各种颜色空间介绍

颜色空间color space
颜色空间是颜色集合的数学表示。

三种最常用的颜色模型是：RGB（用于计算机图形学中）；YIQ、YUV或YCbCr（用于视频系统中）；CMYK（用于彩色打印）。

为了更好的理解颜色模型，先介绍几个基本的颜色概念。

亮度(lightness or intensity or luminance)：亮度是光作用于人眼所引起的明亮程度的感觉，它与被观察物体的发光强度有关。

主要表现光的强和弱。

色调(hue)：色调是当人眼看一种或多种波长的光时所产生的色彩感觉，它反映颜色的种类，是决定颜色的基本特征。

饱和度(saturation)：饱和度是指颜色的纯度即掺入白光的程度，表示颜色深浅的程度。

例如：红色 + 白色 = 粉红色饱和度下降，同时色调发生变化
需要说明的是，由于上面所提到的三种最常用的颜色模型与亮度、色度、饱和度这些直接概念没有直接的关系。

所以又提出了其他的颜色空间模型，比如HSI和HSV，来简化编程和操作。

RGB颜色空间
由于彩色显示器采用红、绿和蓝来生成目标颜色，所以RGB颜色空间是计算机图形学最通常的选择，这样可以简化系统的构架与设计。

可以用三维的笛卡尔坐标系统来表示RGB颜色空间，如图3-1。

而表3-1包含的RGB 值具有100%的幅度、100%的饱和度，是8个标准的视频测试信号。

但是，当处理图像时，使用RGB颜色空间并不是很有效。

例如，为了修改给定像
素的亮度，必须同时从帧缓冲区中读出RGB三个分量，然后重新计算给定亮度对应的RGB值，执行相应的修改后再写回帧缓冲区。

如果我们能够访问到直接以亮度格式存储的图像，那这个处理过程会简单很多。

RGB颜色空间的另一个缺点是，要在RGB颜色立方体中生成任何一种颜色，三个RGB分量都需要占用相同的带宽。

这就使得每个RGB颜色分量的帧缓冲需要同样的像素深度和现实分辨率。

RGB颜色空间存在许多种不同类型的实现，下面只介绍其中三种，即sRGB、Adobe RGB和scRGB，为了方便说明，先引入CIE 1931色度图。

上面这幅图像，有一个“舌形”色域空间，是人眼能够辨别的色彩空间，它的边缘围绕一道从波长从380到700（毫微米）的光谱，中间就是用红、绿、蓝三种颜色按不同比例调配出来的颜色。

这幅图的巧妙之外在于它通过“归一化”，用两维平面来表示三个数据。

X轴是红色的比例，Y轴是绿色的比例，而Z轴是蓝色的比例，虽然Z轴没有画出来，但它的比例数据可以很方便地计算出来。

比方红是0.2，绿是0.3，那么蓝就是0.5。

因为它们三者加起来必须等于1。

10年前，微软和惠普推出一个叫standard RGB的色域标准（sRGB），是一个基于32位PC机的标准。

从上面的图片看到，它只是人眼能辨别的色彩空间（舌形色域）的一部分，人眼能辨别的好多色彩它都无法显示。

但这个标准还是被广泛接受。

我们现在在使用的显示器、扫描仪、打印机、数码相机，许多都使用这个标准。

大概过了两年，Adobe推出了Adobe RGB标准，色域要比sRGB的范围更宽广，这几年
有好多上述设备采用了这一标准，然而它们都无法覆盖人眼可见的色域范围。

2003年，微软又推出了scRGB色域标准，它大大拓展了色域范围，不仅全部复盖人眼可见的色域范围，还把空间扩展了很多。

其16位的精度也大大超过8位的sRGB，从下面的图片中我们可以看到它们的区别。

YUV颜色空间
YUV是PAL制式和SECAM制式采用的颜色空间，其中Y代表亮度，UV代表色度。

“亮度”是通过RGB输入信号来建立的，方法是将RGB信号的特定部分叠加到一起。

“色度”则定义了颜色的两个方面，色调(hue)与饱和度(saturation)，分别用Cr和Cb来表示。

其中，Cr 反映了RGB输入信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异。

而Cb反映的是RGB输入信号蓝色部分与RGB信号亮度值之同的差异。

gamma校准的RGB与YUV颜色空间的转换的公式如下:
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
U = -0.147R - 0.289G + 0.436B
=0.492(B-Y)
V = 0.615R - 0.515G - 0.100B
=0.877(R-Y)
R = Y + 1.140V
G = Y - 0.395U - 0.581V
B = Y + 2.032U
通常所说的YCbCr颜色空间实际上就是YUV颜色空间的缩放和偏移版本，YCbCr进行了图像子采样。

YIQ颜色空间
YIQ是NTSC制式采用的颜色空间。

在YIQ系统中，Y分量代表图像的亮度信息，I、Q 两个分量则携带颜色信息，I分量代表从橙色到青色的颜色变化，而Q分量则代表从紫色到黄绿色的颜色变化。

gamma校准的RGB与YIQ颜色空间的转换的公式如下:
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
I = 0.596R - 0.275G - 0.321B
= 0.736(R-Y) - 0.268(B-Y)
Q = 0.212R - 0.523G + 0.311B
= 0.478(R-Y) - 0.413(B-Y)
R = Y + 0.956I + 0.621Q
G = Y - 0.272I + 0.647Q
B = Y - 1.107I + 1.704Q
CMYK颜色空间
CMYK也称作印刷色彩模式，顾名思义就是用来印刷的。

CMY是3种印刷油墨名称的首字母：青色Cyan、洋红色Magenta、黄色Yellow。

而K取的是black最后一个字母，之所以不取首字母，是为了避免与蓝色(Blue)混淆。

从理论上来说，只需要CMY三种油墨就足够了，它们三个加在一起就应该得到黑色。

但是由于目前制造工艺还不能造出高纯度的油墨，CMY 相加的结果实际是一种暗红色。

因此还需要加入一种专门的黑墨来调和。

CMYK和RGB相比有一个很大的不同：RGB模式是一种发光的色彩模式，你在一间黑暗的房间内仍然可以看见屏幕上的内容；CMYK是一种依靠反光的色彩模式，CMYK颜色模式的基础并不是增加光线,而是减去光线。

我们是怎样阅读报纸的内容呢？是由阳光或灯光照射到报纸上，再反射到我们的眼中，才看到内容。

它需要由外界光源，如果你在黑暗房间内是无法阅读报纸的。

xvYCC颜色空间
xvYCC颜色空间是对基本的YCbCr的色域进行扩展后得到的颜色空间，它使得颜色数目多了1.8倍。

xvYCC规范使用BT.709色度标准和D65参考白色。

scRGB和xvYCC颜色空间之间有公式可以相互转换。

HDM I正在用色域边界描述元数据的方式传输xvYCC视频数据。

PhotoYCC颜色空间
PhotoYCC是柯达公司的一个商标，是为了对Photo CD图像数据进行编码开发的颜色标准。

目的就是要建立一个与现实设备无关的颜色空间。

PhotoYCC和RGB颜色空间之间可以通过公式进行转换。

它的颜色模型如下图：
HSI、HLS和HSV颜色空间
HSI (hue、saturation、intensity) 和HSV (hue、saturation、value) 颜色空间在设计上使得颜色感知和解释的方式与人很接近，在需要手动指定颜色值时经常需要使用它们。

HLS (hue、lightness、saturation) 类似于HSI，只是使用了术语lightness，而不是光强度intensity来表示亮度。

HSI和HSV颜色空间的差异在于亮度分量(I or V)的计算方式。

HSI颜色空间适合传统的图像处理函数，如卷积、均化、直方图等，可以通过处理亮度值来实现这些操作，因为亮度I对R、G、B值的依赖程度是一样的。

HSV颜色空间适合处理色度和饱和度，因为它使得饱和度具有更大的动态取值范围。

HSV使用单六角锥的颜色模型，HSI使用双六角锥的颜色模型，分别如下图：。