10分钟辨清色彩模型|多媒体系统导论笔记

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前导：人眼感知 human vision

人的视网膜上存在两种感光细胞。

视杆细胞 rods ：接收灰度信息，在较弱的光线下可以提供对环境的分辨能力（比如夜里看到物体的黑白轮廓）。

视锥细胞 cones ：主要接收颜色信息，三种视锥细胞对应接收红绿蓝三原色，比例为40:20:1，所以人眼对红、绿色的敏感程度大于蓝色。这使得人眼能在较明亮的环境中提供辨别颜色和形成精细视觉。

1. RGB

RGB对应红绿蓝三原色，在数字图像中常用24bit空间（8+8+8）储存信息，每条颜色通道的取值范围为【0,255】，长度即256=2^8，可对应表达256^3种颜色。

由视锥细胞的比例分布特点，可以在图像压缩时采用8bit空间（3+3+2）。

三色加法模型：光强的叠加是线性的，两束100流明的光线叠加，可获得200流明光强的光线。用三种基础单色光来刺激视锥细胞，能模拟出人眼所能感知的几乎所有的颜色。三色光两两混合可获得另三种颜色（红+蓝=品红，红+绿=黄，蓝+绿=青），三色混合得白光。与此对应的是三色减法模型。

2. CIE L*a*b*

这是本文唯一一种设备无关的颜色模型，也是人眼可感知的最完备的色彩模型。该模型实现了用数值△E进行色差比较。

下列→表示数值从低到高时代表的颜色变化。

L*: luminance亮度

黑→白

a*: red/green balance红绿色彩平衡

深绿→灰（中亮度值）→品红

b*: yellow/blue balance黄蓝色彩平衡

亮蓝→灰→黄

3. HSV/HSL

Hue 色调: position in the color spectrum，由波长决定；

Saturation 饱和度: the vividness of a color，色彩的鲜艳程度；

Value 明度: the brightness of the color

HSV中的V表示明度(Value/Brightness)。根据缩写不同，HSV有时也被称作HSB(就是说HSV和HSB是一回事)。HSL中的L表示亮度(Lightness/Luminance/Intensity)。根据缩写不同HSL有时也称作HLS或HSI(就是说HSL、HLS、HSI是一回事)。

至于亮度和明度的区别，可以看上面的图。一种纯色的明度是白色的明度，而纯色的亮度等于中灰色的亮度。

下面的图能更好的对比HSL和HSV的区别：在圆柱体外围是纯色(红黄绿蓝紫...)HSL中，这圈纯色位于亮度(L)等于1/2的部位，而在HSV中是在明度(Value)等于1的部位。

将上面的圆柱体裁掉无用的部分，得到的是如下的锥形，就能更明显的看出HSL和HSV的区别了。

摘自“深入理解color model”

https://www.jianshu.com/p/f03e9ac9c9ef

Photoshop自带的Adobe Camera Raw滤镜中的HSL调整界面

4. YUV

在该模型下，颜色被分为一个亮度信号和两个色差信号进行传输，可以让一个信号同时在黑白电视机和彩色电视机实现两种显色模式。现在常用于jpeg格式的图像和pal制式的视频。

Y: luminance value（亮度值）

Luma Y’: (gamma-corrected)（伽马矫正）

U and V: chrominance （色度）描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色

U = B’–Y’

V = R’–Y’

从左到右分别对应YUV通道

4.1 gamma曲线矫正

人对亮度的感受非线性关系（心理物理学），对“亮变更亮”的感知不如“由暗变亮”强。胶片和老式CRT电视的阴极射线管碰巧模拟了这种特性，使得显示不受影响。但相机感光元件（CCD/CMOS）对光子的接收和信号还原依旧是线性关系，所以引入了gamma曲线矫正。

由此引申出视频拍摄领域的log曲线，用于改变信息接收时的分级（接收更多暗部信息），实现信息压缩，后期再进行还原。

https://www.bilibili.com/video/BV1Pb411H7Ye可参考该视频的gamma矫正和log曲线部分。

可以看出gamma矫正后压缩高光，保留了更多暗部信息

RGB是在显示器设备上显示的，以电视为例，其显像管的电压和发出的亮度并不是线性的，例如0.5的Green亮度，显像管可能只需要0.2的电压。

这样的关系曲线通常是一个乘幂函数：Y=(X+e)^γ，即Gamma校正。通常电视系统的Gamma值为2.2。RGB与XYZ转换时，该值也是一个必须的参数。

摘自https://www.jianshu.com/p/f03e9ac9c9ef

4.2 YCbCr

Cb：RGB信号蓝色部分与RGB信号亮度值之间的差异；

Cr：RGB信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异。

体现的都是“偏移量”，同样常用于视频制作。

4.3 YIQ

常用于NTSC制式的视频中。Y和Y’与前文相同，I和Q分别由U和V旋转33度获得。

YIQ模型下的I和Q通道

YUV模型下的U和V通道

5.CMY/CMYK

这种模型与RGB密切相关，两者可实现互相转换。RGB为加法模型，两两叠加能得到对应的Cyan青，Magenta品红和Yellow绿，三色叠加为白，如光的叠加。而CMY为减法模型，三色叠加为黑，如颜料或墨水的叠加。

物体表现为某颜色是因为只反射某颜色（波长）的光，而吸收了其他颜色的光。例如皮肤在白光下显黄色是因为吸收了白光中的其他光，只反射黄色光。

CMY/CMYK常用于印刷，CMYK中的K表示的是blacK黑，因为CMY三色墨水难混合出真正的黑，故在印刷中引入纯黑色墨水。

RGB模型和CMY模型

5.1 互补色/对色

色彩中的互补色有红色与青色互补，蓝色与黄色互补，绿色与品红色互补。在光学中指两种色光以适当的比例混合而能产生白光时，则这两种颜色就称为“互为补色”。补色并列时，会引起强烈对比的色觉，会感到红的更红、绿的更绿。（摘自百度百科）

设一对互补色分别为为A,B。若图像中A色减少，则对应的B色将得到更明显的体现，即视觉上B色增加，此消彼长。这个规律常用于摄影后期。（我的另一种理解是由光的叠加，A减少，白色不变，则对应B增加，不知道对不对）

下面引入色调曲线的使用。该图为Camera Raw中的色调曲线，背景图为直方图，因此从左往右像素由暗至亮，从下至上像素由少至多。色调曲线横纵坐标为输入亮度和输出亮度，通过拖动点改变色调曲线在相应位置的斜率，用输入-输出函数的改变实现对比度的改变。请注意色调曲线的形状和位置。

原图：

点向下拖动，使曲线整体向下，图像整体变暗：

点向上拖动，使曲线整体向上，图像整体变亮：

暗部向下，亮部向上，使得暗部更暗，亮部更亮，图像对比度增强：

暗部向上，亮部向下，使得暗部更亮，亮部更暗，图像对比度减弱：

换一张整体色调为蓝色的图。将通道由RGB改为蓝色，规则同理，接下来为互补色的实际使用。

曲线最高点下移，曲线整体向下，使得蓝色比例减少，互补色黄色的比例增加。

最低点右移，同理。

在立方体模型中，以黑-白的体对角线为参照，靠右上方向的颜色/点可由向左下延伸的两种颜色叠加而成。例如RGB立方体中，品红可由相对靠左的蓝色和相对靠下的红色叠加。

彩色喷墨打印机使用CMY模型，当黄色墨水喷洒在一片白纸上时， 在红色光线下看起来像什么颜色？在白色光线下看起来像什么颜色？

物体表现为某颜色是因为只反射某颜色（波长）的光，而吸收了其他颜色的光。

①红色光线没有影响黄墨水对蓝光的吸收，黄色与品红能混合为红色说明黄墨水对红色也有一定的反射能力，因此在红光下显红色。

②白光照射在黄墨水上，黄墨水吸收了对色蓝，而白光=红+绿+蓝，剩下的红+蓝叠加为黄色，即白光下黄墨水为黄色。或理解为白=蓝+黄，黄墨水吸收蓝光而反射黄光，显示为黄色。

DaVinci软件的调色界面

从入门到入坟

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参考资料：

深圳大学《多媒体系统导论》课件，大部分图片来自于此；

机械工业出版社《多媒体技术教程》；

学堂在线 武汉大学《多媒体技术》3.2色度学基础与颜色模型；

https://www.jianshu.com/p/f03e9ac9c9ef 《深入理解color model》 ；

https://www.bilibili.com/video/BV1Pb411H7Ye该视频的gamma矫正和log曲线部分；

百度百科。