颜⾊空间：RGB，CMY，HSV，HSL，Lab，YUV详解 ⼀．颜⾊空间及分类
（⼀）颜⾊空间
颜⾊常⽤颜⾊空间来表⽰。颜⾊空间是⽤⼀种数学⽅法形象化表⽰颜⾊，⼈们⽤它来指定和产⽣颜⾊。例如，对于⼈来说，我们可以通过⾊调、饱和度和明度来定义颜⾊；对于显⽰设备来说，⼈们使⽤红、绿和蓝磷光体的发光量来描述颜⾊；对于打印或者印刷设备来说，⼈们使⽤青⾊、品红⾊、黄⾊和⿊⾊的反射和吸收来产⽣指定的颜⾊。 颜⾊空间通常⽤3维模型表⽰，空间中的颜⾊能够看到或者使⽤颜⾊模型产⽣。颜⾊空间中的颜⾊通常⽤代表3个参数的3维坐标来描述，其颜⾊要取决于所使⽤的坐标。 为说明颜⾊空间的概念，图06-02-1表⽰使⽤⾊调、饱和度和明度构造的⼀种颜⾊空间，称为HSB(hue, saturation and brightness)颜⾊空间。⾊调⽤⾓度来标定，通常红⾊标为0o，青⾊标为180o；在径向⽅向上饱和度的深浅⽤离开中⼼线的距离表⽰；明度⽤垂直轴表⽰。
图06-02-1⾊调-饱和度-明度颜⾊空间
颜⾊空间有设备相关和设备⽆关之分。设备相关的颜⾊空间是指颜⾊空间指定⽣成的颜⾊与⽣成颜⾊的设备有关。例如，RGB颜⾊空间是与显⽰系统相关的颜⾊空间，计算机显⽰器使⽤RGB来显⽰颜⾊，⽤像素值(例如，R＝250,G＝123,B＝23)⽣成的颜⾊将随显⽰器的亮度和对⽐度的改变⽽改变。设备⽆关的颜⾊空间是指颜⾊空间指定⽣成的颜⾊与⽣成颜⾊的设备⽆关，例如，CIE L*a*b*颜⾊空间就是设备⽆关的颜⾊空间，它建筑在HSV(hue, saturation and value)颜⾊空间的基础上，⽤该空间指定的颜⾊⽆论在什么设备上⽣成的颜⾊都相同。 现在，⼈们已经构造了各种各样的颜⾊空间，以适应不同的应⽤场合。
在⼀个典型的多媒体计算机系统中，常常涉及到⽤⼏种不同的颜⾊空间表⽰图形和图像的颜⾊，以对应于不同的场合和应⽤。因此，数字图像的⽣成、存贮、处理及显⽰时对应不同的颜⾊空间需要作不同的处理和转换。
（⼆）颜⾊空间分类
从颜⾊感知的⾓度来分类，颜⾊空间可考虑分成如下三类：
Ø 混合(mixture)型颜⾊空间：按三种基⾊的⽐例合成颜⾊。例如，RGB，CMY(K)和XYZ等颜⾊空间就属于这种类型。
Ø ⾮线性亮度/⾊度(luma/chroma)型颜⾊空间：⽤⼀个分量表⽰⾮⾊彩的感知，⽤两个独⽴的分量表⽰⾊彩的感知。当需要⿊⽩图像时，这样的系统⾮常⽅便。例如，L*a*b, L*u*v，YUV 和YIQ 就属于这种类型。
Ø 强度/饱和度/⾊调(intensity/saturation/hue)型颜⾊空间：⽤饱和度和⾊度描述⾊彩的感知，可使颜⾊的解释更直观，⽽且对消除光亮度的影响很有⽤。例如，HSI, HSL, HSV 和LCH 等。
从技术上⾓度区分，颜⾊空间可考虑分成如下三类：
Ø RGB 型颜⾊空间/计算机图形颜⾊空间：这类模型主要⽤于电视机和计算机的颜⾊显⽰系统。例如，RGB，HSI, HSL 和HSV 等颜⾊空间。在显⽰技术和印刷技术中，颜⾊空间经常被称为颜⾊模型(color mode)。“颜⾊空间”侧重于颜⾊的表⽰，⽽“颜⾊模型”侧重于颜⾊的⽣成。
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Ø XYZ 型颜⾊空间/CIE颜⾊空间：这类颜⾊空间是由国际照明委员会定义的颜⾊空间，通常作为国际性的颜⾊空间标准，⽤作颜⾊的基本度量⽅法。国际照明委员会定义的颜⾊空间是与设备⽆关的颜⾊表⽰法，在科学计算中得到⼴泛应⽤。对不能直接相互转换的两个颜⾊空间，可利⽤这类颜⾊空间作为过渡性的颜⾊空间，例如，CIE 1931 XYZ，L*a*b，L*u*v和LCH 等颜⾊空间就可作为过渡性的转换空间。
Ø YUV 型颜⾊空间/电视系统颜⾊空间：由⼴播电视需求的推动⽽开发的颜⾊空间，主要⽬的是通过压缩⾊度信息以有效地播送彩⾊电视图像。例如，YUV，YIQ，ITU-R BT.601 Y'CbCr, ITU-R BT.709 Y'CbCr 和SMPTE-240M Y'PbPr等颜⾊空间。
从分量贡献上区分，颜⾊空间可考虑分成如下三类：
加法模型：如RGB模型，⽤不同强度的红、绿和蓝相加来产⽣各种颜⾊；CIE⾊度模型，⽤x和y相加来产⽣各种颜⾊.
减法模型：如CMY(K)，YUV模型。
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混合模型
⼆．⼏种典型的颜⾊空间
（⼀）CIE⾊度模型
国际照明委员会（CIE，Commission Internationale de L'Eclairage / International Commission on Illumination）的⾊度模型是最早使⽤的模型之⼀。它是三维模型，其中，x和y两维定义颜⾊，第3维定义亮度。
CIE 在1976 年规定了两种颜⾊空间。⼀种是⽤于⾃照明的颜⾊空间，叫做CIE LUV（图06-02-2）。
图06-02-2 CIE 1976 Lu’v’⾊度图
另⼀种⽤于⾮⾃照明的颜⾊空间，叫做CIE 1976 L*a*b*，或者叫CIE LAB。CIE LAB 系统使⽤的坐标叫做对⾊坐标(opponent color coordinate)，如图06-02-3 所⽰。CIELAB 使⽤b*, a *和 L*坐标轴定义CIE 颜⾊空间。其中，L*值代表光亮度，其值从0(⿊
⾊)~100(⽩⾊)。b*和a*代表⾊度坐标，其中a*代表红-绿轴，b*代表黄-蓝轴，它们的值从0到10。a*= b*= 0表⽰⽆⾊，因此L*就代表从⿊到⽩的⽐例系数。使⽤对⾊坐标（opponet color coordinate）的想法来⾃这样的概念：颜⾊不能同时是红和绿，或者同时是黄和蓝，但颜⾊可以被认为是红和黄、红和蓝、绿和黄以及绿和蓝的组合。
图06-02-3 CIE LAB 颜⾊空间
CIE XYZ 是国际照明委员会在1931 年开发并在1964年 修订的CIE 颜⾊系统(CIE Color System)，该系统是其他颜⾊系统的基础。它使⽤相应于红、绿和蓝三种颜⾊作为三种基⾊，⽽所有其他颜⾊都从这三种颜⾊中导出。通过相加混⾊或者相减混⾊，任何⾊调都可以使⽤不同量的基⾊产⽣。CIE 1931 ⾊度图(CIE 1931 Chromaticity Diagram)，如图06-02-4(a)所⽰，图(b)是它的轮廓图。图(a)中的A点在⾊度图上的坐标是x ＝0.4832，y ＝0.3045，它的颜⾊与红苹果的颜⾊相匹配。
图06-02-4 CIE 1931
钢碗图06-02-4 CIE 1931⾊度图是⽤标称值表⽰的CIE ⾊度图，x 表⽰红⾊分量，y 表⽰绿⾊分量。图中的E 点代表⽩光，它的坐标为(0.33，0.33)；环绕在颜⾊空间边沿的颜⾊是光谱⾊，边界代表光谱⾊的最⼤饱和度，边界上的数字表⽰光谱⾊的波长，其轮廓包含所有的感知⾊调。所有单⾊光都位于⾆形曲线上，这条曲线就是单⾊轨迹，曲线旁标注的数字是单⾊(或称光谱⾊)光的波长值；⾃然界中各种实际颜⾊都位于这条闭合曲线内；RGB系统中选⽤的物理三基⾊在⾊度图的⾆形曲线上。
（⼆） RGB颜⾊空间
计算机颜⾊显⽰器显⽰颜⾊的原理与彩⾊电视机⼀样，都是采⽤R、G、B相加混⾊的原理，通过发射出三种不同强度的电⼦束，使屏幕内侧覆盖的红、绿、蓝磷光材料发光⽽产⽣颜⾊的。这种颜⾊的表⽰⽅法称为RGB颜⾊空间表⽰。在多媒体计算机技术中，⽤得最多的是RGB颜⾊空间表⽰（图06-01-9）。
根据三基⾊原理，⽤基⾊光单位来表⽰光的量，则在RGB颜⾊空间，任意⾊光F都可以⽤R、G、B三⾊不同分量的相加混合⽽成：
F＝r [ R ] + g [ G ] + b [ B ]
RGB颜⾊空间还可以⽤⼀个三维的⽴⽅体来描述（图06-02-5）。
图06-02-5 RGB颜⾊空间
我们可知⾃然界中任何⼀种⾊光都可由R、G、B三基⾊按不同的⽐例相加混合⽽成，当三基⾊分量都为0（最弱）时混合为⿊⾊光；当三基⾊分量都为k（最强）时混合为⽩⾊光。任⼀颜⾊F是这个⽴⽅体坐标中的⼀点，调整三⾊系数r、g、b中的任⼀系数都会改变F的坐标值，也即改变了F的⾊值。RGB颜⾊空间采⽤物理三基⾊表⽰，因⽽物理意义很清楚，适合彩⾊显像管⼯作。然⽽这⼀体制并不适应⼈的视觉特点。因⽽，产⽣了其他不同的颜⾊空间表⽰法。
（三）HSI颜⾊空间
HSI（Hue，Saturation and Intensity）颜⾊空间是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）来描述颜⾊。HSI颜⾊空间可以⽤⼀个圆锥空间模型来描述（图06-02-6）。
图06-02-6 HSI颜⾊圆锥空间模型
⽤这种描述HIS颜⾊空间的圆锥模型相当复杂，但确能把⾊调、亮度和⾊饱和度的变化情形表现得很清楚。其中：
（A）HSI圆锥空间模型
（B）线条⽰意图：圆锥上亮度、⾊度和饱和度的关系。
喷淋洗眼器（C）纵轴表⽰亮度：亮度值是沿着圆锥的轴线度量的，沿着圆锥轴线上的点表⽰完全不饱和的颜⾊，按照不同的灰度等级，最亮点为纯⽩⾊、最暗点为纯⿊⾊。
（D）圆锥纵切⾯：描述了同⼀⾊调的不同亮度和饱和度关系。
（E）圆锥横切⾯：⾊调H为绕着圆锥截⾯度量的⾊环，圆周上的颜⾊为完全饱和的纯⾊，⾊饱和度为穿过中⼼的半径横轴。
通常把⾊调和饱和度通称为⾊度，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，为了便于颜⾊处理和识别，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在HSI颜⾊空间中⽅便地使⽤，它们可以分开处理⽽且是相互独⽴的。因此，在HSI颜⾊空间可以⼤⼤简化图像分析和处理的⼯作量。
HSI颜⾊空间和RGB颜⾊空间只是同⼀物理量的不同表⽰法，因⽽它们之间存在着转换关系，如公式所⽰：
其中
（四）YUV（Lab）颜⾊空间
在现代彩⾊电视系统中，通常采⽤三管彩⾊摄像机或彩⾊CCD（电耦合器件）摄像机，它把得到的彩⾊图像信号，经分⾊、分别放⼤校正得到RGB，再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y和两个⾊差信号R－Y、B－Y，最后发送端将亮度和⾊差三个信号分别进⾏编码，⽤同⼀信道发送出去。这就是我们常⽤的YUV颜⾊空间。
采⽤YUV颜⾊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分量，那么这样表⽰的图就是⿊⽩灰度图。彩⾊电视采⽤YUV空间正是为了⽤亮度信号Y解决彩⾊电视机与⿊⽩电视机的兼容问题，使⿊⽩电视机也能接收彩⾊信号。
根据美国国家电视制式委员会NTSC制式的标准，当⽩光的亮度⽤Y来表⽰时，它和红、绿、蓝三⾊光的关系可⽤如下式的⽅程描述：
Y＝0.3 R + 0.59 G + 0.11B
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这就是常⽤的亮度公式。⾊差U、V是由B－Y、R－Y按不同⽐例压缩⽽成的。YUV颜⾊空间与RGB颜⾊空间的转换关系如下：
如果要由YUV空间转化成RGB空间，只要进⾏相应的逆运算即可。
与YUV颜⾊空间类似的还有Lab颜⾊空间，它也是⽤亮度和⾊差来描述颜⾊分量，其中L为亮度、a和b分别为各⾊差分量。
（五）CMY颜⾊空间
彩⾊印刷或彩⾊打印的纸张是不能发射光线的，因⽽印刷机或彩⾊打印机就只能使⽤⼀些能够吸收特定的光波⽽反射其他光波的油墨或颜料。油墨或颜料的3基⾊是青（Cyan）、品红（Magenta）和黄（Yellow），简称为CMY。青⾊对应蓝绿⾊，品红对应紫红⾊。理论上说，任何⼀种由颜料表现的颜⾊都可以⽤这三种基⾊按不同的⽐例混合⽽成，这种颜⾊表⽰⽅法称CMY颜⾊空间表⽰法。彩⾊打印机和彩⾊印刷系统都采⽤CMY颜⾊空间。
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⽤CMY模型产⽣的颜⾊被称为相减⾊，是因为它减少了为视觉系统识别颜⾊所需要的反射光。在CMY相减混⾊中，三基⾊等量相减时得到⿊⾊；等量黄⾊(Y)和品红(M)相减⽽青⾊(C)为0时，得到红⾊(R)；等量青⾊(C)和品红(M)相减⽽黄⾊(Y)为0时，得到蓝⾊(B)；等量黄⾊(Y)和青⾊(C)相减⽽品红(M)为0时，得到绿⾊(G)。这些三基⾊相减结果如图06-02-7所⽰。
图06-02-7 三基⾊相减
CMY空间正好与RGB空间互补，也即⽤⽩⾊减去RGB空间中的某⼀颜⾊值就等于同样颜⾊在CMY空间中的值。RGB空间与CMY空间的互补关系如表06-02-1所⽰。
表06-02-1 RGB空间与CMY空间的互补关系
RGB相加混⾊CMY相减混⾊对应颜⾊
0 0 0 1 1 1
0 0 1 1 1 0
0 1 0 1 0 1
0 1 1 1 0 0
1 0 00 1 1
1 0 10 1 0
1 1 00 0 1
1 1 10 0 0
根据这个原理，很容易把RGB空间转换成CMY空间。由于彩⾊墨⽔和颜料的化学特性，⽤等量的CMY三基⾊得到的⿊⾊不是真正的⿊⾊，因此在印刷术中常加⼀种真正的⿊⾊（black ink），所以CMY⼜写成CMYK。
实际应⽤中，⼀幅图像在计算机中⽤RGB空间显⽰；⽤RGB或SHI空间编辑处理；打印输出时要转换成CMY空间；如果要印刷，则要转换成CMYK四幅印刷分⾊图，⽤于套印彩⾊印刷品。
（六）YIQ模型
YIQ模型与YUV模型⾮常类似，是在彩⾊电视制式中使⽤的另⼀种重要的颜⾊模型，NTSC彩⾊电视制式中使⽤。这⾥的Y表⽰亮
度，I、Q是两个彩⾊分量。YIQ和 RGB的对应关系⽤下⾯的⽅程式表⽰：
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
I = 0.596R - 0.275G - 0.321B
Q = 0.212R - 0.523G + 0.311B
或者写成矩阵的形式，
（七）YCrCb模型
YCrCb模型适⽤于计算机⽤的显⽰器。它也是使⽤Y、Cr和Cb来分别表⽰⼀种亮度分量信号和两种⾊度分量信号。YCrCb模型与RGB 空间的转换关系如下：
Y＝0.299R ＋0.578G ＋0.114B
Cr＝( 0.500R －0.4187G －0.0813B )＋128
Cb=( - 0.1687R －0.3313G ＋0.500B )＋128
或者写成矩阵的形式，
RGB与YCrCb之间的变换关系可写成如下的形式，
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