1.1.4  彩色空间

自然界中的所有颜色都可以由红、绿、蓝（R、G、B）三种颜色合成，数字图像也是如此。针对红（绿/蓝）分量的多少，人为地划分为0～255共256个等级，0表示不含红色（绿/蓝）成分，255表示含有100%红色（绿/蓝）成分。根据红、绿、蓝各种不同的组合就能表示256256256种颜色，例如一个像素，当它的红、绿、蓝成分分别为255、0、255时显示为紫色。而对于灰度图像的像素，该像素的红、绿、蓝成分是相等的，只不过随着这三个分量数值的增大，像素颜色从黑色变成白色。

从上面介绍可知，彩色数字图像可以由RGB彩色空间表示。彩色空间是用来表示彩色的数学模型，又被称为彩色模型。RGB彩色空间是最常用的一种彩色空间，但在计算机系统中表达颜色信息的空间不止这一种，此处介绍3种最常用的彩色空间。

1．RGB彩色空间

几乎所有的彩色成像设备和彩色显示设备都采用RGB（Red / Green / Blue，红绿蓝）三基色，不仅如此，数字图像文件的常用存储形式，也以RGB三基色为主，由RGB三基色为坐标形成的空间称为RGB彩色空间。

根据色度学原理，自然界的各种颜色光都可由红、绿、蓝三种颜色的光按不同比例混合而成，同样，自然界的各种颜色光都可分解成红、绿、蓝三种颜色光，所以将红、绿、蓝三种颜色称为三基色。

图1-5所示是RGB三基色合成其他颜色的典型例子和RGB彩色空间以及基色间的关系。由图1-5（a）可以看出，青色可以由绿色和蓝色合成，洋红（或品红）可以由红色和蓝色合成，黄色可以由红色和绿色合成，而青色、洋红和黄色恰好是CMY（Cyan/Magenta/Yellow）三基色。当RGB三基色以等比例或等量进行混合时，可以得到黑、灰或白色，而采用不同比例进行混合时，就得到千变万化的颜色。

图1-5  三基色原理图

在RGB彩色空间中，任意彩色光L的配色方程参见公式（1-1）。

（1-1）

其中， 、 、 为彩色光L的三基色分量或百分比。

2．CMY彩色空间

自然界物体颜色光的形成方式将物体划分为两类——发光物体和不发光物体，发光物体称为有源物体，不发光物体称为无源物体。有源物体是自身发出光波的物体，其颜色由物体发出的光波决定，因此采用RGB三基色相加模型和RGB彩色空间描述。有源物体的例子包括彩色电视、彩色显示器等。

无源物体是不发出光波的物体，其颜色由该物体吸收或反射哪些光波来决定，因此采用CMY三基色相减模型和CMY彩色空间描述。例如，在彩色印刷和彩色打印时，纸张是不能发射光线而只能反射光线的，因此，彩色印刷机和彩色打印机只能通过一些能够吸收特定光波和反射其他光波的油墨和颜料以及它们的不同比例的混合来印出千变万化的颜色。

油墨和颜料的三基色是CMY（Cyan / Magenta / Yellow，青/洋红/黄）而不是RGB，CMY三基色的特点是油墨和颜料用得越多，颜色越暗（或越黑），所以将CMY称为三减色，而RGB称为三加色。理论上讲，等量的CMY可以合成黑色，但实际上纯黑色是很难合成出来的，所以彩色印刷机和彩色打印机要提供专门的黑色油墨，被人们称为四色印刷，四色印刷的彩色模型为CMYK模型。

3．HSI彩色空间

另一种常见的彩色模型是HSI（Hue / Saturation / Intensity，色调/饱和度/强度）模型。采用色调和饱和度来描述颜色，是从人类的色视觉机理出发提出的。

色调Hue表示颜色，颜色与彩色光的波长有关，将颜色按红橙黄绿青蓝紫顺序排列定义色调值，并且用角度值（0º～360º）来表示。例如红、黄、绿、青、蓝、洋红的角度值分别为0º、60º、120º、180º、240º和300º。

饱和度Saturation表示色的纯度，也就是彩色光中搀杂白光的程度。白光越多饱和度越低，白光越少饱和度越高且颜色越纯。饱和度的取值采用百分数（0%～100%），0%表示灰色光或白光，100%表示纯色光。

强度Intensity表示人眼感受到彩色光的颜色的强弱程度，它与彩色光的能量大小（或彩色光的亮度）有关，因此有时也用亮度Brightness来表示。

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。人类的视觉系统对亮度的敏感程度远强于对颜色浓淡的敏感程度，对比RGB彩色空间，人类的视觉系统的这种特性采用HSI彩色空间来解释更为适合。HSI彩色描述对人来说是自然的、直观的，符合人的视觉特性，HSI模型对于开发基于彩色描述的图像处理方法也是一个较为理想的工具，例如在HSI彩色空间中，可以通过算法直接对色调、饱和度和亮度独立地进行操作。采用HSI彩色空间有时可以减少彩色图像处理的复杂性，提高处理的快速性，同时更接近人对彩色的认识和解释。

图1-6  HSI彩色空间示意图

HSI彩色空间是一个圆锥型空间模型，如图1-6（a）所示。圆锥模型可以将色调、强度以及饱和度的关系变化清楚地表现出来。圆锥型空间的竖直轴表示光强I，顶部最亮表示白色，底部最暗表示黑色，中间是在最亮和最暗之间过渡的灰度。圆锥型空间中部的水平面圆周是表示色调H的角度坐标，如图1-6（b）所示。

在处理彩色图像时，为了处理方便，经常要把RGB三基色表示的图像数据转换成HSI数据。RGB彩色空间转换到HSI彩色空间的转换公式参见（1-2）式、（1-3）式、（1-4）式。

（1-2）

（1-3）

（1-3）

（1-4）