常用顏色模型

天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 邵慧娟

1.引言

人眼所感知到的物體的顏色由物體反射光的特性所決定。顏色模型是三維顏色空間中的一個(gè)可見(jiàn)光子集，它包含某個(gè)顏色域的所有顏色。常用的顏色模型、主要有RGB、HSV、NTSC、YCbCr、HSI、CMYK等。它們?cè)诓煌男袠I(yè)各有所指，但在計(jì)算機(jī)技術(shù)方面運(yùn)用最為廣泛。

2.RGB模型

人眼內(nèi)的錐狀體分為三類(lèi)，分別對(duì)紅、綠、藍(lán)敏感。對(duì)紅光敏感的錐狀體占65%；對(duì)綠光敏感的錐狀體占33%；對(duì)藍(lán)光敏感的錐狀體占2%(敏感度最高)。其中波長(zhǎng)445nm為藍(lán)色，535nm為綠色，575nm為紅色。

CIE(國(guó)際照明委員會(huì))規(guī)定了以三個(gè)色光為三基色，又稱(chēng)為物理三基色。自然界的所有顏色都可以通過(guò)選用這三基色按不同比例混合而成。

在計(jì)算機(jī)上顯示一幅彩色圖像時(shí)，每一個(gè)像素的顏色是通過(guò)三種基本顏色(即紅、綠、藍(lán))合成的，即最常見(jiàn)的RGB顏色模型。用RGB彩色模型表示的圖像包含3個(gè)圖像分量，分別為紅、綠、藍(lán)三原色相對(duì)應(yīng)。

RGB顏色模型通常使用于彩色陰極射線關(guān)等彩色光柵圖形顯示設(shè)備中，彩色光柵圖像的顯示器都使用R、G、B數(shù)值來(lái)驅(qū)動(dòng)R、G、B電子槍發(fā)射電子，并分別激發(fā)熒光屏上的R、G、B三種顏色的熒光粉發(fā)出不同亮度的光線，并通過(guò)相加混合產(chǎn)生各種顏色；掃描儀也是通過(guò)吸收原稿經(jīng)反射或投射而發(fā)送來(lái)的光線中的R、G、B成分，并用它來(lái)表示原稿的顏色。RGB顏色模型稱(chēng)為與設(shè)備相關(guān)的顏色模型，RGB顏色模型所覆蓋的顏色域取決于顯示設(shè)備熒光點(diǎn)的顏色特性，是與硬件相關(guān)的。

RGB模型也稱(chēng)為加色法混色模型，是我們使用最多，最熟悉的顏色模型，它以RGB三色光互相疊加來(lái)實(shí)現(xiàn)混色的方法，因而是面向諸如彩色顯示器或打印機(jī)之類(lèi)的硬件設(shè)備的常見(jiàn)的顏色模型。該模型基于笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)，三個(gè)軸分別對(duì)應(yīng)R(即紅色)、G(即綠色)、B(即藍(lán)色)。

為圖像中每一個(gè)像素的RGB分量分配一個(gè)0～255范圍內(nèi)的強(qiáng)度值。RGB圖像只使用三種顏色，就可以使它們按照不同的比例混合，在屏幕上重現(xiàn)16777216種顏色。每種RGB成分都可使用從0（黑色）到255（白色）的值。例如，亮紅色使用R值255、G值0和B值0。當(dāng)所有三種成分值相等時(shí)，產(chǎn)生灰色陰影。當(dāng)所有成分的值均為255時(shí)，結(jié)果是純白色；當(dāng)該值為0時(shí)，結(jié)果是純黑色。

為了方便，通常將該模型空間歸一化為單位立方體，這樣所用的R、G、B值都落在[0，1]區(qū)間。此時(shí)，原點(diǎn)對(duì)應(yīng)黑色，離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的立方體的頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)白色，而從黑到白的灰度值落在從原點(diǎn)到離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的頂點(diǎn)的連線上。

RGB顏色模型是面向硬件的，而HSV（Hue Saturation Value）顏色模型是面向用戶(hù)的。

HSV模型的三維表示從RGB立方體演化而來(lái)。設(shè)想從RGB沿立方體對(duì)角線的白色頂點(diǎn)向黑色頂點(diǎn)觀察，就可以看到立方體的六邊形外形。六邊形邊界表示色彩，水平軸表示純度，明度沿垂直軸測(cè)量。

3.HSV模型

HSV(Hue，Saturation，Value)是根據(jù)顏色的直觀特性由A.R.Smith在1978年創(chuàng)建的一種顏色空間，也稱(chēng)六角錐體模型(Hexcone Model)。這個(gè)模型中顏色的參數(shù)分別是：色調(diào)(H)，飽和度(S)，亮度(V)。

HSV模型是面向用戶(hù)的，是一種復(fù)合主觀感覺(jué)的色彩模型。HSV模型對(duì)應(yīng)于圓柱坐標(biāo)系中的一個(gè)圓錐子集，H即色調(diào)(Hue)，表示顏色的種類(lèi)，取值范圍為[0，1]，相應(yīng)的顏色從紅、黃、綠、藍(lán)綠、藍(lán)、紫到黑變化，且它的值由繞V軸的旋轉(zhuǎn)角決定，每一種顏色和它的補(bǔ)色之間相差180°。S即飽和度(Saturation)，它的取值范圍也是[0，1]，相應(yīng)的顏色從未飽和(灰度)向完全飽和(無(wú)白色元素)變化。V即亮度(Value)，其取值范圍同樣是[0，1]，相應(yīng)的顏色逐漸變亮，但其和光強(qiáng)度之間并沒(méi)有直接的聯(lián)系。

一般說(shuō)來(lái)，人眼最大能區(qū)分128種不同的色彩，130種色飽和度，23種明暗度。如果我們用16Bit表示HSV的話，可以用7位存放H，4位存放S，5位存放V，即745或者655就可以滿足我們的需要。

由于HSV是一種比較直觀的顏色模型，所以在許多圖像編輯工具中應(yīng)用比較廣泛，。但這也決定了它不適合使用在光照模型中，許多光線混合運(yùn)算、光強(qiáng)運(yùn)算等都無(wú)法直接使用HSV來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.NTSC模型

NTSC模型是一種用于電視圖像的顏色模型。NTSC模型使用的是YIQ色彩坐標(biāo)系，其中Y為光亮度，I為色調(diào)，Q為飽和度。其中，亮度Y表示灰度信息，后兩者表示顏色信息。因此，該模型的主要優(yōu)點(diǎn)就是將灰度信息和顏色信息區(qū)分開(kāi)來(lái)。

5.YCbCr模型

YCbCr是DVD、攝像機(jī)、數(shù)字電視等消費(fèi)類(lèi)視頻產(chǎn)品中，常用的色彩編碼方案。YCbCr不是一種絕對(duì)色彩空間，是YUV壓縮和偏移的版本。YCbCr其中Y是指亮度分量，Cb指藍(lán)色色度分量，而Cr指紅色色度分量。人的肉眼對(duì)視頻的Y分量更敏感，因此在通過(guò)對(duì)色度分量進(jìn)行子采樣來(lái)減少色度分量后，肉眼將察覺(jué)不到的圖像質(zhì)量的變化。

主要的子采樣格式有YCbCr 4∶2∶0、YCbCr 4∶2∶2和YCbCr 4∶4∶4。4∶2∶0表示每4個(gè)像素有4個(gè)亮度分量，2個(gè)色度分量(YYYYCbCr)，僅采樣奇數(shù)掃描線，是便攜式視頻設(shè)備(MPEG-4)以及電視會(huì)議(H.263)最常用格式；4∶2∶2表示每4個(gè)像素有4個(gè)亮度分量，4個(gè)色度分量(YYYYCbCrCbCr)，是DVD、數(shù)字電視、HDTV以及其它消費(fèi)類(lèi)視頻設(shè)備的最常用格式；4∶4∶4表示全像素點(diǎn)陣(YYYYCbCr-CbCrCbCrCbCr)，用于高質(zhì)量視頻應(yīng)用、演播室以及專(zhuān)業(yè)視頻產(chǎn)品。

YCbCr模型是視頻圖像和數(shù)字圖像中常用的色彩模型。YCbCr模型中，Y為亮度，Cb和Cr共同描述圖像的色調(diào)，期中Cb、Cr分別為藍(lán)色分量和紅色分量相對(duì)于參考值的坐標(biāo)。

YCbCr模型中的數(shù)據(jù)可以是雙精度類(lèi)型，但存儲(chǔ)空間為8為無(wú)符號(hào)整型數(shù)據(jù)空間，且Y的取值范圍為[16，235]，Cb和Cr的取值范圍為[16，240]。

6.HSI模型

HIS色彩空間是從人的視覺(jué)系統(tǒng)出發(fā)，用色調(diào)(Hue)、色飽和度(Saturation或Chroma)和亮度(Intensity或Brightness)來(lái)描述色彩。HSE色彩空間可以用一個(gè)圓錐空間模型來(lái)描述。用這種描述HIS色彩空間的圓錐模型相當(dāng)復(fù)雜，但確能把色調(diào)、亮度和色飽和度的變化情形表現(xiàn)得和清楚。通常把色調(diào)和飽和度通稱(chēng)為色度，用來(lái)表示顏色的類(lèi)別與深淺程度。

由于人的視覺(jué)對(duì)亮度的敏感程度遠(yuǎn)強(qiáng)于對(duì)顏色濃淡的敏感程度，為了便于色彩處理和識(shí)別，人的視覺(jué)系統(tǒng)經(jīng)常采用HSI色彩空間，它比RGB色彩空間更符合人的視覺(jué)特性。在圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)中大量算法都可在HIS色彩空間中方便地使用，它們可以分開(kāi)處理而且是相互獨(dú)立的。因此，在HIS色彩空間可以大大簡(jiǎn)化圖像分析和處理的工作量。

7.CMYK模型

印刷工業(yè)的實(shí)際印刷中，一般采用青(C)、品(M)、黃(Y)、黑(BK)四色印刷，在印刷的中間調(diào)至暗調(diào)增加黑版。當(dāng)紅綠藍(lán)三原色被混合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生白色，但是當(dāng)混合藍(lán)綠色、紫紅色和黃色三原色時(shí)會(huì)產(chǎn)生黑色。既然實(shí)際用的墨水并不會(huì)產(chǎn)生純正的顏色，黑色是包括在分開(kāi)的顏色，而這種模型稱(chēng)之為CMYK。

CMYK具有多值性，也就是說(shuō)對(duì)同一種具有相同絕對(duì)色度的顏色，在相同的印刷過(guò)程前提下，可以用分CMYK數(shù)字組合來(lái)表示和印刷出來(lái)。這種特性給顏色管理帶來(lái)了很多麻煩，同樣也給控制帶來(lái)了很多的靈活性。在印刷過(guò)程中，必然要經(jīng)過(guò)一個(gè)分色的過(guò)程，所謂分色就是將計(jì)算機(jī)中使用的RGB顏色轉(zhuǎn)換成印刷使用的CMYK顏色。

[1]龔聲蓉,劉純平,王強(qiáng).編著.數(shù)字圖像處理與分析[M].清華大學(xué)出版社,2006.

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