2.3 图像的色彩空间

为了用计算机来表示和处理颜色，必须采用定量的方法来描述颜色，即建立颜色模型来支持数字图像的生成、存储、处理及显示。为了方便对彩色图像的研究，研究者建立了多种色彩空间，对应不同的色彩空间需要做不同的处理和转换。目前广泛采用的颜色模型有三大类，即计算颜色模型、工业颜色模型和视觉颜色模型。计算颜色模型又称为色度学颜色模型，主要应用于纯理论研究和计算推导；工业颜色模型侧重于实际的实现技术，广泛应用于计算机图形学和图像处理中，其通常采用RGB基色体系。视觉色彩模型主要应用于人机交互研究与相关设备的研制。

2.3.1 RGB色彩空间

美国国家电视系统委员会（NTSC）为显示器上显示彩色图像而提出的RGB彩色系统模型是最重要的工业颜色模型。RGB彩色系统构成了一个三维的彩色空间（R，G，B）坐标系中的一个立方体。R、G、B是彩色空间的三个坐标轴，每个坐标都量化为0～255，0对应最暗，255对应最亮。这样所有的颜色都将位于一个边长为256的立方体内。彩色立方体中任意一点（r，g，b）都对应一种颜色，黑色（0，0，0）位于坐标系原点，其中，0≤r≤255，0≤g≤255，0≤b≤255，如图2.3.1所示。

RGB颜色空间是图像处理中最基础的颜色模型，它是在配色实验的基础上建立起来的，RGB颜色空间建立的主要依据是人的眼睛有红、绿、蓝三种色感细胞，它们的最大感光灵敏度分别落在红色、绿色和蓝色区域，其合成的光谱响应就是视觉曲线，由此推出任何彩色都可以用红、绿、蓝三种基色来配置。

2.3.2 HSV色彩空间

如图2.3.2所示，HSV（Hue，Saturation，Value）色彩空间的模型对应于圆柱坐标系中的一个圆锥形子集，圆锥的顶面对应于V=1。它包含RGB模型中的R=1、G=1、B=1三个面，所代表的颜色较亮。色调H由绕V轴的旋转角给定。红色对应于角度0°，绿色对应于角度120°，蓝色对应于角度240°。在HSV颜色模型中，每一种颜色和它的补色相差180°。饱和度S取值为0～1，所以圆锥顶面的半径为1。在圆锥的顶点（原点）处，V=0，H和S无定义，代表黑色；圆锥的顶面中心处，S=0，V=1，H无定义，代表白色，从该点到原点代表亮度渐暗的灰色，即具有不同灰度的灰色，对于这些点，S=0，H的值无定义。可以说，HSV模型中的V轴对应于RGB颜色空间的主对角线。在圆锥顶面的圆周上的颜色，V=1，S=1，这种颜色是纯色。

由于HSV模型可以只用反映色彩本质特性的色度、饱和度来进行各种颜色的聚类，将亮度信息和灰度信息从色彩中提取出去，从而去掉光照的影响，将颜色和亮度分开处理，使程序具有更强的鲁棒性，比RGB模型具有更好的识别效果。色度和饱和度属性能比较准确地反映颜色种类，对外界光照条件的变化敏感程度低。

颜色从RGB到HSV转换为非线性变换，其转换关系为

其中，r、g、b分别为图像的三基色的灰度值；h、s、v分别为图像的色度、饱和度、亮度。

2.3.3 YUV空间

YUV色彩空间利用了人眼对亮度信息更加敏感的特点，把由视觉传感器采集得到的彩色图像信号经分色分别放大校正得到RGB图像，再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y和两个色差信号B-Y（Cb）、R-Y（Cr），最后发送端将亮度和两色差三个信号分别进行编码，用同一信道发送出去，用公式表示为

其中，Kr、Kg、Kb为加权因子。显然，Cb+Cr+Cg=常数，因此，只要知道Cb、Cr、Cg中两项即可。因此，RGB空间转换为YUV空间可以通过下面的公式来转换

YUV空间到RGB空间的转换公式为

其中，Kb=0.114，Kr=0.299。

YUV空间中，常用的格式有4:4:4、4:2:2、4:2:0等。以4:2:2的格式为例，它对每个像素的亮度Y进行采集，而对色差U和V则每两个像素采集一次，其在内存中的存放格式如表2.3.1所示。

2.3.4 HSI色彩空间

HSI颜色空间从人的视觉系统出发，用色调（Hue）、色饱和度（Saturation或Chroma）和亮度（Intensity或Brightness）来描述色彩。HSI颜色空间可以用一个圆锥空间模型来描述。

通常把色调饱和度通称为色度，用来表示颜色的类别与深浅程度。由于人的视觉对亮度的敏感程度远强于对颜色浓淡的敏感程度，为了便于色彩处理和识别，人的视觉系统经常采用HSI颜色空间，它比RGB颜色空间更符合人的视觉特性。在图像处理和计算机视觉中，大量算法都可以在HSI颜色空间中方便地使用，由于H、S、I三个分量相互独立，可以将它们分开处理。因此，使用HSI颜色空间可以大大减少图像分析和处理的工作量。

RGB色彩空间和HSI色彩空间可以相互转换。假设R、G和B分别代表RGB颜色空间的三个分量，HSI空间的三个分量H、S和I计算公式为

其中，。

2.3.5 灰度空间

颜色可分为黑白色和彩色。黑白色不包含任何的彩色成分，仅由黑色和白色组成。在RGB颜色模型中，如果R=G=B，则颜色（R，G，B）表示一种黑白颜色，其中R=G=B的值叫作灰度值，所以黑白色又叫作灰度颜色。彩色和灰度之间可以互相转化，由彩色转化为灰度的过程叫作灰度化处理。

灰度化就是使彩色的R、G、B分量值相等的过程。由于R、G、B的取值范围是0～255，所以灰度的级别只有256级，即灰度图像仅能表现256种颜色（灰度）。

灰度化处理的方法有如下三种。

（1）最大值法：使R、G、B的值等于3值中最大的一个。最大法会形成很高亮度图像。

（2）平均值法：使R、G、B的值等于求出平均值。平均值法会形成较柔和的灰度图像。

（3）加权平均法：根据重要性或其他指标给R、G、B赋予不同的权值，并使R、G、B的值加权平均，即

R=G=B=（WrR+WgG+WbB）/3

其中，Wr、Wg、Wb分别为R、G、B的权值。Wr、Wg、Wb取不同的值，加权平均法就将形成不同的灰度图像。由于人眼对绿色的敏感度最高，红色次之，对蓝色的敏感度最低，因此，使Wr＞Wg＞Wb将得到合理的灰度图像。

2.3.6 Lab色彩空间

Lab色彩模式可以说是最大范围的色彩模式，是一种与设备无关的色彩空间，无论使用何种设备（如显示器、打印机、计算机或扫描仪）创建或输出图像，这种模型都能生成一致的颜色，在Photoshop中进行RGB与CMYK模式的转换都要利用Lab模式作为中间过渡模式来进行，只是大家平时看不到它在工作。Lab模式在任何时间、地点、设备都具有唯一性，因此在色彩管理中它是重要的表色体系。Lab的色彩理论是建立在人对色彩感觉的基础上，Lab色彩理论认为，在一个物体中，红色和绿色两种原色不能同时并存，黄色和蓝色两种原色也不能同时并存。

Lab色彩模型用三组数值表示色彩：

（1）L：亮度数值，为0～100。

（2）a：红色和绿色两种原色之间的变化区域，数值为-120～+120。

（3）b：黄色到蓝色两种原色之间的变化区域，数值为-120～+120。