颜色基础

一、色空间基础 1、色彩基础 （1）何谓色彩

在黑暗中色彩消失。我们四周不管是自然的或人工的物体，都有各种色彩和色调。这些色彩看起来好像附着在物体上。然而一旦光线减弱或称为成为黑暗，所有物体都会失去各自的色彩。我们看到的色彩，事实上是以光为媒体的一种感觉。色彩是人在接受光的刺激后，视网膜的兴奋传送到大脑中枢而产生的感觉。

（2）牛顿的光谱

光是电磁波,能产生色觉的光只占电磁波中的一部分范围。而其中人类可以感受到的范围（可见光），是780毫米到380毫米之间。 太阳光属于可见光，牛顿第一次实验时，利用菱镜分散太阳光，形成光谱。

（3）单色光和复合光

这种分散的光谱，即使再一次透过菱镜也不会再扩散，称为单色光。我们日常所见的光，大部分都是单色光聚合而成的光，称为复合光。复合光中所包含的各种单色光的比例不同， 就产生不同的色彩感觉。

2、色彩三属性

在日常生活中，我们对物体的观察不仅仅观察色彩，同时还会注意到形状、面积、体积、肌理，以至该物体的功能和所处的环境。这些对色彩的感觉都会产生影响。为了寻找规律，人们抽出纯粹色知觉的要素，认为构成色彩的基本要素是色相、色度、纯度，这就是色彩的三属性。

（1）色调 ( Hue )

色调也称色相，它是从某个物体反射回的光波，或者是透射过某个物体的光波。色调是由波长决定的色别，如700nm光的色调是红色，579nm光的色调是黄色，510nm光的色调是绿色等等。色轮是表示最基本色相关系的色表。色轮上90度角内的的几种色彩称作同类色，也叫近邻色或姐妹色。90角以外的色彩称为对比色。色轮上相对位置的色叫补色，也叫相反色。

色轮

（2）饱和度 (Saturation )

所谓色彩的饱和度即纯度，是某种颜色中所含灰色的数量多少，含灰色越多，饱和度越小。色轮上各颜色都是纯色，饱和度最高。

饱和度变化

（3）明度（Value或Brightnese）

明度是对一个颜色中光的强度的衡量。明亮度越大，则色彩越鲜艳。

明度变化

3、混色原理 （1）原色

无法用其他色彩混合得到的基本色彩称为原色。原色按照一定比例混合可以得到各种色彩。到底原色有多少种，又是哪几种颜色？历史上不同的学者有不同的说法，基本上分为3原色说和4原色说。

（2）加法混色

色光三基色（红、绿、蓝紫）按照一定的比例混合可以得到各种色光。三原色光等量混合可以得到白色。色光混色和色料混色刚好相反，色光混色是越混合越明亮，所以称为加法混色。我们熟悉的电视机和CRT显示器产生色彩的方式就是属于加法混色。

（3）减法混色

色料三原色（紫红、黄、蓝绿）按照一定的比例混合可以得到各种色彩。理论上三原色等量混合可以得到黑色。因为色料越混合，越灰暗，所以称为减法混色。水彩、油画、印刷等，它们产生各种颜色的方法都是减法混色。

二、颜色模型

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。目前广泛使用的颜色模型有三类：计算颜色模型、工业颜色模型、视觉颜色模型。

从技术上角度区分，颜色空间可考虑分成如下三类：

 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。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。

 

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。

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。

1、 计算颜色模型 1.1 CIE XYZ 颜色模型

CIE全称Commission Internationale d'Eclairage，是世界著名的国际照明委员会。在1931年，这些科学家建立了一系列的颜色模型，包括CIE XYZ、CIE Lab 和CIE Luv。CIE颜色模型采用三个坐标来表示一个颜色在色空间中的位置。但是CIE空间是不依赖设备的，也就是说，这些色空间中的颜色范围并不受到某种设备或某一个观察者视觉再现能力的。

 

CIE XYZ 是国际照明委员会在1931 年开发并在19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，这三种基色是假想的颜色。

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，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 XYZ色度图

曲线上的点是光谱颜色，即纯彩色，他们的纯度最高。连接红色和紫色的直线称为紫色线，它不属于光谱颜色。曲线包围的点为所有可能的可见光的组合，C点即为白色，很显然越靠近C点则它的纯度就越低。如此一来，自然界中所有的颜色就都包含在曲线所包围的区域中了。 1.2 CIE Lab颜色模型

CIE的目标是开发一个作为颜色信息交流标准的系统，为颜料、油墨、染料及其它色料生产商使用。这个系统包括颜色匹配的标准，但CIE XYZ模型的不平衡性使得这些标准难于清楚地定位。因此，1976年CIE开发出更为均匀的颜色标准：CIE Luv和CIE Lab。在这两种模型中，CIE Lab使用更为广泛。 CIE Lab颜色模型是CIE XYZ颜色模型的改善，其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：

L：Lightness 亮度数值，从0到100 a：由绿至红，数值从-120到+120 b：由蓝至黄，数值从-120到+120

和XYZ相比，CIE Lab颜色模型和人们所看到的颜色是较为兼容的。在CIE Lab模型中，颜色亮度值L，色调和饱和度a、b是可以个别的被校正。因此影像的整体颜色可以在不改变影像或是其亮度下而改变。

CIE Lab颜色模型

2、 工业颜色模型 2.1 RGB颜色模型

RGB颜色模型通常用于彩色阴极射线管等彩色光栅图形显示设备中，它是我们使用最多、最熟悉的颜色模型。它采用三维直角坐标系，红、绿、蓝为原色，其颜色模型通常采用下图的单位立方体来表示。

RGB颜色模型

在正方体的主对角线上，各原色的强度相等，产生由暗到明的白色，也就是不同的灰度值。(0，0，0)为黑色，(1，1，1)为白色。正方体的其它六个角点分别为红、黄、绿、青、蓝和品红，需要注意的一点是，RGB颜色模型所覆盖的颜色域取决于显示设备荧光点的颜色特性，是与硬件相关的。

RGB模型为彩色图像中每个像素的RGB分量指定一个介于0（黑色）到255（白色）之间的强度值。从理论上讲，任何一种颜色都可用三种基本颜色按不同的比例混合得到。三种颜色的光强越强，到达我们眼睛的光就越多，它们的比例不同，我们看到的颜色也就不同，没有光到达眼睛，就是一片漆黑。当三基色按不同强度相加时，总的光强增强，并可得到任何一种颜色。某一种颜色和这三种颜色之间的关系可用下面的式子来描述：

颜色＝R(红色的百分比)＋G(绿色的百分比)＋B(蓝色的百分比)

例如，亮红色可能R值为246，G值为 20，而B值为 50。当所有这3个分量的值相等时，结果是中性灰色。当所有分量的值均为255时，结果是纯白色；当该值为 0时，结果是纯黑色。

基于RGB三基色模型可以导出YUV、YCbCr、YIQ、CMY、XYZ、HSV、HLS等颜色模型，以适应不同应用的需求。

【RGB混色原理】

RGB三基色属于加法混色，其混色原理图如下图所示：

RGB三基色混色原理

当RGB分量只用1bit来表示时，相加混色可得到上图所示的8种颜色。

我们也主要使用RGB颜色模型，但是红、绿、蓝颜色模型用起来不太方便，它与直观的颜色概念如色调、饱和度和亮度等没有直接的联系。

R=8bits, G=8bits, B=8bits. The bits per pixel=3*8=24bit. 2.2 YUV颜色模型

YUV颜色模型/电视系统颜色空间是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。在彩色电视中，用Y、C1, C2 彩色表示法分别表示亮度信号和两个色差信号，C1，C2 的含义与具体的应用有关。在PAL 彩色电视制中，C1，C2 分别表示U、V 两个色差信号；在CCIR 601 数字电视标准中，C1，C2 分别表示Cr，Cb 两个色差信号。在NTSC 彩色电视制中，C1，C2 分别表示I、Q 两个色差信号；所谓色差是指基色信号中的三个分量信号(即R、G、B)与亮度信号之差。

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棱镜分成RGB 3个分量的信号、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。

视频编码器要求YUV 4:2:0格式的视频输入，因此可能根据应用需要进行视频输入的预处理，即对YUV 4:2:2隔行扫描(例如从摄像机)到YUV 4:2:0非隔行扫描转换，仅抽取但不过滤UV分。对视频解码器而言，还需要进行后处理，以将解码的YUV 4:2:0数据转换为RGB进行显示，包括：YUV 4:2:0到RGB转换；16位或12位RGB显示格式。 2.3 YCbCr颜色模型

在DVD、摄像机、数字电视等消费类视频产品中，常用的色彩编码方案是YCbCr，其中Y是指亮度分量，Cb指蓝色色度分量，而Cr指红色色度分量。人的肉眼对视频的Y分量更敏感，因此在通过对色度分量进行子采样来减少色度分量后，肉眼将察觉不到的图像质量的变化。主要的子采样格式有YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2 和 YCbCr 4:4:4。

4:2:0表示每4个像素有4个亮度分量，2个色度分量(YYYYCbCr)，仅采样奇数扫描线，是便携式视频设备(MPEG-4)以及电视会议(H.263)最常用格式；4：2：2表示每4个像素有4个亮度分量，4个色度分量(YYYYCbCrCbCr)，是DVD、数字电视、HDTV 以及其它消费类视频设备的最常用格式；4：4：4表示全像素点阵(YYYYCbCrCbCrCbCrCbCr)，用于高质量视频应用、演播室以及专业视频产品。

(1) 4:2:0

The bits per pixel=8*6/4=12bits

Half of the RGB forma. So the transmission and storage data can be reduced against RGB. 4:2:0 sampling is widely used for consumer applications such as video conferencing, digital television and digital versatile disk (DVD) storage. (2) 4:2:2

The bits per pixel=8*8/4=16bits

4:2:2 video is used for high-quality colour reproduction. CrCb垂直方向一样包含\"0\"的情况。 (3) 4:4:4

The bits per pixel=8*12/4=24bits The same as RGB.

关于YCRCB，YPRPB有很多种说法，现在我给出正确的解释： （1）YCRCB是指没有经过任何变换的基带色差分量端子。 （2）YPRPB是指经过变换的色差分量端子。 2.4 YUV 和YCbCr的差别

YUV色彩模型来源于RGB模型，该模型的特点是将亮度和色度分离开，从而适合于图像处理领域。 应用：basic color model used in analogue color TV broadcasting.

YCbCr模型来源于YUV模型。YCbCr is a scaled and offset version of the YUV color space. 应用：数字视频，ITU-R BT.601 recommendation

通过上面的比较可以确定，我们在h.2,mpeg等编码标准中用的yuv其实是YcbCr，大家不要被名称搞混淆了。 2.5 YIQ颜色模型

YIQ颜色模型用于NTSC制式视频信号中，这是一种由RGB转化来的亮度-色度模型，该模型中Y表示亮度信号，而色度则包含在I、Q两个参数里。在参数I中包含了橙-青的色彩信息，Q中包含了绿-品红的色彩信息。由于人眼对于亮度的敏感程度大于对色度的敏感程度，因此我们总是将最大的带宽分给Y信号，在黑白电视机中就只使用Y信号。 2.6 CMYK颜色模型

在印刷行业中，使用另外一种色彩模型CMYK。CMYK颜色模型用来描述绘图和打印彩色输出的颜色， CMYK分别是青色（Cyan)、品红(Magenta)、黄色(Yellow)、黑色(blacK)四种油墨色。每一种颜色都用百分比来表示，而不是RGB那样的256级度。这种颜色模式的基础不是增加光线，而是减去光线，所以青、洋红和黄被称为\"减色法三原色\"。

在理想状态下，100%的青色油墨加上100%的品红油墨再加上100%的黄色油墨，可以得出黑色。但是这种理想状态是难以实现的，往往得出来的是深褐色而不是黑色。因此，为了能得到更纯正的黑色，就加入了黑色油墨。

下图分别是一幅彩色图片的C、M、Y、K四个通道。这四个通道的图片合成在一起，就成了完整彩色图片。

CMYK也有类似RGB的三维色彩模型-CMYK三维色彩模型。CMYK颜色模型与RGB颜色模型几乎完全相同。差别仅仅在于CMYK颜色模型的原点为白，而RGB颜色模型的原点为黑。前者是定义在白色中减去某种颜色来定义一种颜色，而后者是通过从黑色中加入颜色来定义一种颜色。

CMYK颜色模型

【CMYK混色原理】

CMYK属于减法混色，其混色原理图如下图所示：

CMYK混色原理

当CMY分量只用1bit来表示时，相加混色可得到上图所示的8种颜色。

相加色与相减色之间有一个直接关系，利用它们之间的关系，可以把显示的颜色转换成输出打印的颜色。相加混色和相减混色之间成对出现互补色。

3、 视觉颜色模型 3.1 HSB(V)颜色模型

HSB就是色调H(Hue)、饱和度S(Saturation)、明度B(Brightnes)，或者也可以称为HSV (Hue、Saturation、Value)，正好就是色彩的三属性。各分量取值为： H：0~360度

S：0~1；S＝0时只有灰度；

V：0~1；V＝0是黑色，V=1,S=1是纯彩色，V=1,S=0是白色

HSB颜色模型

由于HSB模型能直接体现色彩之间的关系，所以非常适合于色彩设计，绝大部分的设计软件都提供了这种色彩模型，包括Windows的系统调色板也是采用这种色彩模型。

Windows系统调色板

上面这种调色板属于基于明度的HSB色彩模型。另外还有两种HSB色彩模型，分别是：

基于色相的HSB模型 基于色轮的HSB模型

顺便提一下，另外一种直观的视觉颜色模型是HSL模型，该模型中前两个参数和HSV一样，而L表示亮度。它的三维表示为一双棱锥。因为用的不多，这里就不详细讲了。

三、颜色模型转换

不同颜色可以通过一定的数学关系相互转换：

 

有些颜色空间之间可以直接变换。例如，RGB和HSL，RGB和HSB，RGB和YCrCb，CIE XYZ和CIE Lab等。

有些颜色空间之间不能直接变换。例如，RGB和CIE Lab, CIE XYZ和HSL，HSL和YCbCr等，它们之间的变换需借助其他颜色空间进行过渡。

Note：上面带撇的表示该公式在原值基础上进行了Gamma 校正。 1、Gamma矫正

Gamma也是用于表示亮度。一个物理设备发出的光的Intensity通常都不是输入信号的线性输出。传统的CRT具有对电压的功率反应：在显示表面产生的Intensity大约是输入电压的2.5次方。这个数值通俗地称为Gamma。为能产生正确的Intensity必须对这一非线性进行补偿。

我们所使用的显示器是一种非线性设备，而显示器的电子电压和线性像素值是成正比的，那就是说光照模型产生的一组线性变化的光强度值，在显示器上显示出来会变为非线性的。例如RGB色为(128,128,128)的像素的光强度是(255,255,255)的一半，但在显示器上显示出来确并不是这样，在视频系统，线性光Intensity通过Gamma校正转换为非线性的视频信号，通常在摄像过程内完成。