颜色空间模型及其应用

光的颜色由不同波长的电磁波所决定。人的眼睛内有几种辨别颜色的锥形感光细胞，分别对黄绿色、绿色和蓝紫色（或称紫罗兰色）的光最敏感（波长分别为564、534和420 nm）。可见光的光谱如图3.2所示。

图3.2　可见光的光谱

表征颜色的模型不止一种，根据人眼的视觉效果，主要可以通过RGB、HSV、Lab、CMYK等色域模型将可见光的颜色描述出来。

①RGB模型。RGB模型（图3.3（a））可以使用vec3（r，g，b）表示。在模型的三维直角坐标系中，x、y、z轴相当于红、绿、蓝三通道，原点vec3（0.0，0.0，0.0）代表黑色，顶点vec3（1.0，1.0，1.0）代表白色，原点到顶点的中轴线x=y=z代表灰度线。RGB模型适用于计算机表示，将RGB以不同的比例混合后，人的眼睛可以形成与其他各种频率的可见光等效的色觉。

用RGB模型表征色彩、深浅、明暗变化的方法是：

色彩变化：三个轴RGB的最大分量顶点与黄紫青（YMC）色顶点的连线；

深浅变化：RGB顶点与CMY顶点到中轴线（原点和顶点的连线）的距离；

明暗变化：中轴线上的点的位置。离远点近偏暗，反之偏亮。

②HSV模型。HSV（Hue色相、Saturation饱和度、Value/Brightness亮度，也称为HSB）模型更符合人类习惯。HSV模型可以使用倒锥形模型表示（图3.3（b））。模型中H表示色彩信息，即光谱颜色所在的位置，该参数用角度来表示，红、绿、蓝分别相隔120°，互补色（CMY）分别相差180°。纯度S是一个比例值，范围[0，1]，表示所选颜色的纯度和该颜色最大纯度之间的比率，当S=0时，代表灰度。V表示色彩的明亮程度，范围[0，1]，与光强度无直接关系。(www.xing528.com)

HSV对人类来说是一种最直观的颜色模型，先指定彩色角H，并使V=S=1.0，然后通过添加黑色或者白色得到目标颜色。增加黑色可以减小V而S不变，这样就减小了该颜色亮度；同样，增加白色可以减小S而V不变，这样就增加了颜色亮度。例如深蓝色为（240°，1.0，0.4），浅蓝色为（240°，0.4，1.0）。

③Lab模型。Lab模型则基于人对颜色的感觉，描述的是颜色的显示方式，而非显示设备生成颜色所需要的特定色料的数量，故Lab也被视为与设备无关的颜色模型（图3.3（c））。

图3.3　典型的颜色空间模型

Lab色彩模型是由亮度（Luminosity）和有关色彩的a、b 3个要素组成。a表示从洋红色到绿色的范围，b表示由黄色到蓝色的范围。即a的正数代表红色，负端代表绿色，b的正数代表黄色，负端代表蓝色。L取值范围是[0，100]，当L=50时，相当于50%的黑。a、b的值域都是[-128，127]。当x=-128时，a是绿色，b是蓝色；当x渐渐过渡到127时，a渐渐变成了洋红色，b渐渐变成了黄色。所有的颜色可以由这3个值交互变化组成。例如，当Lab取值为（100，30，0）时，色彩表现为粉红色。

Lab模式中，a轴和b轴与RGB模型相比，洋红色更加偏红，绿色更加偏青，黄色略带红色，蓝色略偏青色。Lab模型具有不依赖设备的优点，除此之外，它还具有宽阔的色域优势。色域范围内不仅包含了RGB、CMYK的所有色域，还能表示它们不能表现的色彩。人类能感知的色彩，都能通过Lab模型表现出来。另外，Lab色彩模型弥补了RGB色彩模型中分布不均匀的不足，在RGB模型中蓝色到绿色之间过渡的色彩多，而绿色到红色之间缺少黄色和其他色彩。所以，如果想在数字图像处理中保留宽阔的色域和丰富的色彩，最好选择Lab模型。

Lab模型又称亮度-对比度模型，被设计来接近人类视觉。OpenMV、OpenCV等很多图像处理库都是基于Lab模式进行颜色模型参数的训练，设计查找色块的算法。