一、简介

色彩空间是图像处理涉及的基本知识之一。当然色彩的研究涉及到另一个高深的领域——色度学。这已经超出了图像处理研究的范围。因此本文只介绍一些基本概念，力图让使用者能区分它们，以便更好的使用。

之所以称之为色彩空间，是因为可以用3个相互独立的向量将色彩张成一个空间便于进行数学研究与计算。色彩空间有时候也被称为色彩模型。然而他们也各有侧重，色彩空间侧重于颜色的标识；色彩模型侧重颜色的生成。需要说明的是没有一种颜色模型能解释所有的颜色问题。

二、色彩空间分类

1、基色混合空间

  1）RGB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。其与显示设备相关。在多媒体计算机技术中，用得最多的是RGB颜色空间表示。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 ] . 在正方体的主对角线上，各原色的量相等，产生由暗到亮的白色，即灰度。（0，0，0）为黑，（255，255，255）为白，正方体的其他6个角点分别为红、黄、绿、青、蓝和品红。RGB颜色模型构成的颜色空间是CIE原色空间的一个真子集。RGB颜色模型通常用于彩色阴极射线管和彩色光栅图形显示器。RGB三原色是加性原色。

2）CMY（K）彩色印刷或彩色打印的纸张是不能发光的。因此出版物只能使用以下能够吸收特定光波而反射其他光波的油墨或颜料。其与印刷设备相关这些颜料的3基色为青(cyan)，品红(Magenta)，黄(Yellow)。CMY模型产生的颜色被称为相减色。理论上说，任何一种由颜料表现的色彩都可以用这三种基色按不同的比例混合而成，这种色彩表示方法称CMY色彩空间表示法。彩色打印机和彩色印刷系统都采用CMY色彩空间。CMY颜色模型对应的直角坐标系的子空间与RGB颜色模型对应的子空间几乎完全相同。

  3）CIE XYZ三刺激值的概念是以色视觉的三元理论为根据的，它说明人眼具有接受三原色(红、绿、蓝)的接受器，而所有的颜色均被视作该三原色的混合色。其与设备无关，表示理论上所有颜色。1931年CIE制定了一种假想的标准观察者，配色函数x(λ),y(λ),z(λ)XYZ三刺激值是利用这些标准观察者配色函数计算得来的。 在此基础上，CIE于1931年规定了Yxy颜色空间，其中Y为亮度，x,y是从三刺激值XYZ计算得来的色坐标。它代表人类可见的颜色范围

2、色度（hue）饱和度（saturation）亮度（intensity）空间（也是设备相关，从RGB演化来，易于指定颜色，符合人类视觉）

1）HSV HSV对用户来说是一种直观的颜色模型。我们可以从一种纯色彩开始，即指定色彩角H，并让V=S=1，然后我们可以通过向其中加入黑色和白色来得到我们需要的颜色。增加黑色可以减小V而S不变，同样增加白色可以减小S而V不变。例如，要得到深蓝色，V=0.4 S=1 H=240度。要得到淡蓝色，V=1 S=0.4 H=240度。

一般说来，人眼最大能区分128种不同的色彩，130种色饱和度，23种明暗度。如果我们用16Bit表示HSV的话，可以用7位存放H，4位存放S，5位存放V，即745或者655就可以满足我们的需要了。

由于HSV是一种比较直观的颜色模型，所以在许多图像编辑工具中应用比较广泛，如Photoshop（在Photoshop中叫HSB）等等，但这也决定了它不适合使用在光照模型中，许多光线混合运算、光强运算等都无法直接使用HSV来实现。

2）HSI色彩空间是从人的视觉系统出发，用色调(Hue)、饱和度(Saturation或Chroma)和亮度 (Intensity或Brightness)来描述色彩。HSI色彩空间可以用一个圆锥空间模型来描述。用这种 描述HIS色彩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。 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，为了便于色彩处理和识别，人的视觉系统经常采用HSI色彩空间， 它比RGB色彩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色彩空间中方便地使用，它们可以分开处理而且是相互独立的。因此，在HSI色彩空间可以大大简化图像分析 和处理的工作量。HSI色彩空间和RGB色彩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。

3）HSL类似于 HSV。对于一些人，HSL 更好的反映了“饱和度”和“亮度”作为两个独立参数的直觉观念，但是对于另一些人，它的饱和度定义是错误的，因为非常柔和的几乎白色的颜色在 HSL 可以被定义为是完全饱和的。对于 HSV 还是 HSL 更适合于人类用户界面是有争议的。

W3C的CSS3 规定声称“HSL 的优点是它对称于亮与暗（HSV 就不是这样）…”，这意味着：

在 HSL 中，饱和度分量总是从完全饱和色变化到等价的灰色（在 HSV 中，在极大值 V 的时候，饱和度从全饱和色变化到白色，这可以被认为是反直觉的）。

在 HSL 中，亮度跨越从黑色过选择的色相到白色的完整范围（在 HSV 中，V 分量只走一半行程，从黑到选择的色相）。

在软件中，通常以一个线性或圆形色相选择器和在其中为选定的色相选取饱和度和明度/亮度的一个二维区域（通常为方形或三角形）形式提供给用户基于色相的颜色模型（HSV 或 HSL）。通过这种表示，在 HSV 和 HSL之间的区别就无关紧要了。但是很多程序还允许你通过线性滑块或数值录入框来选择颜色的明度/亮度，而对于这些控件通常使用要么 HSL 要么 HSV（而非二者）。HSV 传统上更常用。

3、非线性亮度（luma）色度（Chroma）（与电视设备相关）

  1）YUV在彩色电视系统的PAL制式中，通常采用三管彩色摄像机或CCD得到的彩色图像信号，经过分色，分别放大校正得到RGB，再经过电路得到亮度信号和两个色差信号，最后发送端将亮度信号与色差信号分别编码，用同一信道发送出去。由于亮度信号与色差信号是分离的，所以解决了彩色电视播放黑白片的问题。电视信号在发射时，转换成YUV形式，接受时再还原成RGB三基色信号，由显像管显示（RGB->YUV->编码发送------YUV->RGB->显示）。

  2）YIQ在NTSC彩色制式中使用

  3）YCrCb适用于计算机显示器

  4）L*a*b* L*a*b*颜色空间是在1976年制定的，它是CIE XYZ颜色模型的改进型，以便克服原来的Yxy颜色空间存在的在x，y色度图上相等的距离并不相当于我们所觉察到的相等色差的问题。它的“L”（明亮度），“a"（绿色到红色）和“b”(蓝色到黄色)代表许多的值。与XYZ比较，CIE L*a*b*颜色更适合于人眼的感觉。利用CIE L*a*b*，颜色的亮度（L）、灰阶和饱和度（a,b）可以单独修正，这样，图像的整个颜色都可以在不改变图像或其亮度的情况下，发生改变。

这些空间模型都有转换关系如图5所示。这个大家可以随时上网查找。