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什么是颜色空间?色差仪中常见颜色空间类型你知道吗?

文章出处:未知 人气:249发表时间:2023-04-12

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!

色差仪颜色空间

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。

RGB颜色空间28

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。

HSI颜色空间28

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。

HSV颜色空间28

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:

RGB-空间转换到-HSV-空间的公式


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。

LAB颜色空间模型

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:

XYZ颜色空间转换LAB颜色空间

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。

不同条件下的三刺激值28012

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