颜色视觉：光线谱与RGB颜色空间

颜色视觉即色觉，是指人的视网膜受不同波长光线刺激后产生的一种感觉。产生色觉的条件，除视觉器官外，还必须有外界的条件，如物体的存在及其光线谱等。色觉涉及物理、化学、生理、生化及心理等学科，是一个复杂的问题。

2.1.2.1　颜色的基本特征

颜色的基本特征包括色调、亮度和饱和度。

(1)色调是指图像的相对明暗程度，在彩色图像上表现为颜色。在可见光谱中，不同波长的单色光在视觉上表现为不同的色调，如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等不同的色调。人眼辨别色调的能力非常精细，在青绿色和橙黄色附近的辨别能力最强，能识别相差仅1 nm波长的色光；而在可见光谱两端辨别色调的能力最差，在430～650 nm的范围外，几十纳米的波长变化人眼分辨不出来。

(2)亮度指图像画面的明暗程度，增加亮度后图像画面变亮，降低亮度后图像画面变暗，如图2－6所示。同一色调也有亮度的差别，如深红和淡红，两者显然是有区别的，其原因是亮度的不同。这里需要强调的是，如果我们对图像的亮度做一个剧烈的改变，那么便会在改变图像亮度的同时影响图像的饱和度、对比度和清晰度，如图2－6所示，在将图像亮度降低后，图像的饱和度、对比度和清晰度都降低了。因此，说明图像亮度、对比度、饱和度和锐化之间并不是彼此独立的，改变其中一个特征可能会同时引起图像其他特征的变化，至于变化的程度则取决于图像本身的特性。

图2－6　图像亮度处理前后的效果对比(附彩插)

(a)原始图像；(b)降低亮度后的图像

(3)饱和度是指颜色的纯度，即颜色的深浅。可见光谱中各种单色光的光谱色是最纯的，即饱和度最高，当某一光谱色同白色混合，则会因混合色中光谱色成分的多少，而成为浓淡不同的颜色，如图2－7所示，含白色的成分越多就越不饱和。饱和度的数值为百分比，为0～100%。例如，纯白光的色彩饱和度为0，而纯彩色光的饱和度则为100%。色饱和度受到屏幕亮度和对比度的双重影响，一般亮度好、对比度高的屏幕可以得到很好的色饱和度。调整饱和度可以修正过度曝光或者未充分曝光的图片，使图像看上去更加自然。

图2－7　图像饱和度处理前后的效果对比(附彩插)

(a)原始图像；(b)降低颜色饱和度后的图像

2.1.2.2　颜色模型

颜色模型(颜色空间)就是用一组数值来描述颜色的数学模型，在彩色图像处理中，选择合适的颜色模型是很重要的。从应用的角度来看，颜色模型可分为两类:一类是面向硬件设备的颜色模型，如RGB模型、CMY模型和YCbCr模型等，其中最典型、最常用的面向硬件设备的颜色模型是RGB模型，电视、摄像机和彩色扫描仪都是根据RGB模型工作的，而CMY模型主要用于彩色打印，图像处理中几乎没用到过，YCbCr模型常用于肤色检测；另一类是面向视觉感知的颜色模型，如HSI模型、HSV模型、HSB模型和Lab模型等，面向硬件设备的颜色模型与人的视觉感知有一定的差距且使用时不太方便，如给定一个彩色图像，人眼很难判定其中的RGB分量，这时面向视觉感知的颜色模型更加方便，该类模型与人类颜色视觉感知比较接近，有独立的显示设备，其中，HSI模型是常见的面向彩色处理的模型。因此，本书主要对常用的RGB模型和HSI模型展开详细介绍。

1)RGB模型

RGB模型也称为加色混色模型，是常用的一种彩色信息表达方式，它使用红色、绿色和蓝色的色光以不同的比例相加，以产生多种多样的色光，RGB模型从黑色不断叠加红、绿、蓝的颜色，最终可以得到白色光，如图2－8所示。

图2－8　RGB模型(附彩插)

由RGB模型可以得到RGB颜色空间，RGB颜色空间主要用于计算机图形学中，表示每个像素具有R、G、B 3种颜色，由于我们常用的显示器的位深为8位，而28是256，因此在RGB模型中，每一种颜色可分为0～255共256个等级，即R、G、B每个分量均为0～255的大小，以3个分量为坐标轴，构建一个三维颜色空间，如图2－9所示。图2－9中水平的R代表红色，向左下增加，G代表绿色，向右增加，竖直的B代表蓝色，向上增加，原点代表黑色。立方体内的不同点对应不同的颜色，可以用从原点到该点的矢量表示3个坐标值分别为红、绿、蓝3色的比例，也就是说，任何一种颜色在RGB颜色空间中都可以用三维空间中的一个点来表示。例如，(255，0，0)为红色，(0，255，0)为绿色，(0，0，255)为蓝色；当所有3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；当所有成分的值值为0时，结果是纯黑色。以黄色、洋红、青色为例说明RGB的数值表示:

黄色(Yellow)＝红色(R)＋绿色(G)，用数值表示则为(255，255，0)＝(255，0，0)＋(0，255，0)；

洋红(Magenta)＝红色(R)＋蓝色(B)，用数值表示则为(255，0，255)＝(255，0，0)＋(0，0，255)；

青色(Cyan)＝绿色(G)＋蓝色(B)，用数值表示则为(0，255，255)＝(0，255，0)＋(0，0，255)。

图2－9　RGB颜色空间

也就是说，图像只使用3种颜色，就可以使它们按照不同的比例混合，在屏幕上重现超过1 600万种的颜色。(www.xing528.com)

RGB颜色空间是依据人眼识别的颜色定义出的空间，可表示大部分颜色，但科学研究一般不采用RGB颜色空间，因为它的细节难以进行数字化的调整。它将符合人眼视觉的色调、饱和度、亮度3个量放在一起表示，很难分开，是最通用的面向硬件的颜色模型，该模型大多用于彩色监视器和彩色视频摄像，电视机、计算机的CRT显示器等大部分都是采用这种模型。

2)HSI模型

HSI模型是一个数字图像模型，是美国色彩学家孟塞尔(H.A.Munsell)于1915年提出的，它反映了人的视觉系统感知彩色的方式，以色调、饱和度和亮度3种基本特征量来感知颜色。HSI模型的建立基于两个重要的事实:第一，分量与图像的彩色信息无关；第二，H和S分量与人感受颜色的方式紧密相联。这些特点使得HSI模型非常适合彩色特性检测与分析。图2－10是色调、饱和度和亮度变化示意，下面详细解释色调、饱和度和亮度3种基本特征量。

图2－10　色调、饱和度和亮度变化示意(附彩插)

(a)色调改变；(b)饱和度由高到低；(c)亮度由低到高

(1)色调(H)。色调与光波的频率有关，它表示人的感官对不同颜色的感受，如红色、绿色、蓝色等；它也可表示一定范围的颜色，如暖色、冷色等。色调的取值范围为0～360。

(2)饱和度(S)。饱和度表示颜色的纯度，纯光谱色是完全饱和的，加入白光会稀释饱和度，即饱和度给出一种纯色被白光稀释的程度的度量。饱和度越大，颜色看起来就越鲜艳。饱和度的取值范围为0～1。

(3)亮度(I)。亮度对应成像亮度和图像灰度，是颜色的明亮程度。亮度是一个主观的描述，实际上，它是不可以测量的，体现了无色的强度概念，并且是描述彩色感觉的关键参数。亮度的取值范围为0～1。

HSI颜色模型可以用双六棱锥或双锥体表示，如图2－11所示，I是亮度轴，H的角度范围为0～2π，其中，纯红色的角度为0，纯绿色的角度为2π/3，纯蓝色的角度为4π/3。S是颜色空间任一点距I轴的距离。当I＝0时，H、S无定义；当S＝0时，H无定义。

图2－11　HSI颜色模型(附彩插)

(a)双六棱锥HSI模型；(b)双锥体HSI模型

鉴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，因为它比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HSI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HSI色彩空间可以大大简化图像分析和处理的工作量。

2.1.2.3　颜色模型间的转换

RGB色彩空间和HSI色彩空间只是同一物理量的不同表示法，因而它们之间存在着转换关系，下面介绍RGB与HSI之间的相互转换。

1)RGB模型转换为HSI模型

(1)利用式(2－1)计算HSI模型的角度θ。

(2)计算H、S、I。当G≥B时，转换公式见式(2－2)，当G＜B时，转换公式见式(2－3)。

2)HSI模型转换为RGB模型

H的范围不同，转换公式不同，当0°≤H≤120°时，转换公式如式(2－4)所示；当120°≤H≤240°时，转换公式如式(2－5)所示；当240°≤H≤360°时，转换公式如式(2－6)所示。