常用颜色模型

天津电子信息职业技术学院 邵慧娟

1.引言

人眼所感知到的物体的颜色由物体反射光的特性所决定。颜色模型是三维颜色空间中的一个可见光子集，它包含某个颜色域的所有颜色。常用的颜色模型、主要有RGB、HSV、NTSC、YCbCr、HSI、CMYK等。它们在不同的行业各有所指，但在计算机技术方面运用最为广泛。

2.RGB模型

人眼内的锥状体分为三类，分别对红、绿、蓝敏感。对红光敏感的锥状体占65%；对绿光敏感的锥状体占33%；对蓝光敏感的锥状体占2%(敏感度最高)。其中波长445nm为蓝色，535nm为绿色，575nm为红色。

CIE(国际照明委员会)规定了以三个色光为三基色，又称为物理三基色。自然界的所有颜色都可以通过选用这三基色按不同比例混合而成。

在计算机上显示一幅彩色图像时，每一个像素的颜色是通过三种基本颜色(即红、绿、蓝)合成的，即最常见的RGB颜色模型。用RGB彩色模型表示的图像包含3个图像分量，分别为红、绿、蓝三原色相对应。

RGB颜色模型通常使用于彩色阴极射线关等彩色光栅图形显示设备中，彩色光栅图像的显示器都使用R、G、B数值来驱动R、G、B电子枪发射电子，并分别激发荧光屏上的R、G、B三种颜色的荧光粉发出不同亮度的光线，并通过相加混合产生各种颜色；扫描仪也是通过吸收原稿经反射或投射而发送来的光线中的R、G、B成分，并用它来表示原稿的颜色。RGB颜色模型称为与设备相关的颜色模型，RGB颜色模型所覆盖的颜色域取决于显示设备荧光点的颜色特性，是与硬件相关的。

RGB模型也称为加色法混色模型，是我们使用最多，最熟悉的颜色模型，它以RGB三色光互相叠加来实现混色的方法，因而是面向诸如彩色显示器或打印机之类的硬件设备的常见的颜色模型。该模型基于笛卡尔坐标系统，三个轴分别对应R(即红色)、G(即绿色)、B(即蓝色)。

为图像中每一个像素的RGB分量分配一个0～255范围内的强度值。RGB图像只使用三种颜色，就可以使它们按照不同的比例混合，在屏幕上重现16777216种颜色。每种RGB成分都可使用从0（黑色）到255（白色）的值。例如，亮红色使用R值255、G值0和B值0。当所有三种成分值相等时，产生灰色阴影。当所有成分的值均为255时，结果是纯白色；当该值为0时，结果是纯黑色。

为了方便，通常将该模型空间归一化为单位立方体，这样所用的R、G、B值都落在[0，1]区间。此时，原点对应黑色，离原点最远的立方体的顶点对应白色，而从黑到白的灰度值落在从原点到离原点最远的顶点的连线上。

RGB颜色模型是面向硬件的，而HSV（Hue Saturation Value）颜色模型是面向用户的。

HSV模型的三维表示从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。六边形边界表示色彩，水平轴表示纯度，明度沿垂直轴测量。

3.HSV模型

HSV(Hue，Saturation，Value)是根据颜色的直观特性由A.R.Smith在1978年创建的一种颜色空间，也称六角锥体模型(Hexcone Model)。这个模型中颜色的参数分别是：色调(H)，饱和度(S)，亮度(V)。

HSV模型是面向用户的，是一种复合主观感觉的色彩模型。HSV模型对应于圆柱坐标系中的一个圆锥子集，H即色调(Hue)，表示颜色的种类，取值范围为[0，1]，相应的颜色从红、黄、绿、蓝绿、蓝、紫到黑变化，且它的值由绕V轴的旋转角决定，每一种颜色和它的补色之间相差180°。S即饱和度(Saturation)，它的取值范围也是[0，1]，相应的颜色从未饱和(灰度)向完全饱和(无白色元素)变化。V即亮度(Value)，其取值范围同样是[0，1]，相应的颜色逐渐变亮，但其和光强度之间并没有直接的联系。

一般说来，人眼最大能区分128种不同的色彩，130种色饱和度，23种明暗度。如果我们用16Bit表示HSV的话，可以用7位存放H，4位存放S，5位存放V，即745或者655就可以满足我们的需要。

由于HSV是一种比较直观的颜色模型，所以在许多图像编辑工具中应用比较广泛，。但这也决定了它不适合使用在光照模型中，许多光线混合运算、光强运算等都无法直接使用HSV来实现。

4.NTSC模型

NTSC模型是一种用于电视图像的颜色模型。NTSC模型使用的是YIQ色彩坐标系，其中Y为光亮度，I为色调，Q为饱和度。其中，亮度Y表示灰度信息，后两者表示颜色信息。因此，该模型的主要优点就是将灰度信息和颜色信息区分开来。

5.YCbCr模型

YCbCr是DVD、摄像机、数字电视等消费类视频产品中，常用的色彩编码方案。YCbCr不是一种绝对色彩空间，是YUV压缩和偏移的版本。YCbCr其中Y是指亮度分量，Cb指蓝色色度分量，而Cr指红色色度分量。人的肉眼对视频的Y分量更敏感，因此在通过对色度分量进行子采样来减少色度分量后，肉眼将察觉不到的图像质量的变化。

主要的子采样格式有YCbCr 4∶2∶0、YCbCr 4∶2∶2和YCbCr 4∶4∶4。4∶2∶0表示每4个像素有4个亮度分量，2个色度分量(YYYYCbCr)，仅采样奇数扫描线，是便携式视频设备(MPEG-4)以及电视会议(H.263)最常用格式；4∶2∶2表示每4个像素有4个亮度分量，4个色度分量(YYYYCbCrCbCr)，是DVD、数字电视、HDTV以及其它消费类视频设备的最常用格式；4∶4∶4表示全像素点阵(YYYYCbCr-CbCrCbCrCbCr)，用于高质量视频应用、演播室以及专业视频产品。

YCbCr模型是视频图像和数字图像中常用的色彩模型。YCbCr模型中，Y为亮度，Cb和Cr共同描述图像的色调，期中Cb、Cr分别为蓝色分量和红色分量相对于参考值的坐标。

YCbCr模型中的数据可以是双精度类型，但存储空间为8为无符号整型数据空间，且Y的取值范围为[16，235]，Cb和Cr的取值范围为[16，240]。

6.HSI模型

HIS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。HSE色彩空间可以用一个圆锥空间模型来描述。用这种描述HIS色彩空间的圆锥模型相当复杂，但确能把色调、亮度和色饱和度的变化情形表现得和清楚。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。在图像处理和计算机视觉中大量算法都可在HIS色彩空间中方便地使用，它们可以分开处理而且是相互独立的。因此，在HIS色彩空间可以大大简化图像分析和处理的工作量。

7.CMYK模型

印刷工业的实际印刷中，一般采用青(C)、品(M)、黄(Y)、黑(BK)四色印刷，在印刷的中间调至暗调增加黑版。当红绿蓝三原色被混合时，会产生白色，但是当混合蓝绿色、紫红色和黄色三原色时会产生黑色。既然实际用的墨水并不会产生纯正的颜色，黑色是包括在分开的颜色，而这种模型称之为CMYK。

CMYK具有多值性，也就是说对同一种具有相同绝对色度的颜色，在相同的印刷过程前提下，可以用分CMYK数字组合来表示和印刷出来。这种特性给颜色管理带来了很多麻烦，同样也给控制带来了很多的灵活性。在印刷过程中，必然要经过一个分色的过程，所谓分色就是将计算机中使用的RGB颜色转换成印刷使用的CMYK颜色。

[1]龚声蓉,刘纯平,王强.编著.数字图像处理与分析[M].清华大学出版社,2006.

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