色彩空间介绍

色彩空间

色彩空间也称色彩模型(又称色彩空间或色彩系统）它的用途是在某些标准下用通常可接受的方式对彩色加以说明。本质上，色彩模型是坐标系统和子空间的阐述。位于系统的每种色彩都有单个点表示。采用的大多数色彩模型都是面向硬件或面向应用的。色彩空间从提出到现在已经有上百种，大部分只是局部的改变或专用于某一领域。色彩空间有许多种，常用有RGB，YUV，HSV，HSI等。

RGB色彩模型

RGB色彩模型基于三原色学说：视网膜存在三种视锥细胞，分别含有对红、绿、蓝三种光线敏感的视色素，当一定波长的光线作用于视网膜时，以一定的比例使三种视锥细胞分别产生不同程度的兴奋，这样的信息传至大脑中枢就产生某一种颜色的感觉。在大自然中有无穷多种不同的颜色，而人眼只能分辨有限种不同的颜色，RGB模式可表示一千六百多万种不同的颜色，在人眼看来它非常接近大自然的颜色。

RGB色彩模型的优点：

· 图像直观，容易理解；

· 便于硬件实现，现代显示屏一般基于RGB模型；

· 引入位分辨率(颜色深度)，指一个像素中，每个颜色分量的比特数。位分辨率决定了色彩等级，8bit数据每个颜色分量就有256种。

RGB色彩模型的缺点：

·RGB3分量是高度相关的，即如果一个颜色的某一个分量发生了一定程度的改变，那么这个颜色很可能要发生改变；

·人眼对于常见的红绿蓝三色的敏感程度是不一样的，因此RGB色彩空间的均匀性非常差，且两种颜色之间的知觉差异色差不能表示为该色彩空间中两点间的距离

YUV色彩模型

YCbCr颜色空间，又常被称作YUV颜色空间，是用于数字电视的颜色空间，在ITU-R BT.601、BT.709、BT.2020标准中被明确定义，这三种标准分别针对标清、高清、超高清数字电视。

Y表示明亮度(Luminance或Luma)，也就是灰阶值；Cb（U）、Cr（V）表示色度，描述颜色的色调与饱和度。其中Cr反映RGB中红色部分与Y亮度值之间的差异；Cb则反映蓝色部分与亮度值之间的差异。在广播电视中，使用YCbCr可解决黑白电视和彩色电视之间的信号兼容问题。

采用YUV色彩空间的重要性是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。如果只有Y信号分量而没有U、V信号分量，表示的是黑白灰度图像。

YUV格式通常有两大类：

打包(packedformats)格式和平面(planar format)格式。

打包格式将YUV分量存放在同一个数组中，通常是几个相邻的像素组成一个宏像素(macro-pixel)，和RGB的存放方式类似，在这种格式下每个像素点的YUV数据混合放在一个矩阵中。平面格式使用三个数组分开存放YUV三个分量，先连续存储所有像素点的Y，紧接着存储所有像素点的U，随后是所有像素点的V。YUV码流的存储格式与其采样方式有密切的关系，主流的采样方式有三种：YUV4:4:4、YUV4:2:2、YUV4:2:0

下面三个图比较直观的显示了三种采样方式。其中黑点表示采样像素点的Y分量，空心圆表示采样像素点的UV分量。

YUV 4:4:4采样，每一个Y对应一组UV分量。

YUV 4:2:2采样，每两个Y共用一组UV分量。 

YUV 4:2:0采样，每四个Y共用一组UV分量。

HSV色彩模型

HSV(Hue, Saturation, Value)HSV颜色空间比RGB更接近人们对彩色的感知经验，非常直观地表达颜色的色调、鲜艳程度和明暗程度，是根据颜色的直观特性由A. R. Smith在1978年创建的一种色彩空间, 也称六角锥体模型(Hexcone Model)。这个模型中颜色的参数分别是：色调、色相(Hue)，饱和度(Saturation)），明度(Value)。

色调H：用角度度量，取值范围为0°～360°，从红色开始按逆时针方向计算，红色为0°，绿色为120°,蓝色为240°。它们的补色是：黄色为60°，青色为180°，紫色为300°。

饱和度S：表示颜色接近光谱色的程度。一种颜色，可以看成是某种光谱色与白色混合的结果。其中光谱色所占的比例愈大，颜色接近光谱色的程度就愈高，颜色的饱和度也就愈高。饱和度高，颜色则深而艳。光谱色的白光成分为0，饱和度达到最高。通常取值范围为0%～100%，值越大，颜色越饱和。

明度V：表示颜色明亮的程度，对于光源色，明度值与发光体的光亮度有关；对于物体色，此值和物体的透射比或反射比有关。通常取值范围为0%（黑）到100%（白）。