一、彩色图像基础

1、人眼中的彩色

一个彩色的光源能够发射400~760nm(纳米)的电磁波，一部分被物体吸收，一部分反射至人眼，引起了人眼对物体颜色的感知。大部分电磁波都被吸收物体时，人眼感知物体为黑色；大部分电磁波都被物体反射时，人眼感知物体为白色，某一波段的电磁波被物体反射回人眼，人眼感知的物体为彩色。例如，569- 590nm电磁波反射回人眼，人的视觉系统感知的就是黄色。

2、三原色

人的视觉系统中有两种细胞，一种 为杆状细胞，另一种为锥状细胞，杆状细胞为亮度感知细胞，锥状细胞为颜色感知细胞，在亮度足够的条件下，锥状细胞对红、绿、蓝这3种颜色波段的电磁波最为敏感，因此这3种颜色被称为三原色，人类视觉系统锥状细胞对可见光敏感曲线如图所示。根据人眼的视觉特性，自然界中的任何颜色都可以由三原色按照不同比例组合而成。 三原色必须是相互独立的，任何一种颜色都不能由其他两种组合而成。三原色的选择也并不是唯一的， 不一定必须是红、绿、蓝3种颜色，只要满足相互独立的3种颜色，并且能合成任意一种颜色，都可以作为三原色。国际照明委员会(CIE) 在1931年规定了三原色的波长为红700nm，绿546.1nm,蓝435.8。实际上光谱是连续的，并不是只有这3种波长能产生红、绿、蓝这3种颜色的感觉，CIE 只是给出一个标准。

3、计算机中的颜色表示

在计算机中，显示器的任何颜色(色彩全域)都可以由3种颜色红、绿、蓝组成，称为三基色。每种基色的取值范围是0~255。任何颜色都可以用这3种颜色按不同的比例混合而成，这就是三原色原理。在计算机中，三原色的原理可以这样解释： （1）计算机中的任何颜色都可以由3种颜色按不同的比例混合而成；而每种颜色都可以分解成3种基本颜色。 （2）三原色之间是相互独立的，任何一种颜色都不能由其余的两种颜色来组成。 （3）混合色的饱和度由3种颜色的比例来决定。混合色的亮度为3种颜色的亮度之和。

形成任何特殊颜色需要的红、绿、蓝的分量称为三色值，我们可以用X、Y和Z分别表示。此时，一种颜色可由三色值系数定义为： 且有：x+y+z=1。

二、彩色图像模型

彩色模型也称彩色空间或彩色系统，是用来精确标定和生成各种颜色的一套规则和定义，其用途是在某些标准下用通常可接受的方式简化彩色规范。彩色模型通常可以采用坐标系统来描述，而位于系统中的每种颜色都由坐标空间中的单个点来表示。

1、RGB模型

RGB模型是工业界的一种颜色标准，是通过对红(Red)、绿(Green)、蓝(Blue) 3个颜色亮度的变化以及它们相互之间的叠加来得到各种各样的颜色的。该标准几乎包括了人类视觉所能感知的所有颜色，是目前运用最广的颜色模型之一。

图像中的每个像素都以(R,G,B)表示，每种颜色用8位表示，每种颜色分量的灰度级为[0, 255]，共256级。因此, RGB模型可以表示2^8 x 2^8 X 2^8 =256X 256X256=16777216种颜色。

彩色图像的每个像素表示为一个RGB值，这些像素形成一副彩色图像。例如 (255,0,0)表示红色，(0,255, 0)表示绿色，(0, 0,255)表示蓝色，(255, 255, 255)表示白色，(0,0,0) 表示黑色，三原色等比例混合表示灰色等。

RGB模型基于笛卡尔坐标，构成了一个彩色立方体，如下图所示，图中对所有数据进行了归一化，取值范围为[0, 1]。原点为黑色，对角顶点(1, 1, 1)为白色，原点和对角顶点的连接线为灰度级。位于坐标轴3个顶点分别为(1, 0, 0)为红色、(0, 1, 0)为绿色，(0, 0, 1)为蓝色，剩下的3个顶点为三原色的补色，(1, 1, 0)为黄色，(1, 0, 1)为紫色，(0, 1，1)为青色。 2、HSV模型

HSV是指色调(Hue) 、饱和度(Saturation) 和明度(Value) 。HSV模型是一种主观模型，三维表示从RGB立方体演化而来。设想从RGB沿立方体对角线的白色顶点向黑色顶点观察，就可以看到立方体的六边形外形。六边形边界表示色调，水平轴表示饱和度，亮度沿垂直轴测量，如下图所示。色调H表示所处的光谱颜色的位置，该参数用一角度量来表示，红、绿、蓝分别相隔120°。互补色分别相差180°。饱和度S范围从0到1纯色饱和度最高S=1，S=0时，只有灰度。亮度V范围从0到1，和光强度之间并没有直接的联系。

从一种纯色彩开始，即指定H，并让V=S=1，然后通过向其中加入黑色和白色来得到需要的颜色。增加黑色可以减小V而S不变，同样增加白色可以减小S而V不变。

3、HSI模型

HSI模型是从人的视觉系统出发，直接使用颜色三要素色调(Hue)、饱和度(Saturation) 和亮度(Intensity)来描述颜色。

色调是一种描述颜色的一种属性，是人眼感知的彩色中，波长占优势的电磁波表达的颜色即色调由物体反射光线中占优势的波长来决定，不同的波长产生不同的颜色。自然界中大多数色彩都可以用一单颜色光和白光按一定比例合成，这种单一颜色光的波长在混合色彩中起主要作用，称为主波长。非单色光和白光按一定比例合成的色彩可用非单色光的补色光表示。.

饱和度是一种描述颜色纯净度的属性，单一颜色光的饱和度最高，掺入白光越多，饱和度越低即饱和度的深浅和白色的比例有关，白色比较越多，饱和度越低。饱和度的表达式为： 亮度是指人眼感觉光的明暗程度。光的能量越大，亮度越大，单位为流明数。

HSI彩色空间可以用一个圆锥空间模型来描述，如下图所示。我们通常把色调和饱和度统称为色度，用来表示颜色的类别与深浅程度。在图9. 8中圆锥中间的横截面圆就是色度圆，而圆锥向上或向下延伸的便是亮度分量的表示。

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，为了便于颜色处理和识别，人的视觉系统经常采用HSI彩色空间，它比RGB彩色空间更符合人的视觉特性。此外，由于HSI空间中亮度和色度具有可分离特性，使得图像处理和机器视觉中大量灰度处理算法都可在HSI彩色空间中方便地使用。

HSV和HSI模型的最大区别：HSI模型中的I是RGB的平均值即I=(R+G+B) / 3；HSV模型中的V是RGB的最大值即V =max(max(R,G),B)。

4、CMYK模型

CMYK模型称为减色模型，颜色来源于青、紫、黄三原色，在CMY模型基础上发展而来，这3种原色从照射纸上的白光中吸收一些颜色，从而改变光波产生颜色，即从白光中减去一些颜色而产生颜色，故称为减色模型。CMYK模型主要适用于印刷油墨和调色剂等实体物质产生颜色的场合，如彩色印刷领域。模型中，彩色图像的每个像素值用青、紫、黄、和黑油墨的百分比来度量颜色，浅颜色像素的油墨百分比较低，深颜色像素油墨的百分比较高，没有油墨的情况为白色，因此CMYK又称为四色印刷。

5、YUV模型

YUV模型是一种欧洲电视系统所采用的颜色编码方法，在现代彩色电视系统中,通常采用三管彩色摄影机或彩色CCD摄影机进行取像，然后把取得的彩色图像信号经分色、分别放大校正得到RGB，再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y和两个色差信号R-Y(即U)、B-Y(即V)，最后发送端将亮度和色差三个信号分别进行编码，用同一信道发送出去。这种色彩的表示方法即所谓的YUV模型。YUV模型将亮度信号Y和色度信号U、V是分离开来。若只有Y分量而没有U、V分量，则图像为黑白灰度图像。与RGB模型相比，YUV模型最大的优点在于信号传输时只需占用极少的频宽。

当白光的亮度用Y来表示时，它和红、绿、蓝三色光的关系可用如下式的方程描述：Y=0. 299R+0. 587G+0. 114B，这就是常用的亮度公式。色差U、V是由B一Y、R一Y按不同比例压缩而成的。如果要由YUV空间转化成RGB空间，只要进行相反的逆运算即可。

6、YCbCr模型

YCbCr模型是在世界数字组织视频标准研制过程中作为ITU-RBT1601建议的一部分，其实是YUV模型经过缩放和偏移的翻版。其中Y与YUV中的Y含义一致，Cb表示蓝色色度分量，Cr表示红色色度分量。YCbCr 是在计算机系统中应用最多的成员，其应用领域很广泛，JPEG、MPEG均采用此模型编码，一般讲的YUV大多是指YCbCr模型。

7、YIQ模型

YIQ模型是北美NTSC彩色制式，主要用于美国的电视系统。这种形式和欧洲的YUV模型有相同的优势：灰度信息和彩色信息是分离的。YIQ模型中，Y代表亮度，I代表色调，Q则代表饱和度。其中，亮度表示灰度，而色调和饱和度则存储彩色信息。

8、Lab模型

Lab模型是由国际照明委员会（CIE）在1976年提出。该模型理论上可以描述人眼能看到的所有颜色，是一种与设备无关的颜色空间，由亮度通道L和色彩通道a、b三个通道组成。其中L代表亮度即灰阶（灰阶是将最亮与最暗之间的亮度变化，区分为若干份，以便于进行信号输入相对应的屏幕亮度管控），它的取值范围为[0,100]，当L取0时表示黑色，L取100时表示白色。a和b的取值范围均为[-128,127]，a通道表示红绿颜色变化，当a取正数时表示红色，值越大表示图像中红色分量占比越大，当a取负数时表示绿色，绝对值越大表示图像中绿色分量占比越大。b通道表示黄蓝颜色变化，当b取正数时表示黄色，值越大表示图像中黄色分量占比越大，当b取负数时表示蓝色，绝对值越大表示图像中蓝色分量占比越大。且在Lab空间中亮度通道和色彩通道是可以分离的。

此处列举的彩色图像模型仅是书中常见的模型，此外还有其他许多模型在此不再说明。