什么是颜色空间？色差仪七个常用颜色空间介绍
2024-05-07
什么是颜色空间？颜色空间，又称彩色模型或颜色坐标系，它是在某些标准下使通过可接受的数学方式表示颜色的一种方法。色差仪作为颜色量化工具，其内部配置了多个颜色空间。本文对色差仪七个常用颜色空间做了介绍。
什么是颜色空间？
颜色空间是表现彩色图像的一种辅助工具，因此针对颜色空间的研究也成为了一个必然的趋势。颜色空间又称彩色模型，彩色空间或者彩色系统，颜色空间是由组成颜色的三个分量构成的一个三维空间，它的用途是在某些人为规定的标准下对色彩加以抽象表示，或者说是色彩在不同的标准下的简化描述形式，本质上，彩色模型是坐标系统和子空间的表述，处于各种形式的坐标系统中的每个点都有唯一对应的值表示，即尽可能直观地用空间中三个分量值的不同来表示对应颜色的差异。
人类对颜色抽象和主观视觉上的感受被颜色空间转化为对应三个颜色分量空间的具体位置表示，现在采用的颜色模型大多数都是面向硬件和面向应用的基础上提出来的，颜色空间从提出到现在已经有很多种表现形式，很大一部分只是做了一些局部的改变，而一部分颜色空间也只是专用于某一种领域，每种颜色空间都有着自己独有的特点和局限性，因此，在不同的颜色空间表示的彩色图像也具有不同的特点，颜色空间的选择是否合适对彩色图像的处理效果的好坏也有着关键的决定作用。其中，常用的有RGB、CIEXYZ、CIELAB颜色空间，其中的RGB颜色空间可以说是这些颜色空间中进行转换的一座桥梁。
颜色空间的类型：
颜色空间有很多种，一般情况下按照颜色感知角度进行分类，可以将颜色空间分为三大类：
1.混合型颜色空间，如RGB、CMY（K）和XYZ等；
2.亮度颜色空间，此类方法主要应用于黑白图像。如L*a*b*、L*u*v*、YUV和YIQ等；
3.亮度/饱和度/色度型颜色空间，常见的有HIS、HSL、HSV和LCH等。
在以上颜色空间中，目前广泛应用于色差仪的颜色空间有CIELAB、XYZ、Yxy、LCh、CIELUV、RGB、HunterLab等，下文将为大家进行详细的介绍。
色差仪七个常用颜色空间介绍：
1.RGB颜色空间
RGB颜色空间以红（R）、绿（G）和蓝（B）三种基本颜色为基础，三种颜色进行不同程度的叠加，能够产生丰富的颜色，因此 RGB颜色空间又被称为三基色模型。在该模型中，R、G、B分别位于3个角上，黑色位于原点处，白色位于离远点最远的对角点处，灰度级沿着这两点的连线分布。在该模型中，不同的颜色处在立方体上或者在其内部，并且可以用从原点分布的向量来定义。即每一种颜色可以用红、绿、蓝三个颜色分量的坐标来表示，如（0，0，0）表示黑色，（160，32，24）表示紫色，（0，255，0）表示绿色，（255，255，255）表示白色等。若将颜色值进行归一化，原立方体就变成一个单位立方体，所有的R、G、B值都取值范围在[0，1]内。
RGB颜色空间采用物理三原色对颜色进行表示，这种方式比较简单，但给定任意一个R、G、B值，无法准确知道所表述的颜色，并不符合人的视觉特点。而且RGB颜色空间不是一个均匀的颜色空间，即空间坐标上等距离的两点并不能表示出颜色的差异性，因此，RGB颜色空间并不适合用作色差检测。
2.CIEXYZ颜色空间
CIEXYZ颜色空间，也称CIE1931颜色空间。CIE希望通过该颜色空间下的三个分量（X，Y，Z）能够描述人颜色视觉系统所能察觉的任意一种颜色，其中X和Z定义为颜色的色度，Y为颜色的亮度。
CIEXYZ颜色空间主要应用于分光光度计和数字颜色分析器等分析仪器，它为这一类仪器提供了待分析样本所需的透射或折射的三色光信号。虽然 CIEXYZ颜色空间在分析化学中的相关应用也颇为广泛，但是它所表示的颜色与人眼感知不太一致，导致在不同颜色对比中存在一定缺陷。因此，该颜色模型往往只是用于线性转换到其他颜色空间的过渡颜色空间。
3.CIEYxy颜色空间
三刺激值XYZ对定义颜色非常有用，但却不易直接目视其结果，为此CIE于1931年规定了Yxy色空间，它是在二维图上描述颜色，但与亮度无关。Y为物体的反射比，用%数表示（与反射比为100%的理想漫反射相比较）。它对应于颜色三要素的明度其值就等于三刺激值的Y值。色度坐标x、y对应于色三要素的色调和彩度。x、y色度坐标可由下式算得：x=X/（X+Y+Z）y=Y/（X+Y+Z）（其中X、Y、Z为三刺激值）X轴色度坐标相当于红基色的比例；Y轴色度坐标相当于绿基色的比例，图中没有Z轴色度坐标（即蓝基色所占的比例）。因为比例系数x+y+z=1，Z的坐标值可以推算出来，即z=1-x-y。
4.CIELab颜色空间
CIELab颜色空间是色差仪最常用的一种颜色空间，是基于生理特征的均匀颜色空间，是由明度（L）和两个色度分量a、b共三个分量构成，L表示颜色的明度，也常被称作亮度，取值范围在[0，100]，表示从纯黑到纯白。a表示从绿色到红色，-a最小表示绿色，+a最大表示红色，取值范围在[-128，127]，-a到+a是绿色到红色颜色渐变的过程。b表示从蓝色到黄色的范围，同样原理，-b到+b是由蓝色逐渐过渡到黄色的过程，取值范围在[-128，127]。CIELab颜色空间是颜色量化最均匀的颜色分布，在样品色差评比系统中，很多公式都是依赖该颜色空间的，它是颜色差异的规范化空间，能够解决颜色量化的等距度量，其均匀性较好。该颜色空间两点之间的几何距离，与人眼观察物体的色差大小相同。
5.CIELch颜色空间
LCH颜色空间是Lab空间变形后得到的圆柱形颜色空间。该颜色空间由L、C、H表示。纵坐标L*值同样对应于颜色三要素的明度，取值0-100；C*代表彩度，即某一颜色的坐标位置与原点的距离，取值0-181，圆心处颜色的饱和度C*值为0，离圆心越远C*的值越大；H*为色调，取值0°-360°，h*代表色调角，是某一颜色坐标在色品平面内的投影点和坐标原点的连线与a轴的夹角。规定h*从正a轴（红）开始为0°，逆时针为正，正b轴（黄）为90°，负a轴（绿）为180°，负b轴（蓝）为270°。
6.CIELuv颜色空间
CIELUV颜色空间是CIE1976L*u*v*均匀颜色空间的简称，在CIELUV空间中，L*为明度，u*、v*为色品指数。三者相互垂直构成色空间来描述相对应的亮度和色度量：垂直的轴是明度L*，位于水平面且互相垂直的是色品指数u*和 v*。
CIELUV颜色空间与CIELAB颜色空间相似，L*，u*，v*是X，Y，Z通过非线性变换得到的，同样用两点间的距离表示颜色之间的色差。CIEL*u*v*和CIEL*a*b*有一些共同的特点。首先，它们的颜色空间虽然距完全均匀仍有距离，但基本上是均匀的。其次，由于是基于颜色测量的CIE系统，CIEL*u*v*和CIEL*a*b*都是与设备无关的颜色空间。与CIELAB颜色空间不同，CIELUV颜色空间更多地应用于光源色和自发光色领域。
7.HunterLab颜色空间
Hunter Lab系统分别以L、a、b 表示物体反射光的三个量，其中L表示反射光的明度，a表示反射光中红色与绿色的成分，b表示反射光中黄色与蓝色的成分。该系统的L，a，b值的表示及其色差公式为：
式中 X，Y，Z 为样品的三刺激值。Hunter Lab系统常用于陶瓷工业、塑料工业和纺织工业。
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