什么是颜色空间？色差仪中常见颜色空间类型你知道吗？

颜色空间也称色彩模型，是一种特定的颜色组织，是对色彩的一种描述方式，即是用数学定量的方式表示颜色的一种方法，可以理解为颜色坐标系。色差仪作为颜色检测设备，为了统一颜色评价的标准，其内部配置了多种色彩模型，用于颜色的定量表达。本文对色差仪常用颜色空间的几种类型做了介绍，对此感兴趣的朋友可以了解一下！

什么是颜色空间？

颜色空间，又称为颜色坐标系，是使用数学方式表示颜色的一种方法。在机器视觉中，指的是颜色在三维空间中的排列方式。按照基本结构划分，大致可以分为两大类：基色颜色空间和色相、亮度分离颜色空间。现在运用的图像采集设备采集的都是图像的RGB值，而RGB空间是最典型的基色空间，基色空间还包括CNY、CIEXYZ等颜色空间；色相、亮度分离空间的包含YCC/YUV、CIELAB等空间。顾名思义，色相类的颜色空间就是把颜色分成了三个颜色属性，其中一个表亮属性和两个表色属性。

在工业上，常用的有RGB、HSV、HIS、CIELAB四种颜色空间，后三种都属于色亮分离颜色空间。基于工业上常使用的这几种颜色空间，以下将分别介绍。

色差仪几种常见颜色空间类型介绍：

1.RGB颜色空间

该颜色空间是研究其他颜色空间的基础，常用于彩色显像管设备，现在运用的图像采集设备采集的都是图像的RGB值，RGB图像是应用最广泛的图像显示格式，由红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）三个颜色通道组成，分别代表了显示颜色在某个通道上的颜色分量。在该空间中，任意一个颜色F都可以用以上三个颜色分量叠加而成，可用下式表示：

F =r[R]+g[G]+b[B]

RGB颜色空间的颜色模型可以用三维的立方体来描述，如下图所示。X 轴表示红色（Red），Y轴表示蓝色（Blue），Z轴代表绿色（Green），在原点上，三个基色亮度表示0，即黑色，原点的斜对角表示白色，三个基色亮度达到最大。从原点到斜对角的对角线上，X=Y=Z，可以认为这是一条灰度不同的黑白线。除了黑色和白色以外的六个点，分别表示红绿蓝三种颜色，以及黄、青和品红色三种二次色，其位置如下图颜色模型所示。

可以看出来，RGB颜色空间描述颜色是比较简单的，但是给人的感觉不直观，对一个RGB数值，人们无法确定其具体代表什么颜色，而且 RGB颜色空间是一个非均匀的颜色空间，不符合人的颜色感知心理，空间中两个颜色点距离不代表人的知觉差异。这样，就产生了其他的颜色空间。

2.HSI颜色空间

HSI模型是美国色彩学家孟塞尔于1915年提出的，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。

针对HSI颜色空间，具有很多成熟的算法可以使用，三个颜色通道相互独立且可以分开进行处理，简化了图像分析，减少了图像处理的工作量，大大提高了计算速度。HIS颜图色空间可以与RGB颜色空间相互转换。

3.HSV颜色空间

HSV颜色空间也是用三个颜色特征量来描述颜色的，分别是色调H（Hue）、饱和度S（Saturation）以及亮度 V（Value）。在该颜色空间中，用角度表示色调这一颜色的主要特征，光波波长的长短导致了色差区别；饱和度表示色彩的强弱，其强弱程度取决于可见光波长的单纯程度；亮度和光波的能量有关，表示物体表现出来的明暗程度。该空间的三维模型如下图所示。

在 HSV 颜色模型中，每一种颜色和它的补色相差 180°。饱和度 S 取值从 0 到 1，所以圆锥顶面的半径为 1.HSV 颜色模型所代表的颜色域是 CIE 色度图的一个子集，这个模型中饱和度为百分之百的颜色，其纯度一般小于百分之百。在圆锥的顶点（即原点）处，V=0，H 和 S 无定义，代表黑色。圆锥的顶面中心处 S=0，V=1，H 无定义，代表白色。从该点到原点代表亮度渐暗的灰色，即具有不同灰度的灰色。对于这些点，S=0，H的值无定义。可以说，HSV 模型中的 V轴对应于RGB颜色空间中的主对角线。在圆锥顶面的圆周上的颜色，V=1，S=1，这种颜色是纯色。

HSV 颜色空间可以与 RGB 颜色空间相互转换，但是从人的视觉感知角度来讲，HSV 颜色空间是一种比较直观的颜色模型，因此，在许多图像编辑工具中应用比较广泛，如Photoshop（在Photoshop 中叫 HSB）等等。HSV颜色模型与上节所讲的HSI颜色模型相近，但是更与人类对颜色的感知相近它们之间的差异在于亮度分量（VorI）的计算公式。HSV 颜色空间使得饱和度具有更大的动态范围，适合处理色度和饱和度；而 HIS 颜色空间适合传统的如卷积、直方图等图像处理函数。

RGB 空间转换到 HSV 空间的公式如下所示：

4.CIELAB颜色空间

在实际应用时，不均匀的颜色空间会给颜色评估带来很多的不便，于是人们就研究均匀的颜色空间，CIELAB颜色空间就是均匀的颜色空间之一，1976年，CIE制定此颜色空间，旨在解决XYZ颜色空间的物理距离与人眼的感知不相当的问题。其三维模型如下图 所示。

在这一颜色空间中，柱坐标 L*表示亮度，a*和 b*轴代表色度坐标，分别是红-绿坐标和黄-蓝坐标，这三个坐标值均被认为是均匀变化的。这三个属性值可以有 XYZ 颜色空间的三个属性转化而来。转换公式如下：

其中，在上面的公式中，X、Y、Z 指的是物体的三刺激值，这三个属性值是在海明对立坐标理论的基础上建立起来的。Xn、Yn、Zn表示的是CIE 标准照明体先照射在完全反射漫反射体上，再经其反射到人们眼中的白颜色物体的三刺激值。光源和观察者的条件分别以D65和10°条件为佳。在不同的光源以及观察者条件下，三刺激值是不同的。如下表所示。