颜色空间那些事儿

Posted 2020-08-09 晨凫追风

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只有经过几年的准备之后，年轻的艺术家才应接触颜色，不是用颜色描述，而是作为人的情感表达手段——毕加索

彩色和光是造物主的伟大发明，这里面包含的学科和课题在一篇博文中无法全部阐明，本博文主要是介绍一下几种颜色空间，作为一个科普类的入门知识。

人类对颜色的感知是一种复杂的生理和心理现象，这一现象还远远未被完全了解，但是颜色的物理性质可以由一些实验和理论结果支持表示出来。从初中物理学就学过，一个不透明物体所表现出来的颜色，有该物体所反射的光的性质决定。如，绿叶反射波长为500~570nm的绿光。

人眼的锥状细胞是负责彩色视觉的传感器。人眼中有600~700万个锥状细胞，它们可分为3类，分别感觉红光（65%），绿光（33%），蓝光（2%），虽然比例少，但是蓝锥状细胞却对蓝光更加敏感。所以被看到的颜色就是所谓的原色红，绿，蓝的组合。

RGB颜色空间

RGB彩色模型主要是面向硬件的模型，如彩色监视器和一大类的彩色视频摄像机。这个彩色模型利用的是三原色叠加从而产生不同的颜色。但是三原色叠加并不能产生所有的颜色。这个模型为每一个颜色通道分配0~255，256个级别的灰度值，这样总共就可以产生种颜色。所有这些颜色包含在下图所示的一个正方体中，该正方体内部的每一个点都能由三个通道的坐标确定。对角线是三个分量相等的颜色，就成为一个没有颜色的灰度图。

CMY和CMYK模型

CMY模型和RGB模型具有相似的特点，它也是一种面向硬件设备（彩色打印机，复印机）的颜色模型，CMY代表青色，深红色和黄色（颜料原色）的组合。这三种颜色是RGB的二次色，用的是另一种方式定义。如青色表示用白光照射时，反射光是白光减去红光，而白光是红绿蓝光的组合。因此呢就有了RGB和CMY的转换：假设所有的颜色值归一化到（0，1）之间。

表示了青色表面不反射红光，深红色不反射绿色，纯黄色不反射蓝色。等量的颜料原色组合可以产生黑色，但是为了打印组合产生的黑色往往不会很纯，因此为了产生真正的黑色，加入了第四种颜色黑色，于是就有了CMYK模型。

HSI彩色模型

RGB彩色模型和CMY模型对硬件设备的实现是很理想的，而且RGB模型可以和人眼感受三原色的事实相匹配。但是很遗憾，这些颜色模型很难适应人对颜色的解释。HIS彩色空间正是为了适应人眼对颜色的感知和描述发展的颜色模型。它是开发基于彩色描述的图像处理方法的理想工具，这个模型利用色调（H），饱和度（S）强度（I）来描述色彩。其中HSI彩色模型和RGB彩色模型转换公式如下所示：

给定一个RGB图像，转换到HIS

此处：

饱和度如下：

强度分量：

说明：角度是以红色为起始的基准轴来度量的。

HIS到RGB空间的转换：此处HSI为归一化的值在[0,1]之间。先把H乘，把色调值还原到[0,]，把H分为三个扇区进行讨论，

RG扇区：

GB扇区：

然后计算：

BR扇区：

然后计算：

到此为止HIS空间的知识完毕！一般图片都是RGB模型，上面的转换公式为我们提供了在HIS空间处理图像的工具。

LAB空间

LAB空间也是一种以数字化的方式来描述人对色彩的的视觉感觉，与设备无关，自然界中的任何一种颜色都可以在LAB空间中表示出来，当然RGB空间中的任何一种颜色都能在LAB空间中找到对应值。LAB空间中，L表示亮度；a表示红色绿色轴，正数表示红色，负端代表绿色；b的正数代表黄色，负数代表蓝色。

从RGB到LAB空间的转换需要通过中间变量XYZ

设一张图片的RGB三个通道的值分别为（r,g,b）

1首先经过一次gamma校正，该函数是用来对图像进行非线性色调的编辑，用来提高对图像的对比度。

其中gamma函数定义为：

 

2计算XYZ

其中M为一个矩阵：

 

3计算LAB

其中

Ohta颜色空间

Ohta颜色空间是1980年Ohta 等人提出的颜色空间，该空间中三个颜色分量，I1，I2，I3，为一组正交的颜色特征集，它们也可由RGB颜色空间转换得到，三个分量各自互相独立。

利用该模型也可以对彩色图像进行分割，可以得到很好的效果（黄色的图像背景）