顏色定量分析中常用顏色空間類型及其特點

為了對顏色進行定量的描述，CIE規定了多種類型的顏色空間，有混色顏色空間，也有顯色顏色空間，不同類型的顏色空間在定量表示顏色時，其方法是不同的。本文對顏色定量分析中常用顏色空間類型及其特點做了介紹。

顏色空間的分類：

顏色空間又稱為彩色模型，其作用是在某些標準下用通常可接受的方式對彩色加以說明。根據基本結構的差異，可將顏色空間分為：基色顏色空間（RGB）和色、亮分離顏色空間（CIE系列）。常用的顏色模式例如RGB模式，CMYK模式以及YUV、YIQ或YcbCr模式等，這些與明度、色相和飽和度沒有直接關系的顏色模型屬于基色空間，為了更好的數字化處理顏色，HSV、HIS等其他色相、亮度分離顏色空間模型被提出。顏色空間的選擇應根據圖像處理的實際需要而決定。RGB顏色空間和其他顏色空間之間可以互相轉換，從而適應不同的需求。在工業上，常用的顏色空間有RGB、HSV、HIS、CIELAB這四種，下文將分別進行介紹。

RGB顏色空間及其特點：

RGB顏色空間是最常見使用最廣泛的顏色空間模型之一。RGB分別代表R（red）紅色、G（green）綠色和B（blue）藍色三個顏色通道。自然界中任何一種色光都可以由R、G、B三基色按不同的比例混合得到，也可以分解成這三種顏色。RGB顏色空間如下圖所示的三維坐標系，X、Y、Z三個坐標軸分別表示紅色，藍色與綠色。為了方便表示，將空間坐標歸一化，則當三基色分量最弱即為0時混合為黑色，如圖中的原點坐標；當三基色分量最強即為1時混合為白色，如圖坐標（1，1，1），其對應最遠處斜對角的原點。立方體對角線的兩端，分別對應著互補色，就像黑和白。根據三基色原理可知，任意色光F可由F=r（R）+g（G）+b（B）求得，F的顏色值會隨著式中系數r、g、b中的任何一個的變化而改變。

HSV顏色空間及其特點：

HSV顏色空間是由色調（Hue）、飽和度（Saturation）和明度（Value）來表示顏色的一種顏色空間模型。HSV顏色模型可用如下圖所示的一個倒置圓錐空間來表示。

色相H代表色彩信息，表示物體反射光或投射光的顏色，用環形角度來表示，范圍為-180°～180°或者0°～360°紅色、綠色和藍色分別對應0°、120°和240°。色彩飽和度S表示所選顏色的純度和該顏色最大的純度之間的比率，它是一個比例值，范圍從0到1，S取0時，表示只有灰度。中心軸表示明度V，范圍為0到1，它和光強度之間并沒有直接的聯系。

HSV顏色空間是一種比較直觀的顏色模型，空間各軸在視覺上彼此無關。明度分量與圖像的彩色信息無關，所以對彩色處理只需要考慮與人眼感受顏色的方式很接近的H與S分量。

HIS顏色空間及其特點：

HSI模型以色調、飽和度和強度三種基本特征量來感知顏色。該顏色空間是依據人類的視覺系統，用色調（Hue）、色飽和度（Saturation）以及亮度（Intensity）三個顏色分量來描述色彩的，它反映了人的視覺系統感知彩色的方式。可以采用一個雙六棱錐模型來描述，如下圖所示。

在該模型中，縱軸代表亮度I，最高點代表白色，I=1；最低點代表黑色，I=0。H的度量是計算通過垂直軸的平面與S的角度來度量的，180°的相差代表的是互補色。S值的范圍是自0到1。當強度I=0時，色調H、飽和度S無定義；當S=0時，色調H無定義。此模型看起來復雜，但是在處理彩色圖像時，可僅對亮度（Intensity）分量進行處理，結果不改變原圖像中的彩色種類，非常有利于計算處理，檢測結果符合人眼視覺，便于顏色識別。

CIELAB顏色空間及其特點：

CIELAB顏色空間是一種基于生理特征的，與設備無關的顏色系統，且與人眼視覺感知相一致。其數值描述的是正常視力的人能看到的所有顏色。CIELAB色彩模型由亮度L*以及色品坐標a*和b*三個分量組成，如下圖所示，L*代表亮度分量，取值范圍為0~100，亮度L*的最小值和最大值分別代表黑色和白色，亮度L*取50代表50%的黑。a*表示從洋紅到綠色的色度范圍，值域為+127至-128，其對應的顏色表示為從紅色漸漸過渡到綠色。b*表示從黃色到藍色的范圍，值域+127至-128，對應的顏色從黃色漸漸變為藍色。

該顏色空間中，兩個顏色坐標點之間的幾何距離，與人眼觀察物體的色差大小相同，即代表了兩個顏色之間的色差值。很多色差公式都是依賴該顏色空間，是顏色差異的規范化空間。