常見顏色空間總結

頎周發表於2021-03-05

  由於論文中常見很多種顏色空間,各種顏色空間的通道都有特殊的用處,下面對常見的顏色通道進行總結。

RGB

  RGB(Red紅 Green綠 Blue藍)是最常用的顏色空間,模擬光的混合原理。三個通道的取值範圍都為$[0,255]$,共有$256^3 = 16777216$種色彩表示。三個通道的疊加與紅綠藍三種顏色的光的疊加產生不同顏色的原理一致,顏色越加越淺。

  RGB空間通道之間兩兩混合可以獲得光的三間色:

  紅 + 綠 = 黃 (255, 255, 0)

  紅 + 藍 = 品紅 (255, 0, 255)

  綠 + 藍 = 青 (0, 255, 255)

CMY

  CMY (Cyan青 Magenta品紅 Yellow黃)是顏料界的三原色,或者叫三基色,模擬顏料的混合原理。與光的色彩疊加原理相反,CMY顏色越加越深。顏料和光的色彩混合原理之所以不同,是因為顏料的顏色並不是由於自身發光,而是吸收除了反射光之外的其它顏色。所以不同顏料混合在一起會把更多顏色的光吸收掉,從而顏色會更深。

  CMY通常用在印刷行業,由於顏料的化學特性,三個通道混合並不是完全的黑色,所以業界又加了一個通道K(black),也就是CMYK模型,每種顏色的取值為$[0,100]$。

  另外,百度百科中說RGB通道三間色中的品紅並並不是真正的品紅,而是一種亮紫,還有綠色和藍色相對於CMY中也更亮。RGB和CMY各自通道之間的疊加效果如下圖所示:

HSV/HSB

  HSV/HSB(Hue色調 Saturation飽和度 Value/Brightness明度)把顏色對映到與人的感受更相關的空間上,與RGB、CMY不同,這兩個顏色空間則是以光、顏料的疊加原理來定義的。如下圖所示:

  以下是三個通道的解釋。

色調H

  用角度度量,取值範圍為0°~360°,從紅色開始按逆時針方向計算,紅色為0°,綠色為120°,藍色為240°。它們的補色是:黃色為60°,青色為180°,紫色為300°。

飽和度S

  表示顏色接近光譜色的程度。一種顏色,可以看成是某種光譜色與白色混合的結果。光譜色所佔比例越大,顏色接近光譜色的程度就越高,顏色的飽和度也就越高。飽和度高,顏色則深而豔。光譜色的白光成分為0,飽和度達到最高。通常取值範圍為0%~100%,值越大,顏色越飽和。

明度V/B

  明度表示顏色明亮的程度,對於光源色,明度值與發光體的光亮度有關;對於物體色,此值和物體的透射比或反射比有關。通常取值範圍為0%(黑)到100%(白)。

HSL

  HSL(Hue色調 Saturation飽和度 Lightness亮度)是和HSV類似的一種色彩空間。由於不同的人對色彩飽和度有不同的理解,所以依據人的感官分出了這兩種色彩空間。HSL的顏色空間有兩種常用的表示,分別是圓柱形和雙圓錐體:

  可以看出,圓柱體的表示有白色與黑色上的表示重複。而對於雙圓錐體空間,由於把圓柱體兩端壓縮為點,空間點與顏色之間是單射的。與HSV類似,HSL中各個通道的取值也是定義為角度與兩個百分比。

  將HSV的圓錐體的錐部擴大成圓柱,並將色值對映過去,即可發現HSV與HSL之間的區別:

YUV和YCrCb

  YUV將色彩分為兩個部分,亮度(Luminance或Luma)和色度(Chrominance或Chroma)。其中一個通道Y用於表示亮度,另外兩個通道UV用於表示色度,描述影像的色彩與飽和度。為什麼要這樣分出來呢?早期的黑白電視只有亮度一個通道,後面為了普及彩色電視,作為過渡又加入了UV兩個通道用於傳輸色彩。這樣一來,舊的黑白電視也可以接收彩色電視的訊號,只使用Y通道即可。另外由於人眼對亮度的敏感性比對色彩更強,還可以對UV兩個通道進行壓縮,從而達到節省頻寬的目的,這在電視訊號傳輸中常見。 

  YCbCr模型來源於YUV模型,是YUV顏色空間的偏移版本,差別不大。YUV和YCrCb與RGB之間是線性關係,轉換比HSL和HSV方便得多。轉換公式請直接看YCrCb的百度百科。

  由於人眼對亮度敏感,早期超解析度重建通常就是單取YCrCb的亮度通道來實現的。如下圖,我們可以清楚地對比出,Y通道對影像紋理的保留遠大於UV兩通道:

  實際上,RGB轉YCrCb,再取Y單通道,就是常用的彩色影像轉換為黑白影像的方法。另外,我們可以發現UV通道對個體的區分度比較大,人臉的顏色比較單一,並且眼睛的輪廓十分清晰,因此通常會用UV通道來做人臉檢測。畢竟對於機器視覺來說,光照是很大的干擾因素,現在把亮度通道去掉,就能給模式識別帶來很大的幫助。

  與前述的顏色空間進行對比,HSV和HSL也同樣有光照通道,我們可以將它們提取出來與YCrCb進行對比:

  可以看出,HSL的亮度通道對紋理的保留與YCrCb相近,幾乎看不出差別,而HSV差一些。具體原因不研究了,做SR還是就用YCrCb吧。

Lab

  Lab模式是根據國際照明委員會(International Commission on illumination,CIE)在1931年所制定的一種測定顏色的國際標準建立的。Lab顏色模型彌補了RGB和CMYK兩種色彩模式的不足。它是一種裝置無關的顏色模型。主要特點如下:

  1、Lab顏色模型與YUV類似,由亮度L通道和顏色通道ab組成。

  2、a包括的顏色是從深綠色(低亮度值)到灰色(中亮度值)再到亮粉紅色(高亮度值);b是從亮藍色(低亮度值)到灰色(中亮度值)再到黃色(高亮度值)。因此,這種顏色混合後將產生具有明亮效果的色彩。

  3、Lab模式既不依賴光線,也不依賴於顏料,它是CIE組織確定的一個理論上包括了人眼可以看見的所有色彩的色彩模式。

  Lab同樣有亮度通道,將其與之前的模型進行對比,檢視對紋理的提取效能:

  現在可以對比出,HSL的亮度通道相比Lab與YCrCb,對紋理的提取效能還是差一點。

 

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