2.1.1 色彩

1.視覺色彩感知

人類對五彩斑斕的世界的感知始于視網膜內的感光細胞，這里的光感受器由光敏感化學物質構成的神經細胞組成，它將光信號轉換為大腦可理解的信號。光感受器由兩類細胞組成：桿狀細胞（Rods）和錐狀細胞（Cones）。桿狀細胞是很敏感的光探測細胞，可接收到僅由一個光子發出的微弱信號，其代價是犧牲了分辨率，桿狀細胞并不能分辨細節內容，它只在光線較弱時起作用[3]。

根據化學成分和對不同波長光敏感性的差異，錐狀細胞可再分為3類：S錐狀細胞、M錐狀細胞和L錐狀細胞。圖2.1給出了這3類細胞對不同波長光的敏感度[4]，從圖中可以看出，這3類錐狀細胞感光能力的峰值波長分別為440nm（藍色光）、540nm（綠色光）、570nm（紅色光）。這3類錐狀細胞在可見光譜上具有重疊的通帶，不同入射光對3類錐狀細胞產生不同強度的激勵響應，不同的激勵響應組合被感知成不同的色彩[5]。

入射光源可以分為照明光源和反射光源。照明光源的感知色彩直接取決于光源的光譜。反射光源是指能夠反射入射光的光源，如當一束光照射到物體上時，某個波長范圍內的能量被吸收，其他波長的能量被反射。因此，非光源體的感知色彩取決于入射光的光譜成分和物體吸收光譜的物理特性。雖然同一物體在不同照射光源下產生不同的反射光譜，然而人眼在不同入射光照條件下對物體顏色的感知趨于穩定，即人眼可以分辨這種由光源變化導致的物體表面反射譜的變化，這稱為色彩恒定[6-7]。需要注意的是，數字相機感光色彩只與進入相機的光譜相關，因此需要采用后處理方式調整拍攝圖像以達到色彩恒定。

2.三基色原理

3類錐狀感光細胞的不同響應組合形成了視覺色彩感知，這意味著感知色彩只依賴3類錐狀細胞的響應強度，這稱為色彩視覺的三感光細胞原理[8]。雖然自然界中的光往往包含豐富的頻譜分量，但其視覺感知仍與3類錐狀細胞對其的響應強度有關。如果使用少量單波長入射光組合使這3類錐狀細胞的響應強度與自然光引起的響應強度相同，那么其視覺感知亦相同。

實驗表明，自然界中的絕大部分顏色，都可以由3種基色按一定比例混合得到；反之，任意一種顏色均可被分解為3種基色。如大多數單色光也可以分解成紅、綠、藍3種色光，這是色度學的最基本原理，即三基色原理[9]。3種基色是相互獨立的，任何一種基色都不能由其他兩種顏色合成。這3種基色合成的顏色范圍最為廣泛，紅、綠、藍按照不同的比例相加合成混色稱為相加混色。

3.顏色空間

顏色空間也稱彩色模型，其使用某些標準方式對顏色加以說明。本質上，彩色模型是坐標系統和子空間的闡述，位于系統中的每種顏色都由單個點表示。顏色空間從提出到現在已經有上百種，大部分只是局部不同或專用于某一領域，常用的顏色空間有RGB、YUV、YCbCr、HIS等[10-11]，這里只介紹視頻壓縮中常用的RGB、YUV、YCbCr顏色空間。

（1）RGB顏色空間。

RGB（紅綠藍）是依據人眼識別的顏色定義出的空間，可表示大部分顏色。RGB顏色空間是圖像處理中最基本、最常用、可直接面向硬件的顏色空間。我們采集得到的彩色圖像，一般是被分成R、G、B加以保存的，彩色監視器的顯示系統也基于該顏色空間。采用RGB顏色空間表示視頻時，每個像素用3個分量表示，即R、G、B這3個色度值。需要注意的是，RGB顏色空間的分量與亮度密切相關，即只要亮度改變，3個分量都會隨之相應地改變，該特性并不適用于圖像處理。

（2）YUV顏色空間。

YUV顏色空間主要用于優化彩色視頻信號的傳輸，并使其向后兼容老式黑白電視機。其中，Y表示明亮度，也就是灰階值；而U和V表示的是色度，用于指定像素的顏色。亮度Y是通過RGB輸入信號來建立的，方法是將RGB信號按特定比例疊加到一起；色度U反映的是RGB輸入信號藍色部分與信號亮度值之間的差異；色度V反映了RGB輸入信號紅色部分與信號亮度值之間的差異。YUV顏色空間的重要特征是它的亮度信號Y和色度信號U、V是分離的。如果只有Y信號分量而沒有U、V分量，這樣表示的圖像就是黑白灰度圖像。彩色電視機采用YUV顏色空間正是為了用亮度信號Y解決彩色電視機與黑白電視機的兼容問題，使黑白電視機也能接收彩色電視機信號。Y′UV也是經常使用的顏色空間，其原理與YUV顏色空間相同，其中Y′為Y經過伽馬校正后的值。

（3）YCbCr顏色空間。

YCbCr顏色空間與YUV顏色空間類似，其中，Y表示明亮度，Cb表示RGB輸入信號藍色部分與信號亮度值之間的差異，Cr表示RGB輸入信號紅色部分與信號亮度值之間的差異。YUV顏色空間過去用于表示電視系統中向后兼容的模擬彩色信息，而YCbCr顏色空間則主要應用于圖像、視頻編碼的數字彩色信息表示，是YUV顏色空間壓縮和偏移的版本。然而，目前YUV顏色空間也常用于數字彩色信息的表示，此時其與YCbCr顏色空間相同。

YCbCr顏色空間是數字視頻編碼源的主要表示形式。YCbCr與RGB（8比特量化深度）相互轉換的公式為

4.色域

色域（Color Gamut）是指所能表達的顏色構成的范圍區域，也指具體設備（如顯示器、打印機等）所能表現的顏色范圍。國際照明協會（International Commission on Illumination, CIE）制定了一種描述色域的方法：CIE色度圖（CIE Chromaticity Diagram）[12]。CIE色度圖如圖2.2所示，坐標x、y表示顏色空間的顏色分量，分別反映紅色和綠色在RGB三基色中的比例。環繞在顏色空間邊沿的顏色是光譜色，邊界代表光譜色的最大飽和度，邊界上的數字表示光譜色的波長，其輪廓包含所有的感知色調。所有單色光都位于舌形曲線上，這條曲線就是單色軌跡，曲線旁標注的數字是單色光（光譜色）的波長。自然界中各種實際顏色對應的點都位于這條閉合曲線內。

人眼可見的色彩包含數百萬種顏色，但掃描儀、顯示器或彩色打印機等顯色設備只能重現其中的部分顏色，這個“子集”就是色域。人們為不同的領域制定了不同的色域標準，將這些色域標準能表現的色域范圍用RGB三點連線組成的三角形區域來表示，三角形的面積越大，表示能表現的色域范圍越大。ITU-R BT.709高清數字電視標準（又稱Rec.709，High-Definition TeleVision, HDTV）和ITU-R BT.2020超高清數字電視標準（又稱Rec.2020，Ultra-High Definition TeleVision, UHDTV）規定的色域如圖2.2所示。