颜色空间概述

　　 人类获取信息的70~80%来源于视觉。

　多媒体计算机的图像处理和视频效应的过程：首先必须把连续的图像函数f(x,y) 进行空间和幅值上的离散化处理。然后再将离散化的数字信息还原为连续的图像。将空间坐标离散化与图像颜色离散化的两者结合叫做图像的数字化,离散化的结果称为数字图像。

　　1．采样

采样（Perceptionmedium）将空间连续坐标(x,y)函数离散化。 　　 　　采样原理（惠特克—卡切尼柯夫—香农）——对连续图像彩色函数f(x,y)，沿x方向以等间隔Δx采样，采样点数为N；沿y方向以等间隔Δy采样，采样点数为N；于是得到一个NxN的离散样本阵列[f(m,n) ]NxN，为了达到最小失真（还原）度，采样密度（间隔Δx与Δy应满足采样频率大于等于二倍的图像变化频率。 　　 　　采用上述采样定理后，所确定的数字图像的还原失真度最小（仍存在失真）。

　　2．量化

量化（Representationmedium）将图像函数f(x,y) 颜色的离散化。 　　　　对每个离散点（像素）的灰度或颜色样本进行数字化处理。即：在样本幅值的动态范围内进行分层、取整，以正整数表示。用G=2m,表示一幅黑白灰度的图像表示为： 级（m） 8 7 6 5 4 3 2 1 灰度级 256 128 64 32 16 8 4 2

　　二．颜色的基本概念

　　亮度、色调、饱和度

Y亮度：亮度是光作用于人眼所引起的明亮程度的感觉，它与被观察物体的发光强度有关。主要表现光的强和弱。 H色调：色调是当人眼看一种或多种波长的光时所产生的色彩感觉，它反映颜色的种类，是决定颜色的基本特征。 S饱和度：饱和度是指颜色的纯度即掺入白光的程度，表示颜色深浅的程度。 例如：红 + 白光 =　粉红色 饱和度下降 　　 红 + 另一种颜色的光　　　色调发生变化 色调和饱和度通称为——色度。

　　三基色(RGB)的原理

自然界常见的各种颜色光，都是由红(R)、绿(G)、蓝(B)三种颜色光按不同比例相配而成，同样绝大多数颜色也可以分解成红、绿、蓝三种色光，这就是色度学中最基本的原理—三基色原理。 红色+绿色=黄色 红色+蓝色=品红 绿色+蓝色=青色 红色+绿色+蓝色=白色 　　RGB和黑白电视信号不兼容，希望空中发射的信号转换成YUV信号。 　　当白光的亮度用Y来表示时，它和红、绿、蓝三色的关系可用如下方程描述： 　　NTSC电视制式： 　　　Y=0.299R+0.587G+0.114B 　　PAL电视制式的亮度方程为：　 　　　Y=0.222R+0.707G+0.071B

　　　　　　

　　三．彩色空间表示

　　1．RGB彩色空间

一个能发出光波的物体称为有源物体，它的颜色由该物体发出的光波决定，使用RGB相加混合模型。 　　计算机彩色显示器的输入需要RGB三个彩色分量，通过三个分量的不同比例，在显示屏幕上合成所需要的任意颜色。在RGB彩色空间，任意彩色光F的配色方程可表达为： F = r[R]（红色百分比） +g[G]（绿色百分比） + b[B]（蓝色百分比）

　　2．CMY色彩空间

一个能不发光波的物体称为无源物体，它的颜色由该物体吸收或者反射哪些光波决定，使用CMY相减混合模型。 　　彩色印刷或彩色打印的纸张是不能发射光线的，因而印刷机或彩色打印机就只能使用一些能够吸收特定的光波而反射其它光波的油墨或颜料。 　　油墨或颜料的三基色是青（Cyan）、品红（Magenta）和黄（Yellow），简称为CMY。青色对应蓝绿色；品红对应紫红色。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。 　　青色，品红，黄色分别是红、绿、蓝三色的补色。

　　3．YUV和YIQ彩色空间

电视系统中用YUV和YIQ模型来表示的彩色图像。 ·PAL彩色电视制式中使用YUV模型：Y表示亮度信号，U、V表示色差信号，UV构成彩色的两个分量。 ·NTSC彩色电视制式中使用YIQ模型，其中Y表示亮度，I、Q是两个彩色分量。 YUV 彩色空间特点 · 亮度信号（Y）和色度信号（U，V）是相互独立的，也就是Y信号分量构成的黑白灰度图与用U，V信号构成的另外两幅单色图是相互独立的。由于Y，U，V是独立的，所以可以对这些单色图分别进行编码。黑白电视机能够接收彩色电视信号也就是利用了YUV分量之间的独立性。 电视系统为什么采用YUV或YIQ模型呢？ ·眼对彩色图象细节的分辨本领比对黑白图象低，因此，对色差信号， U , V，可以采用“大面积着色原理”。 大面积着色原理 · 用亮度信号Y 传送细节，用色差信号U . V 进行大面积涂色。因此，彩色信号的清晰度由亮度信号的带宽保证，而把色差信号的带宽变窄。正是由于这个原因，在多媒体计算机中，采用了YUV彩色空间，数字化的表示，通常采用Y:U:V = 8:4:4， 或者 Y:U:V = 8:2:2。 ·例如8:2:2具体的做法是：对亮度信号Y，每个像素都用8位2进制数表示（可以有256级亮度），而U ， V 色差信号每4个像素点用一个8位数表示，即画面的粒子变粗，但这样能够节约存储空间，将一个像素用24为表示压缩为用12位表示，节约1/2存储空间，而人的眼睛基本上感觉不出这种细节的损失，这实际上也是图像压缩技术的一种方法。 YIQ彩色空间的优点 ·美国，日本等国采用了NTSC制式，选用的是YIQ彩色空间。Y仍为亮度信号，I，Q仍为色差信号，他们与U, V不同，（但可以相互转换）。 选择YIQ彩色空间的好处： ·人眼的彩色视觉的特性表明，人眼分辨红、黄之间颜色变化的能力最强，而分辨蓝与紫之间颜色变化的能力最弱。通过一定的变化，I对应于人眼最敏感的色度，而Q对应于人眼最不敏感的色度。这样，传送Q可以用较窄的频宽，而传送分辨率较强的I信号时，可以用较宽的频带。对应于数字化的处理，可以用不同位数的字节数来记录这些分量。

　　4．HIS彩色空间

HSI色彩空间是从人的视觉系统出发，用色调（Hue）、色饱和度（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HSI色彩空间的圆锥模型相当复杂，但的确能把色调、亮度和色饱和度的变化情形表现得很清楚。 　　　　HSI彩色空间的优点： 　　　　·我们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。 　　　　·采用HSI彩色空间减少彩色图象处理的复杂性，增加快速性，它更接近人对彩色的认识和解释。例如对色调、饱和度和亮度通过算法进行操作。在图象处理和计算机视觉中的大量算法，都可以在HIS空间中方便的使用。它们可以分开处理而且是互相独立的，因此HIS彩色空间可以大大简化图像分析和处理的工作量。

　　　 　

　　四．彩色空间的转换及实现技术

　　RGB，HSI，YUV，CMYK等不同的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相互转换关系，这种转换可以通过数学公式的运算而得。例如，CMY为相减混色，它与相加混色的RGB空间正好互补。

　　1．RGB与CMYK彩色空间的转换
　 　CMYK为减基色，RGB为加基色，两个空间正好互补，用白色减去RGB空间中的某一彩色值就等于同种颜色在CMYK空间中的值。
　　　红色＋青色＝绿色＋品红＝蓝色＋黄色＝白色　

RGB相加混色	CMYK相减混色	对应色彩
0 0 0	1 1 1
0 0 1	1 1 0
0 1 0	1 0 1
0 1 1	1 0 0
1 0 0	0 1 1
1 0 1	0 1 0
1 1 0	0 0 1
1 1 1	0 0 0

　　2．YUV、YIQ、HIS与RGB之间的转换

　五．彩色电视信号制式

　　电视信号是视频处理的重要信息源。电视信号的标准也称为电视的制式。目前各国的电视制式不尽相同，不同制式之间的主要区别在于不同的刷新速度、颜色编码系统和传送频率等。目前世界上常用的电视制式有中国、欧洲使用的PAL制，美国、日本使用的NTSC制及法国等国所使用的SECAM制。

　　1．NTSC制

NTSC(National Television Standard Committe)是美国国家电视系统委员会在1953年制定的一种兼容的彩色电视制式，是目前常用的视频标准，在美国、日本和其他国家广为使用。它定义了彩色电视机对于所接受的电视信号的解码方式、色彩的处理方式、屏幕的扫描频率。NTSC制规定水平扫描线有625条，以每秒30帧速率传送。NTSC采用隔行扫描方式，每一帧画面由两次扫描完成，每一次扫描画出一个场需要1/60秒,两个场构成一帧。

　　2．PAL制

　　PAL(Phase Alternate Lock)是联邦德国1962年制定的一种兼容电视制式。PAL意指“相位逐行交变”，我国和大部分西欧国家都使用这种制式。PAL制规定水平扫描625行、每秒25帧、隔行扫描、每场需要1/50秒。

　　3．SECAM

SECAM(Sequential Color and Memory)称为顺序传送彩色与存储，是用于法国、俄罗斯及几个东欧国家的彩色电视制式。但基本技术及广播方式与NTSC和PAL有很大的区别。

三种彩色电视制式的主要技术指标
TV制式	NTSC	PAL	SECAM
帧频(Hz)	30	25	25
行/帧	525	625	625
亮度带宽(MHz)	4.2	6.0	6.0
彩色幅载波(Hz)	3.58	4.43	4.25
声音载波(MHz)	4.5	6.5	6.5