圖像處理算法——RGB顏色空間

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(tǒng)，彩色陰極射線(xiàn)管,彩色光柵圖形的顯示器 都使用R、G、B數(shù)值來(lái)驅(qū)動(dòng)R、G、B 電子槍發(fā)射電子，并分別激發(fā)熒光屏上的R、G、B三種顏色的熒光粉發(fā)出不同亮度的光線(xiàn)，并通過(guò)相加混合產(chǎn)生各種顏色；掃描儀也是通過(guò)吸收原稿經(jīng)反射或透射而發(fā)送來(lái) 的光線(xiàn)中的R、G、B成分，并用它來(lái)表示原稿的顏色。RGB色彩空間稱(chēng)為與設(shè)備相關(guān)的色彩空間，因?yàn)椴煌膾呙鑳x掃描同一幅圖像，會(huì)得到不同色彩的圖像數(shù)據(jù)；不同型號(hào)的顯示器顯示同一幅圖像，也會(huì)有不同 的色彩顯示結(jié)果。顯示器和掃描儀使用的RGB空間與CIE 1931 RGB真實(shí)三原色表色系統(tǒng)空間是不同的，后者 是與設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色空間。btw：Photoshop的色彩選取器(Color Picker)?？梢燥@示HSB、RGB、LAB和CMYK 色彩空間的每一種顏色的色彩值。

在計(jì)算機(jī)技術(shù)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(jué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的模型。根據(jù)人眼睛的結(jié)構(gòu)，所有的顏色都可以看成三個(gè)基本顏色-紅色(red)、綠色(green)和藍(lán)色(blue)的不同組合，大部分顯示器都采用這種顏色模型。對(duì)一幅三通道彩色數(shù)字圖像對(duì)每個(gè)圖像像素(x,y)，需要指出三個(gè)矢量分量R、G、B;

根據(jù)美國(guó)國(guó)家電視制式委員會(huì)NTSC制式的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)白色的亮度用Y來(lái)表示是，它和紅基色（R）、綠基色（G）、藍(lán)基色（B）的關(guān)系可用如下的方程等式描述：

圖1 RGB彩色空間

圖2 人視網(wǎng)膜中三種不同視錐細(xì)胞的光譜相對(duì)敏感性

RGB對(duì)應(yīng)到顯示器的三個(gè)刺激值，組成三維正交坐標(biāo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中任何顏色都落入RGB彩色立方體內(nèi)，在RGB顏色模型中，黑色在原點(diǎn)處，白色位于離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的角上，灰度級(jí)沿著這兩點(diǎn)的連線(xiàn)分布，每一個(gè)分量圖像都是其原色圖像。

RGB顏色空間最大的優(yōu)點(diǎn)就是適合于顯示系統(tǒng)，直觀且容易理解。但是對(duì)彩色描述上的應(yīng)用還有以下不足：

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

(2) 在RGB顏色系統(tǒng)中，三個(gè)顏色分量之間是高度相關(guān)的，即只要亮度改變，三個(gè)分量都會(huì)相應(yīng)的改變，如果一個(gè)顏色的某一個(gè)分量發(fā)生了一定程度的改變，那么這顏色很可能也要發(fā)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(duì)于三個(gè)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(lái)度量，其結(jié)果與人眼視覺(jué)會(huì)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(gè)常用的顏色空間，它從人的視覺(jué)系統(tǒng)出發(fā)，用色調(diào)（Hue）、飽和度（Saturation或Chroma）和亮度（Intensity或Brightness）來(lái)描述顏色。HIS顏色空間可以用圖3的圓錐空間模型來(lái)描述。其中，色調(diào)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(lán)色，表示品紅色。飽和度S是HIS彩色空間中軸線(xiàn)到彩色點(diǎn)的半徑長(zhǎng)度，彩色點(diǎn)離軸線(xiàn)的距離越近，表示顏色的白光越多。強(qiáng)度I用軸線(xiàn)方向上的高度表示，圓錐體的軸線(xiàn)描述了灰度級(jí)，強(qiáng)度最小值時(shí)為黑色，強(qiáng)度最大值時(shí)為白色。每個(gè)和軸線(xiàn)正交的切面上的點(diǎn)，其強(qiáng)度值都是相等的。

HSV(hue,saturation,value)顏色空間的模型對(duì)應(yīng)于圓柱坐標(biāo)系中的一個(gè)圓錐形子集，圓錐的頂面對(duì)應(yīng)于V=1. 它包含RGB模型中的R=1，G=1，B=1 三個(gè)面，所代表的顏色較亮。色彩H由繞V軸的旋轉(zhuǎn)角給定。紅色對(duì)應(yīng)于 角度0° ，綠色對(duì)應(yīng)于角度120°，藍(lán)色對(duì)應(yīng)于角度240°。在HSV顏色模型中，每一種顏色和它的補(bǔ)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(gè)子集，這個(gè) 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(diǎn)(即原點(diǎn))處，V=0,H和S無(wú)定義， 代表黑色。圓錐的頂面中心處S=0，V=1,H無(wú)定義，代表白色。從該點(diǎn)到原點(diǎn)代表亮度漸暗的灰色，即具有不同 灰度的灰色。對(duì)于這些點(diǎn)，S=0,H的值無(wú)定義?？梢哉f(shuō)，HSV模型中的V軸對(duì)應(yīng)于RGB顏色空間中的主對(duì)角線(xiàn)。 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(duì)應(yīng)于畫(huà)家配色的方法。畫(huà)家用改變色濃和 色深的方法從某種純色獲得不同色調(diào)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(shí) 加入不同比例的白色，黑色即可獲得各種不同的色調(diào)。前面這一大段我相信看起來(lái)也比較費(fèi)勁，雖然已經(jīng)盡力準(zhǔn)確的去解釋了，但我還是建議具體使用請(qǐng)著重?cái)?shù)學(xué)公式，結(jié)合圖示理解 ,效果更佳。

色相 (Hue)：指物體傳導(dǎo)或反射的波長(zhǎng)。更常見(jiàn)的是以顏色如紅色，橘色或綠色來(lái)辨識(shí)，取 0 到 360 度的數(shù)值來(lái)衡量。

飽和度 (Saturation)：又稱(chēng)色度，是指色彩的強(qiáng)度或純度。飽和度代表灰色與色調(diào)的比例，并以 0% (灰色) 到 100% (完全飽和) 來(lái)衡量。

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

雖然這種描述HIS顏色空間的圓錐模型相當(dāng)復(fù)雜，但卻能把色調(diào)、亮度和飽和度的變化情形表現(xiàn)得很清楚。通常把色調(diào)和飽和度通稱(chēng)為色度，用來(lái)表示顏色的類(lèi)別與深淺程度。由于人的視覺(jué)對(duì)亮度的敏感程度遠(yuǎn)強(qiáng)于對(duì)顏色濃淡的敏感程度，為了便于顏色處理和識(shí)別，經(jīng)常采用HIS顏色空間，它比RGB顏色空間更符合人的視覺(jué)特性。在圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)中大量算法都可在HIS顏色空間上使用，它們可以分開(kāi)處理而且是相互獨(dú)立的。因此，在HIS顏色空間可以大大簡(jiǎn)化圖像分析和處理的工作量。

必須說(shuō)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(jìn)行彩色圖像分割有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(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(gè)均勻性彩色區(qū)域都對(duì)應(yīng)一個(gè)相一致的色度和飽和度，色度和飽和度能夠被用來(lái)進(jìn)行獨(dú)立于亮度的彩色區(qū)域分割。

(2) I分量與顏色信息無(wú)關(guān)。

Lab 顏色空間

Lab顏色空間是由CIE（國(guó)際照明委員會(huì)）制定的一種色彩模式。自然界中任何一點(diǎn)色都可以在Lab空間中表達(dá)出來(lái)，它的色彩空間比RGB空間還要大。另 外，這種模式是以數(shù)字化方式來(lái)描述人的視覺(jué)感應(yīng)， 與設(shè)備無(wú)關(guān)，所以它彌補(bǔ)了RGB和CMYK模式必須依賴(lài)于設(shè)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(biāo)Lab，其中L亮度；a的正數(shù)代表紅色，負(fù)端代表綠色；b的正數(shù)代表黃色， 負(fù)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)照明委員會(huì)于1931年建立了一系列表示可見(jiàn)光譜的顏色空間標(biāo)準(zhǔn)。它有三個(gè)基本量，用X、Y、Z表示，通過(guò)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(xiàn)性表示出來(lái)，相對(duì)于RGB顏色空間，XYZ顏色空間幾乎能包含人類(lèi)能夠感覺(jué)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(chǔ)上又有了CIE-Lab，CIE-Luv等顏色空間。國(guó)際照明委員會(huì)制定了Lab顏色空間，人類(lèi)所能感覺(jué)到的任何顏色都可以在Lab顏色空間中表示出來(lái)，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(lái)衡量?jī)煞N顏色的差異性。這種模式是以數(shù)字化的方式來(lái)描述人的視覺(jué)感覺(jué)，它與顯示器的色移、輸出設(shè)備以及其他設(shè)備無(wú)關(guān)。Lab系統(tǒng)是一個(gè)優(yōu)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(fù)方向代表綠色，b的正方向代表黃色，負(fù)方向代表藍(lán)色。Lab顏色空間由XYZ轉(zhuǎn)換而得

圖5 CIE-Lab彩色空間

YUV顏色空間

在現(xiàn)代彩色電視系統(tǒng)中，通常采用三管彩色攝像機(jī)或彩色CCD（點(diǎn)耦合器件）攝像機(jī)，它把攝得的彩色圖像 信號(hào)，經(jīng)分色、分別放大校正得到RGB，再經(jīng)過(guò)矩陣變換電路得到亮度信號(hào)Y和兩個(gè)色差信號(hào)R－Y、B－Y， 最后發(fā)送端將亮度和色差三個(gè)信號(hào)分別進(jìn)行編碼，用同一信道發(fā)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(hào)Y和色度信號(hào)U、V是分離的。如果只有Y信號(hào)分量而沒(méi)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(hào)Y解決彩色電視機(jī)與黑白電視機(jī) 的兼容問(wèn)題，使黑白電視機(jī)也能接收彩色信號(hào)。根據(jù)美國(guó)國(guó)家電視制式委員會(huì)，NTSC制式的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)白光的 亮度用Y來(lái)表示時(shí)，它和紅、綠、藍(lán)三色光的關(guān)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(zhuǎn)化成RGB空間，只要進(jìn)行 相反的逆運(yùn)算即可。與YUV色彩空間類(lèi)似的還有Lab色彩空間，它也是用亮度和色差來(lái)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(duì)亮度比對(duì)色度敏感這一特性而來(lái)的，將顏色分量和亮度分量分離開(kāi)來(lái)。早期的黑白電視機(jī)和彩色電視機(jī)的原理也是有此而來(lái)的，具體轉(zhuǎn)換公式可以參照ITU標(biāo)準(zhǔn)公式。

RGB三顏色分量轉(zhuǎn)換為YUV422之后，圖像的數(shù)據(jù)量便減少了1/3,如果是YUV420，則數(shù)據(jù)量便減少了一半。常用這種轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像壓縮編碼。

也有一些圖像邊緣增強(qiáng)的算法，在此顏色空間展開(kāi)。主要是因?yàn)樯市畔⒑土炼刃畔⒎蛛x開(kāi)來(lái)了。

CMYK顏色空間

CMYK(cyan,magenta,yellow)顏色空間應(yīng)用于印刷工業(yè),印刷業(yè)通過(guò)青(C)、品(M)、黃(Y)三原色油墨的不同 網(wǎng)點(diǎn)面積率的疊印來(lái)表現(xiàn)豐富多彩的顏色和階調(diào)，這便是三原色的CMY顏色空間。實(shí)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(diào)至暗調(diào)增加黑版。當(dāng)紅綠藍(lán)三原色被混合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生 白色，但是當(dāng)混合藍(lán)綠色、紫紅色和黃色三原色時(shí)會(huì)產(chǎn)生黑色。既然實(shí)際用的墨水并不會(huì)產(chǎn)生純正的顏色， 黑色是包括在分開(kāi)的顏色，而這模型稱(chēng)之為CMYK。CMYK顏色空間是和設(shè)備或者是印刷過(guò)程相關(guān)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(jié)果。所以CMYK顏色空間稱(chēng)為與設(shè)備有關(guān)的表色空間。 而且，CMYK具有多值性，也就是說(shuō)對(duì)同一種具有相同絕對(duì)色度的顏色，在相同的印刷過(guò)程前提下，可以用分種 CMYK數(shù)字組合來(lái)表示和印刷出來(lái)。這種特性給顏色管理帶來(lái)了很多麻煩，同樣也給控制帶來(lái)了很多的靈活性。 在印刷過(guò)程中，必然要經(jīng)過(guò)一個(gè)分色的過(guò)程，所謂分色就是將計(jì)算機(jī)中使 用的RGB顏色轉(zhuǎn)換成印刷使用的CMYK 顏色。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在著兩個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，其一是這兩個(gè)顏色空間在表現(xiàn)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(jìn)行色域壓縮；其二是這兩個(gè)顏色都是和具體的設(shè)備相關(guān)的，顏色本身沒(méi)有 絕對(duì)性。因此就需要通過(guò)一個(gè)與設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色空間來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即可以通過(guò)以上介紹的XYZ或LAB色空間來(lái) 進(jìn)行轉(zhuǎn)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(bǔ)色〉 R - Red紅M - Magenta品紅〈互補(bǔ)色〉 G - Green綠Y - Yellow黃〈互補(bǔ)色〉 B - Blue藍(lán)

工業(yè)印刷中用前一種配色體系（因?yàn)槭怯妙伭嫌∷ⅲ?，但是如果用CMY來(lái)配黑色的話(huà)很難，往往配出的是一種灰黑色，所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)還單獨(dú)有黑色，即K - 黑色，故而工業(yè)中實(shí)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(gè)顏色空間都是用戶(hù)臺(tái)式機(jī)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(gè)顏色空間都是用戶(hù)臺(tái)式機(jī)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(dá)發(fā)明的顏色空間,由于PhotoCd在存儲(chǔ)圖像的時(shí)候要經(jīng)過(guò)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(gè) 單獨(dú)的顏色通道，采用Ycc顏色空間 來(lái)保存圖像，可以節(jié)約存儲(chǔ)空間。

XYZ顏色空間國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)在進(jìn)行了大量正常人視覺(jué)測(cè)量和統(tǒng)計(jì),1931年建立了"標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者"， 從而奠定了現(xiàn)代CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)的定量基礎(chǔ)。由于"標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者"用來(lái)標(biāo)定光譜色時(shí)出現(xiàn)負(fù)刺激值，計(jì)算不便，也不易理解，因此1931年CIE在RGB 系統(tǒng)基礎(chǔ)上，改用三個(gè)假想的原色X、Y、 Z建立了一個(gè)新的色度系統(tǒng)。將它匹配等能光譜的三刺激值，定名為"CIE1931 標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者 光譜三刺激值"，簡(jiǎn)稱(chēng)為"CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者"。這一系統(tǒng)叫做"CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)"或稱(chēng)為" 2° 視場(chǎng)XYZ色度系統(tǒng)"。CIEXYZ顏色空間稍加變換就可得到Y(jié)xy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(shè)備無(wú)關(guān)的顏色空間是 十分重要的，與設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色空間由國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)制定，包括CIEXYZ和CIELAB兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。 它們包含了人眼所能辨別的全部顏色。而且，CIEYxy測(cè)色制的建立給定量的確定顏色創(chuàng)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(jué)差別的大小， 也就是說(shuō)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(píng)價(jià)顏色。