於中度灰的亮度。

HSB

HSB顏色空間：HSB(hue,saturation,brightness)顏色空間，這個顏色空間都是用戶台式機圖形程式的顏色表示， 用六角形錐體表示自己的顏色模型。

HSI

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色彩空間可以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相當複雜，但確能把色調、亮度和色飽和度的變化情形表現得很清楚。 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。由於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，為了便於色彩處理和識別，人的視覺系統經常採用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都可在HSI色彩空間中 方便地使用，它們可以分開處理而且是相互獨立的。因此，在HSI色彩空間可以大大簡化圖像分析 和處理的工作量。HSI色彩空間和RGB色彩空間只是同一物理量的不同表示法，因而它們之間存在著 轉換關係。

Ycc

柯達發明的顏色空間,由於PhotoCd在存儲圖像的時候要經過一種模式壓縮，所以 PhotoCd採用了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，採用Ycc顏色空間來保存圖像，可以節約存儲空間。

XYZ

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。由於"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並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。

Lab

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，這種模式是以數位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模式必須依賴於設備色彩特性的不足。 由於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

YUV

YUV顏色空間：在現代彩色電視系統中，通常採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，最後傳送端將亮度和色差三個信號分別進行編碼，用同一信道傳送出去。這就是我們常用的YUV色彩空間。 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。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。彩色電視採用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、藍三色光的關係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。