顏色空間

顏色空間也稱彩色模型(又稱彩色空間或彩色系統）它的用途是在某些標準下用通常可接受的方式對彩色加以說明。

基本介紹

• 中文名：顏色空間
• 外文名：顏色空間
• 別名：彩色模型
• 套用：對彩色加以說明
• 科目：測繪科學
• 分類：RGB等

簡介

本質上，彩色模型是坐標系統和子空間的闡述。位於系統的每種顏色都有單個點表示。採用的大多數顏色模型都是面向硬體或面向套用的。顏色空間從提出到現在已經有上百種，大部分只是局部的改變或專用於某一領域。科學研究中有不少邏輯性等方面比HSХ更高的顏色空間。

顏色空間有許多種，常用有RGB，CMY，HSV,HSI等。

RGB（紅綠藍）是依據人眼識別的顏色定義出的空間，可表示大部分顏色。但在科學研究一般不採用RGB顏色空間，因為它的細節難以進行數位化的調整。它將色調，亮度，飽和度三個量放在一起表示，很難分開。它是最通用的面向硬體的彩色模型。該模型用於彩色監視器和一大類彩色視頻攝像。

CMY是工業印刷採用的顏色空間。它與RGB對應。簡單的類比RGB來源於是物體發光，而CMY是依據反射光得到的。具體套用如印表機：一般採用四色墨盒，即CMY加黑色墨盒。

HSV,HSI兩個顏色空間都是為了更好的數位化處理顏色而提出來的。有許多種HSX顏色空間，其中的X可能是V,也可能是I，依據具體使用而X含義不同。H是色調，S是飽和度，I是強度。

L*a*b顏色空間用於計算機色調調整和彩色校正。它獨立於設備的彩色模型實現。這一方法用來把設備映射到模型及模型本社的彩色分布質量變化。

等能量的藍、綠、紅三原色分別作為X、Y、Z軸構成顏色空間

顏色空間

分類

RGB

RGB是通過紅綠藍三原色來描述顏色的顏色空間，R=Red、G=Green、B=Blue。

RGB顏色空間以R(Red紅)、G(Green綠)、B(Blue藍)三種基本色為基礎，進行不同程度的疊加，產生豐富而廣泛的顏色，所以俗稱三基色模式。在大自然中有無窮多種不同的顏色，而人眼只能分辨有限種不同的顏色，RGB模式可表示一千六百多萬種不同的顏色，在人眼看來它非常接近大自然的顏色，故又稱為自然色彩模式。紅綠藍代表可見光譜中的三種基本顏色或稱為三原色，每一種顏色按其亮度的不同分為256個等級。當色光三原色重疊時，由於不同的混色比例能產生各種中間色，例如，三原色相加可產生白色。所以RGB模式是加色過程。螢幕顯示的基礎是RGB模式，彩色印刷品卻無法用RGB模式來產生各種彩色，所以，RGB模式常用於視頻、多媒體與網頁設計。

YIQ

YIQ色彩空間屬於NTSC系統。這裡Y是指顏色的明視度，即亮度。其實Y就是圖像灰度值，I和Q都指的是指色調，即描述圖像色彩與飽和度的屬性。YIQ顏色空間具有能將圖像中的亮度分量分離提取出來的優點，並且YIQ顏色空間與RGB顏色空間之間是線性變換的關係，計算量小，聚類特性也比較好，可以適應光照強度不斷變化的場合，因此能夠有效地用於彩色圖像處理。

RGB和YIQ的對應關係用下面的方程式表示：

橙子RGB圖像、NTSC圖像與YIQ各分量圖像

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B

I = 0.596R - 0.275G - 0.321B

Q = 0.212R - 0.523G + 0.311B

優缺點

RGB顏色空間是圖像處理中最基本、最常用、面向硬體的顏色空間。我們採集到的彩色圖像，一般就是被分成R、G、B的成分加以保存的。然而，自然環境下獲取的果實圖像容易受自然光照、葉片遮擋和陰影等情況的影響，即對亮度比較敏感。而RGB顏色空間的分量與亮度密切相關，即只要亮度改變，3個分量都會隨之相應地改變。所以，RGB顏色空間適合於顯示系統，卻並不適合於圖像處理。另一方面，HSI變換與RGB變換都是非線性變換，耗時多，無法滿足機器手進行採摘工作的實時性需要。L*a*b*顏色空間可以直接通過使用顏色空間內的幾何距離來做不同顏色之間的比較分析，所以可以有效地、方便地用在測量較小的色差上。可是儘管非線性變換空間可以消除其各個顏色分量之間存在的相關性，可用於數字圖像處理，但因為是非線性變換，所以計算量比較大，並且顏色空間同樣存在奇異點的問題。

其它相關

顏色空間

YUV是通過亮度-色差來描述顏色的顏色空間。

亮度信號經常被稱作Y，色度信號是由兩個互相獨立的信號組成。視顏色系統和格式不同，兩種色度信號經常被稱作UV或PbPr或CbCr。這些都是由不同的編碼格式所產生的，但是實際上，他們的概念基本相同。在DVD中，色度信號被存儲成Cb和Cr（C代表顏色，b代表藍色，r代表紅色）。

分配比例

在十年中，視頻工程師發現人眼對色度的敏感程度要低於對亮度的敏感程度。在生理學中，有一條規律，那就是人類視網膜上的視網膜桿細胞要多於視網膜錐細胞，說得通俗一些，視網膜桿細胞的作用就是識別亮度，而視網膜錐細胞的作用就是識別色度。所以，你的眼睛對於亮和暗的分辨要比對顏色的分辨精細一些。正是因為這個，在我們的視頻存儲中，沒有必要存儲全部顏色信號。既然眼睛看不見，那為什麼要浪費存儲空間（或者說是金錢）來存儲它們呢？

像Beta或VHS之類的消費用錄像帶就得益於將錄像帶上的更多頻寬留給黑—白信號（被稱作“亮度”），將稍少的頻寬留給彩色信號（被稱作“色度”）。

在MPEG2（也就是DVD使用的壓縮格式）當中，Y、Cb、Cr信號是分開儲存的（這就是為什麼分量視頻傳輸需要三條電纜）。其中Y信號是黑白信號，是以全解析度存儲的。但是，由於人眼對於彩色信息的敏感度較低，色度信號並不是用全解析度存儲的。

YUV 4:4:4

色度信號解析度最高的格式是4:4:4，也就是說，每4點Y採樣，就有相對應的4點Cb和4點Cr。這種格式主要套用在視頻處理設備內部，避免畫面質量在處理過程中降低。當圖像被存儲到Master Tape，比如D1或者D5，的時候，顏色信號通常被削減為4:2:2。

YUV 4:4:4採樣概念圖

YUV 4:2:2

其次就是4:2:2，每4點Y採樣，就有2點Cb和2點Cr。在這裡，每個象素都有與之對應的亮度採樣，同時一半的色度採樣被丟棄，所以我們看到，色度採樣信號每隔一個採樣點才有一個。就像上面提到的那樣，人眼對色度的敏感程度不如亮度，大多數人並不能分辨出4:2:2和4:4:4顏色構成的畫面之間的不同。

YUV 4:2:2採樣概念圖

YUV 4:2:0

概念上4:2:0顏色格式非交錯畫面中亮度、色度採樣信號的排列情況。同4:2:2格式一樣，每條掃描線中，只有一半的色度採樣信息。同時，YUV 4:2:0是所有採樣方式中顏色解析度最低的一種。

請注意，在4:2:0顏色格式中，色度採樣被放在了兩條掃描線中間。為什麼會這樣呢？很簡單：DVD糟上的顏色採樣是由其上下兩條掃描線的顏色信息“平均”而來的。比如，圖三中，第一行顏色採樣（Line 1和Line 2中間夾著的那行）是由Line 1和Line 2“平均”得到的，第二行顏色採樣（Line 3和Line 4中間夾著的那行）也是同樣的道理，是由Line 3和Line 4得到的。

雖然文章中多次提到“平均”這個概念，但是這個“平均”可不是我們通常意義上的(a+B)/2的平均。顏色的處理有極其複雜的算法保證其最大限度地減少失真，接近原始質量。

事實上4:2:0是一個混亂的稱呼，按照字面上理解，4:2:0應該是每4點Y採樣，就有2點Cb和0點Cr，但事實上完全不是這樣。舉個例子，如果整張畫面的尺寸是720*480，那么亮度信號是720*480，色度信號只有360*240。誠然，4:4:4的效果很棒，但是如果要用4:4:4存儲一部電影，我們的DVD糟的直徑至少要有兩英尺（六十多厘米）！

非交錯的YUV 4:2:0概念圖

包裝格式

在個人計算機上，這些YUV讀出來以後會以一些格式包裝起來，送給軟體或硬體處理。包裝的方式分成兩種，一種是Packed format，把Y和相對應的UV包在一起。另一種是Planar format，把Y和U和V三種分別包裝，拆成三個plane（平面）。

其中YV12和YUY2都是一種YUV的包裝格式，YV12是Planar format，YUY2則是Packed format。

YV12和YUY2的不同，在於YV12是YUV 4:2:0格式，也就是DVD/VCD上原本儲存的格式。YUY2則是YUV 4:2:2格式。