颜色定量分析中常用颜色空间类型及其特点

为了对颜色进行定量的描述，CIE规定了多种类型的颜色空间，有混色颜色空间，也有显色颜色空间，不同类型的颜色空间在定量表示颜色时，其方法是不同的。本文对颜色定量分析中常用颜色空间类型及其特点做了介绍。

颜色空间的分类：

颜色空间又称为彩色模型，其作用是在某些标准下用通常可接受的方式对彩色加以说明。根据基本结构的差异，可将颜色空间分为：基色颜色空间（RGB）和色、亮分离颜色空间（CIE系列）。常用的颜色模式例如RGB模式，CMYK模式以及YUV、YIQ或YcbCr模式等，这些与明度、色相和饱和度没有直接关系的颜色模型属于基色空间，为了更好的数字化处理颜色，HSV、HIS等其他色相、亮度分离颜色空间模型被提出。颜色空间的选择应根据图像处理的实际需要而决定。RGB颜色空间和其他颜色空间之间可以互相转换，从而适应不同的需求。在工业上，常用的颜色空间有RGB、HSV、HIS、CIELAB这四种，下文将分别进行介绍。

RGB颜色空间及其特点：

RGB颜色空间是最常见使用最广泛的颜色空间模型之一。RGB分别代表R（red）红色、G（green）绿色和B（blue）蓝色三个颜色通道。自然界中任何一种色光都可以由R、G、B三基色按不同的比例混合得到，也可以分解成这三种颜色。RGB颜色空间如下图所示的三维坐标系，X、Y、Z三个坐标轴分别表示红色，蓝色与绿色。为了方便表示，将空间坐标归一化，则当三基色分量最弱即为0时混合为黑色，如图中的原点坐标；当三基色分量最强即为1时混合为白色，如图坐标（1，1，1），其对应最远处斜对角的原点。立方体对角线的两端，分别对应着互补色，就像黑和白。根据三基色原理可知，任意色光F可由F=r（R）+g（G）+b（B）求得，F的颜色值会随着式中系数r、g、b中的任何一个的变化而改变。

HSV颜色空间及其特点：

HSV颜色空间是由色调（Hue）、饱和度（Saturation）和明度（Value）来表示颜色的一种颜色空间模型。HSV颜色模型可用如下图所示的一个倒置圆锥空间来表示。

色相H代表色彩信息，表示物体反射光或投射光的颜色，用环形角度来表示，范围为-180°～180°或者0°～360°红色、绿色和蓝色分别对应0°、120°和240°。色彩饱和度S表示所选颜色的纯度和该颜色最大的纯度之间的比率，它是一个比例值，范围从0到1，S取0时，表示只有灰度。中心轴表示明度V，范围为0到1，它和光强度之间并没有直接的联系。

HSV颜色空间是一种比较直观的颜色模型，空间各轴在视觉上彼此无关。明度分量与图像的彩色信息无关，所以对彩色处理只需要考虑与人眼感受颜色的方式很接近的H与S分量。

HIS颜色空间及其特点：

HSI模型以色调、饱和度和强度三种基本特征量来感知颜色。该颜色空间是依据人类的视觉系统，用色调（Hue）、色饱和度（Saturation）以及亮度（Intensity）三个颜色分量来描述色彩的，它反映了人的视觉系统感知彩色的方式。可以采用一个双六棱锥模型来描述，如下图所示。

在该模型中，纵轴代表亮度I，最高点代表白色，I=1；最低点代表黑色，I=0。H的度量是计算通过垂直轴的平面与S的角度来度量的，180°的相差代表的是互补色。S值的范围是自0到1。当强度I=0时，色调H、饱和度S无定义；当S=0时，色调H无定义。此模型看起来复杂，但是在处理彩色图像时，可仅对亮度（Intensity）分量进行处理，结果不改变原图像中的彩色种类，非常有利于计算处理，检测结果符合人眼视觉，便于颜色识别。

CIELAB颜色空间及其特点：

CIELAB颜色空间是一种基于生理特征的，与设备无关的颜色系统，且与人眼视觉感知相一致。其数值描述的是正常视力的人能看到的所有颜色。CIELAB色彩模型由亮度L*以及色品坐标a*和b*三个分量组成，如下图所示，L*代表亮度分量，取值范围为0~100，亮度L*的最小值和最大值分别代表黑色和白色，亮度L*取50代表50%的黑。a*表示从洋红到绿色的色度范围，值域为+127至-128，其对应的颜色表示为从红色渐渐过渡到绿色。b*表示从黄色到蓝色的范围，值域+127至-128，对应的颜色从黄色渐渐变为蓝色。

该颜色空间中，两个颜色坐标点之间的几何距离，与人眼观察物体的色差大小相同，即代表了两个颜色之间的色差值。很多色差公式都是依赖该颜色空间，是颜色差异的规范化空间。