00. 目錄

文章目錄

• • 00. 目錄
  • 01. 什么是顏色
  • 02. 顏色的數字化
  • 03. 常見顏色模型
  • 04. 顏色模型分類
  • 05. 附錄

01. 什么是顏色

顏色是通過眼、腦和我們的生活經驗所產生的對光的視覺感受，我們肉眼所見到的光線，是由波長范圍很窄的電磁波產生的，不同波長的電磁波表現為不同的顏色，對色彩的辨認是肉眼受到電磁波輻射能刺激后所引起的視覺神經感覺。

1666年，牛頓發現，當一束太陽光通過一個玻璃棱鏡時，顯示的光束不再是白光，而是由一端為紫色而另一端為紅色的連續色譜組成。如下圖所示，為白光通過棱鏡看到的色譜。

光的色散示意圖

可見光電磁波譜的波長組成部分，我們能感受到的可見光的光譜范圍只占電磁波的一小部分。

02. 顏色的數字化

只需要選定三原色，并且對三原色進行量化，那就可以將人的顏色知覺量化為數字信號了。三色加法模型中，如果某一種顏色?，和另外一種三色混合色，給人的感覺相同時，這三種顏色的份量就稱為該顏色?的三色刺激值。對于如何選定三原色、如何量化、如何確定刺激值等問題，國際上有一套標準——CIE標準色度學系統。

CIE（國際照明委員會）是位于歐洲的一個國際學術研究機構，1931年，CIE(Commission International Eclairage)在會議上根據之前的實驗成果提出了一個標準——CIE1931-RGB標準色度系統。

CIE1931-RGB系統選擇了700nm? 546.1nm(G) 435.8nm(B) 三種波長的單色光作為三原色。之所以選這三種顏色是因為比較容易精確地產生出來（汞弧光譜濾波產生，色度穩定準確）。

從上圖可以看到，三個顏色的刺激值R、G、B如何構成某一種顏色：例如580nm左右(紅綠線交叉點)的黃色光，可以用1:1(經過亮度換算…)的紅綠兩種原色混合來模擬。

如果要根據三個刺激值R、G、B來表現可視顏色，繪制的可視圖形需要是三維的。為了能在二維平面上表現顏色空間，這里需要做一些轉換。顏色的概念可以分為兩部分：亮度（光的振幅，即明暗程度）、色度（光的波長組合，即具體某種顏色）。我們將光的亮度(Y)變量分離出來，之后用比例來表示三色刺激值：這樣就能得出r+g+b=1。由此可見，色度坐標r、g、b中只有兩個變量是獨立的。這樣我們就把刺激值R、G、B轉換成r、g、Y(亮度)三個值，把r、g兩個值繪制到二維空間得到的圖就是色域圖。

上圖中，馬蹄形曲線就表示單色的光譜（即光譜軌跡）。例如540nm的單色光，可以看到由r=0、g=1、b=(1-r-g)=0三個原色的分量組成。再例如380-540nm波段的單色光，由于顏色匹配實驗結果中紅色存在負值的原因，該段色域落在了r軸的負區間內。自然界中，人眼可分辨的顏色，都落在光譜曲線包圍的范圍內。

CIE1931-RGB標準是根據實驗結果制定的，出現的負值在計算和轉換時非常不便。CIE假定人對色彩的感知是線性的，因此對上面的r-g色域圖進行了線性變換，將可見光色域變換到正數區域內。CIE在CIE1931-RGB色域中選擇了一個三角形，該三角形覆蓋了所有可見色域，之后將該三角形進行如下的線性變換，將可見色域變換到(0,0)(0,1)(1,0)的正數區域內。即假想出三原色X、Y、Z，它們不存在于自然界中，但更方便計算。

該色度圖所示意的顏色包含了一般人可見的所有顏色，即人類視覺的色域。色域的馬蹄形弧線邊界對應自然界中的單色光。色域下方直線的邊界只能由多種單色光混合成。

在該圖中任意選定兩點，兩點間直線上的顏色可由這兩點的顏色混合成。給定三個點，三點構成的三角形內顏色可由這三個點顏色混合成。

給定三個真實光源，混合得出的色域只能是三角形（例如液晶顯示器的評測結果），絕對不可能完全覆蓋人類視覺色域。

這就是CIE1931-XYZ標準色度學系統。該系統是國際上色度計算、顏色測量和顏色表征的統一標準，是幾乎所有測色儀器的設計與制造依據。

03. 常見顏色模型

顏色模型就是描述用一組數值來描述顏色的數學模型。例如coding時最常見的RGB模型，就是用RGB三個數值來描述顏色。通常顏色模型分為兩類：設備相關和設備無關。

設備無關的顏色模型：這類顏色模型是基于人眼對色彩感知的度量建立的數學模型，例如上面提到的CIE-RGB、CIE-XYZ顏色模型，再比如由此衍生的CIE-xyY、CIE-Luv、CIE-Lab等顏色模型。這些顏色模型主要用于計算和測量。

設備相關的顏色模型：以最長見的RGB模型為例，一組確定的RGB數值，在一個液晶屏上顯示，最終會作用到三色LED的電壓上。這樣一組值在不同設備上解釋時，得到的顏色可能并不相同。再比如CMYK模型需要依賴打印設備解釋。常見的設備相關模型有：RGB、CMYK、YUV、HSL、HSB(HSV)、YCbCr等。這類顏色模型主要用于設備顯示、數據傳輸等。

04. 顏色模型分類

為了使用顏色空間，首先應該了解各種顏色空間的特性。顏色空間的分類有多種方法。

（1）按使用類別分類

彩色色度學模型：CIE-RGB、CIE-XYZ、均勻色差彩色模型（CIE 1976Luv和CIE Lab）

工業彩色模型：RGB彩色顯示模型、CMYK彩色印制模型、彩色傳輸模型YUV（PAL）、YIQ（NTSC）、YCrCb（數字高清晰度電視）

視覺彩色模型：HVC（孟賽爾）、HSB（Photoshop）、HLS（Windows畫圖和Apple Color Picker）、HSI（圖像分割）、HSY（電視）、Ohta（圖像分割）等。

（2）按顏色感知分類

混合顏色模型：按3種基色的比例混合而成的顏色。RGB、CMYK、XYZ等

非線形亮度/色度顏色模型：用一個分量表示非色彩的感知，用兩個分量表示色彩的感知，這兩個分量都是色差屬性。Lab、Luv、YUV、YIQ等。

強度/飽和度/色調模型：用強度描述亮度或灰度等光強的感知，用飽和度和色調描述色彩的感知，這兩個分量接近人眼對顏色的感覺。如HIS、HSL、HSV、LCH等

05. 附錄

參考：數字圖像處理(2): 顏色空間/模型—— RGB, CMY/CMYK, HSI, HSV, YUV

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【图像处理】数字图像处理之颜色的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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