彩色圖像色彩空間原理（理論篇—6）
自然界的各種色彩、人類所感知的色彩以及各種圖像設(shè)備和計算機(jī)軟件所使用的顏色可通過色彩空間（Color Space）來描述。
色彩是人腦對不同視覺刺激的反應(yīng)。人眼視網(wǎng)膜上的色敏細(xì)胞會分別對紅、綠、藍(lán)3個波段的色彩進(jìn)行采樣。采樣后的信號傳送至大腦后組合在一起就會產(chǎn)生對色彩的感知。由于顏色是大腦對特定視覺刺激的反應(yīng)，因此顏色最好也由人類大腦對不同顏色的感覺來描述。據(jù)此人們創(chuàng)建了由多個顏色分量來表示顏色的模型，這些模型被稱為色彩空間。
色彩空間是指通過多個（通常為3個或4個）顏色分量構(gòu)成坐標(biāo)系來表示各種顏色的模型系統(tǒng)。色彩空間中的每個點(diǎn)均代表一種顏色，也就是說各點(diǎn)的顏色可看作是多個分量的合成。例如，在RGB色彩空間中，顏色可認(rèn)為是紅（Red）、綠（Green）、藍(lán)（Blue）3種顏色分量的加性合成；在HSL色彩空間中，顏色可認(rèn)為是色調(diào)（Hue）、飽和度（Saturation）和亮度（Luminance/Lightness）的合成。
基于這種思想，機(jī)器視覺系統(tǒng)開發(fā)過程中待處理的彩色圖像就可根據(jù)需要被映射至某個色彩空間上進(jìn)行描述。因此彩色圖像的處理計算工作就可以被分解至各顏色分量所對應(yīng)的一組圖像上進(jìn)行，包括圖像增強(qiáng)和分割、色彩匹配、色彩定位、色彩模式識別分類以及彩色圖像分割等。當(dāng)各顏色分量的運(yùn)算處理完成后，即可再次將對各分量的處理結(jié)果進(jìn)行組合，生成對彩色圖像的處理結(jié)果。
不同的工業(yè)環(huán)境或機(jī)器視覺應(yīng)用使用的色彩空間可能各不相同。與圖像處理相關(guān)的常見色彩空間有以下幾種：
RGB，包括紅（Red）、綠（Green）、藍(lán)（Blue）；
HSV/HSB，包括色調(diào)（Hue）、飽和度（Saturation）和明度（Value/Brightness）；
HSl，包括色調(diào)（Hue）、飽和度（Saturation）和灰度（Intensity）；
HSL，包括色調(diào)（Hue）、飽和度（Saturation）和亮度（Luminance/Lightness）。
以上色彩空間中，RGB被計算機(jī)顯示器采用，HSV/HSB被藝術(shù)家用于藝術(shù)創(chuàng)作，HSl和HSL則適合機(jī)器視覺和圖像處理系統(tǒng)開發(fā)。
下表對這幾種色彩空間進(jìn)行了匯總：
多數(shù)色彩空間都是基于人類大腦對不同顏色的感覺（sensations）而建立，因此詳細(xì)了解各種色彩空間之前，需要先明確感覺的相關(guān)定義。CIE（國際照明委員會）對以下人類的感覺進(jìn)行了定義:
明度（Brightness） ：對某一區(qū)域內(nèi)光線多少的感覺，即明亮程度；
亮度（Luminance/Lightness） ：對場景中某一區(qū)域內(nèi)明度相對于白色的感覺；
色調(diào)（Hue）∶對某一區(qū)域內(nèi)類似于RGB組合顯示的感覺，即顏色種類。色量(Colorfulness) :對某一區(qū)域內(nèi)色調(diào)多少的感覺；
色度（Chroma）：對場景中某一區(qū)域內(nèi)色量相對于白色的感覺；
飽和度（Saturation）：某一區(qū)域內(nèi)色量與明度之比，表示色彩的鮮艷程度。
由定義可知，明度和色量是人類視覺對一個光照表面的亮暗與顏色的感知，是絕對概念。而亮度和色度則是相對白色的感覺，是相對概念。飽和度用來描述色彩的鮮艷程度，取決于含色成分（色量）和消色成分（明度）的比例。含色成分越大，飽和度越大；消色成分越大，飽和度越小。
RGB色彩空間，使用不同比例的紅綠藍(lán)三基色進(jìn)行加性組合來表示顏色，如計算機(jī)彩色陰極射線管、彩色光柵圖形的顯示器都使用RGB數(shù)值驅(qū)動電子槍發(fā)射電子，以激發(fā)熒光屏上的顏色的熒光粉發(fā)出不同亮度的光線，并通過混合相加產(chǎn)生各種顏色。根據(jù)RGB三基色原理，各種顏色的光都可以由紅、綠和藍(lán)3種基色加權(quán)混合而成。常見于計算機(jī)系統(tǒng)如下所示：
RGB色彩模型
國際公認(rèn)的RGB三基色光的波長分別為700.0nm、546.1nm和435.8nm。在RGB色彩空間中，標(biāo)準(zhǔn)白光由光通量為1lm的紅光、4.5907Im的綠光和0.0601lm的藍(lán)光混合而成，因此將這3種光通量大小的光定義為三基色的單位基色量，用(R)、(G)、(B）表示。據(jù)此，任何一種具有一定亮度的彩色光的光通量均可由不同比例的三基色疊加來表示。
HSV和HSB是同一種色彩空間的不同叫法，它按照人眼對色彩的感知原理構(gòu)建，由色調(diào)、飽和度和明度3個分量構(gòu)成，為倒立錐形結(jié)構(gòu)，如下圖所示：
色調(diào)對應(yīng)于顏色的波長，它代表人眼所能感知的各種顏色，如紅、黃、紫等。色調(diào)值可用分布在一個平面的色環(huán)表示，如下圖所示：
HSV的飽和度是指色調(diào)與位于色環(huán)中心的中度灰色（Neutral Gray）的差異，它通常用0~1的值（或百分比）來表示。當(dāng)取值為0時（位于色環(huán)中心），表示無顏色（中度灰色)，取最大值時（位于色環(huán)圓周上)，表示顏色最鮮艷，為色調(diào)定義的最純色。
明度指光線強(qiáng)度的大小，值越大，色彩越淺。在HSV模型中，從倒立錐的頂點(diǎn)到底面色環(huán)中心，明度由小變大。由于HSV模型按照人眼對色彩的感知原理構(gòu)建，因此常被藝術(shù)家用來進(jìn)行各種彩色藝術(shù)創(chuàng)作。
HSI和HSL色彩空間的第三個分量與HSV也有區(qū)別。HSV使用代表光線強(qiáng)度的明度作為第三個分量，而HSI使用代表由黑到白變化的灰度（Intensity），HSL使用了表示白色多少的亮度（Luminance）作為第三個分量。明度、灰度或亮度都用于控制色彩的明暗變化。數(shù)值越小，色彩越接近于黑色；數(shù)值越大，色彩越接近于白色。下圖顯示了HSL色彩空間的錐形結(jié)構(gòu)：
在機(jī)器視覺開發(fā)過程中，也會涉及以下幾種色彩空間：
CMYK包括青色（Cyan）、品紅（Magenta）、黃色（Yellow）、黑色（BlacK），用于印刷；
CIE-XYZ包括國際照明委員會（CIE）創(chuàng)建的色彩空間，X、Y、Z為3個假想原色；
CIE-L*a*b*包括CIE創(chuàng)建，由亮度（Lightness） +a紅色、-a綠色、+b黃色、-b藍(lán)色分量構(gòu)成；
YUV包括Y為亮度，U為藍(lán)色與Y的色差，V為紅色與Y的色差；
YIQ包括Y為亮度，I代表從橙色到青色的變化，Q代表紫色到黃綠色的變化；
YCbCr包括對YUV縮放和修正后用于數(shù)字視頻，Y為亮度，Cb、Cr為藍(lán)色和紅色與Y的色差。
CMYK用于印刷行業(yè)，CIE-XYZ和CIE-L*a*b*是由國際照明委員會在進(jìn)行了大量正常人類視覺測量和統(tǒng)計后建立的空間較大的與設(shè)備無關(guān)的色彩空間，YUV和YIQ被不同制式的模擬視頻信號采用，YCbCr，則是對YUV縮放和修正后用于數(shù)字視頻的色彩空間。
往期推薦