圖像處理中常用的幾種顏色模式
顏色模式有很多種，本文就對在圖像處理中常見到的RGB、CMYK、HSB、HSL、Lab等模式的特點及應(yīng)用作一些介紹和對比。其它如灰度，位圖和索引模式雖然在圖像處理中也會用到，但由于這些都比較獨立且簡單，不在本文討論之列。
一、RGB和CMYK
1）加法模式與減法模式
RGB與CMYK是兩種最常見的顏色模式，將它們放在一起來介紹是因為二者的特點呈互補性，便于解釋和對比。
R(紅)G(綠)B(藍)稱為三原色，即自然界各種顏色均可由這三種顏色合成。RGB是基于發(fā)光的模式，是顯示器之類發(fā)光設(shè)備的色彩模式。合成色的亮度為三原色的亮度的總和，混合的原色越多，亮度越強，即是所謂的“加法模式”。因此在8位的圖像中當RGB=（0，0，0）時最暗為黑色，RGB=（255，255，255）時最亮為白色。其色域可用三維空間的立方體表示如下圖所示。
在RGB三原色中輪流取兩種顏色可合成另外三種原色黃（Y）、青（C）和品紅（M）如下圖所示。
R(紅)＋G(綠)＝Y(jié)(黃)
G(綠)＋B(藍)＝C(青)
B(藍)＋R(紅)＝M(品紅)
R(紅)＋G(綠)＋B(藍)＝W(白)
可以換一種形式表示
C(青)＝W(白)－R(紅)
M(品紅)＝W(白)－G(綠)
Y(黃)＝W(白)一B(藍)
這RGB的三種補色CMY可構(gòu)成另外一種顏色模式即CMY（CMYK）模式。
CMY是基于白色的反光模式，是印刷油墨的色彩模式。C＝W－R表示青色，是白色吸收了紅色，反射出青色。同樣品紅是白色吸收了綠色，黃色是白色吸收了藍色。吸收多了就導(dǎo)致亮度變暗，因此CMY這三種原色混合越多，亮度越暗，即是所謂的“減法模式”。 CMY取值從0－100％，當CMY均為0時沒有任何顏色被吸收，即最亮為白色，當CMY均為100時紅緑藍全被吸收，即最暗為黑色。但由于受油墨純度的限制，CMY三色最多只能混合成深褐色，于是需另增設(shè)單獨的黑色（K），便成為CMYK模式。
2）為什么印刷要用CMYK模式
RGB能合成各種顏色，為什么印刷時不用RGB油墨而用CMYK油墨呢？印刷是印在白色介質(zhì)上，人們看到的顏色是白色介質(zhì)的反射光。紅色油墨是吸收綠藍色反射紅色，要印刷紅色直接用紅色油墨是沒有問題的，綠色與藍色也同樣沒有問題。但要印復(fù)合色如黃色就需用紅色與綠色混合，紅色吸收藍綠反射紅，綠色吸收紅藍反射綠，于是反射的紅又會被綠色吸收，反射的緑又會被紅色吸收，雖然不會全部被吸收，但剩下的紅綠會變得很弱，從而使合成的黃色變得很暗。因此如用RGB油墨來印刷，除了RGB三色以外，其它合成的顏色都變得很暗，究其原因是RGB是吸收兩種顏色反射一種顏色，反射色經(jīng)過二次吸收而變?nèi)酢Ｔ贑MY模式中，其原色為吸收一種顏色反射兩種顏色，合成色不會有二次吸收，因而可有很高的亮度。如用青色與黃色合成綠色，青色吸收紅反射綠藍。黃色吸收藍反射紅綠。反射的藍被黃色吸收，反射的紅被青色吸收，而綠色均不被對方吸收，因疊加合成的綠色可獲得很高的亮度。這就是印刷不用RGB而用CMYK的根本原因。
3）色域與轉(zhuǎn)換
RGB的色域比CMYK大，但並不包含全部CMYK，有一小部分CMYK落在RGB色域之外，如下圖所示。CMYK用于印刷，在電腦上編輯的RGB圖
像需要打印時都要將其轉(zhuǎn)換為CMYK，由于CMYK色域較小，轉(zhuǎn)換后顏色會有所損失。所以photoshop中用拾色器設(shè)置顏色時，如果顏色值超出CMYK色域就會有警告（警嘆號）。在信息窗口中查看顏色時，若超出CMYK色域也會有同樣的警告（警嘆號），分別如下圖所示。
Photoshop支持RGB及CMYK兩種顏色模式，也就是可以處理這兩種模式的圖像，並可互相轉(zhuǎn)換。RGB與CMY是互為補色，兩者關(guān)系明確，轉(zhuǎn)換精確并可逆。但是CMYK有四種原色，轉(zhuǎn)換時與K的取值有關(guān)，轉(zhuǎn)換就不是唯一的也是不可逆的。有轉(zhuǎn)換很多種方法，常用的是先從RGB轉(zhuǎn)為CMY，從中計算出K，再重新計算CMY。
當0時
C=(1-R/255)x100%
M=(1-G/255)x100%
Y=(1-B/255)x100%
K取CMY中的最小值
重新計算CMY
C＝(C－K)/(1－K)
M＝(M－K)/(1－K）
Y＝(Y－K)/(1－K）
上面所述的轉(zhuǎn)換關(guān)系只是原理性的一些數(shù)值計算，在實際應(yīng)用中RGB與CMYK都是與設(shè)備有關(guān)的顏色模式，也就是不同設(shè)備都有自己解釋顏色的配置文件。同時為使轉(zhuǎn)換過程中顏色不變，轉(zhuǎn)換時都要使用Lab模式作為中介，實際轉(zhuǎn)換過程要復(fù)雜得多。
二、HSB與HSL
RGB模式用三原色相加的原理，用在電腦上做圖像處理和計算加工都非常方便，但是RGB和人眼的感知沒有直接的聯(lián)系。所以用RGB調(diào)整圖像時往往不得要領(lǐng)。例如要想提高顏色的亮度，應(yīng)調(diào)整RGB哪個通道？人眼對顏色的感知在于是什么顏色（色相），鮮艷程度（飽和度）和明亮程度（亮度）這三個方面。即所謂的色彩三要素。HSB及HSL就是根據(jù)色相，飽和度和亮度建立的顏色模式。但兩者在定義色相，飽和度以及亮度方面有相同與不同之處。
1）色相H（HUE）
色相是組成色彩的主要成份，也就是常說的是什么顏色。HSB與HSL兩種模式對色相的定義是相同的。就是RGB中兩種原色交替合成的色環(huán)，即由紅、黃（紅綠）、綠、青（綠藍）、藍、品紅（藍紅）組成的色環(huán)，如下圖所示。
色相就用在色環(huán)中的位置（角度）表示。色環(huán)原點0度為紅色，60度為黃色，120度為綠色，180度為青色，240度為藍色，300度為品紅色。色相環(huán)上的顏色也稱為純色，其特征是三原色中至少有一個為最大值255，有一個為最小值0。根據(jù)上述關(guān)系可以很容易推算出色相HUE與RGB的關(guān)系。由RGB中的最大值決定基本位置，再根據(jù)其它兩原色的值算出色相的位置。
2）明度B 或亮度L
在HSB中稱為明度B（Brightness）在HSL中稱為亮度L（Light）。兩者的定義有所不同。
在HSB中明度B表示的是顏色的亮度，在RGB模式中只要有一種原色到達最大值255，明度B就為1。當RGB均為0（黑色）時，明度B為0。用公式表示即為
在HSL中亮度L表示的是白色的亮度，只有當RGB均為最大值255時（白色），亮度L＝1。當RGB均為0（黑色）時，亮度L為0。用公式表示為
因此對于純色（三原色中至少有一個為255，有一個為0。即色相環(huán)上的任一種顏色）而言，在HSB中明度B＝1，但在HSL中亮度L＝0.5。
3）飽和度（S）
飽和度就是顏色的純度，純度高表示顔色中雜色少，即顏色中灰色成份少。S＝1表示純度最高，無灰色成份，顏色最為鮮艷。S＝0表示無顏色，即為灰色（包括黑色及白色）。HSB和HSL對飽和度的定義有所不同，在HSB中認為飽和度只與顏色中的白色成份有關(guān)，沒有白色成份（Min（RGB）=0）飽和度為1（S＝1），用公式表示為
在HSL中飽和度不僅與顏色中的白色成份有關(guān)，還與黑色成份有關(guān)，即沒有白色成份（Min（RGB）=0）或沒有黑色成份（Max（RGB）＝255）飽和度均為1（S＝1）。用公式表示為
4）HSB與HSL的三維模型及比較
通過三維模型可以清楚看到HSB和HSL的區(qū)別。
HSB是一倒置的圓錐體，如下圖所示。
圓錐體底部圓周就是色相環(huán)H，圓錐徑向代表飽和度S，圓錐表面S＝1，中心處S＝0。圓錐軸向代表亮度B，圓錐底部B＝1，圓錐頂點B＝0?？梢钥闯鲈趫A錐周圍表面上飽和度均為1，圓錐底部中心為白色，且S＝0，B＝1。圓錐頂點為黑色，且S＝0，B＝0。從底部中心到頂點的軸線上S均為0，B由1到0，即為由白到黑的灰色線。
HSL的三維模型則為疊放的兩個圓錐，如下圖所示。
圓錐體底部圓周是色相環(huán)H，與HSB相同，這也說明了HSB與HSL對色相的定義是相同的。圓錐的徑向代表飽和度S，軸向代表亮度L，這也和HSB一樣，但是范圍大小不同。上圓錐頂點是白色，S＝0，
對比HSB與HSL的三維模型，可以想象將HSB的白色點（底部圓心）往上提高，形成另一圓錐，就等同于HSL了。由于兩者是不同模式，對于同一顏色會有不同的數(shù)值，下圖列出幾種顔色的HSB與HSL數(shù)值，可以看出二者的色相都是相同的，而飽和度與亮度不盡相同，在HSB中不是飽和的顏色在HSL中認為是飽和的。在HSB中亮度為1的顏色在HSL中認為並不是最亮的。
Photoshop並不支持HSB圖像，但是提供HSB拾色器，即可使用HSB參數(shù)來設(shè)置顏色，也可在信息窗口中查看顏色的HSB值。photoshop還提供HSB的調(diào)整命令，可以直接調(diào)整RGB圖像的色相，飽和度與亮度。
Windows使用HSL編輯顏色，Windows下的Photoshop也可將拾色器設(shè)置為windows（即HSL）拾色器。
5）HSV和HSI
與HSB，HSL類似的還有HSV和HSI模式。
HSV與HSB只是名稱不同，只是將明度稱為V（Value），其它都一樣。
HSI與HSL類似，為了簡化計算方便，將圓錐體改為多邊稜錐體，因此數(shù)值上與HSL會有少許差別。
三、Lab模式
1）概述
Lab模式源自CIE－XYZ模式，正式名稱應(yīng)為CIE-1976-L*a*b*,現(xiàn)在一般都簡稱為Lab。但另外還有一種Hunter Lab模式，也是源于CIE-XYZ。與CIE-Lab類似，但算法略有不同，也簡稱為Lab，因此必要時需標明為CIE-Lab以志區(qū)別。CIE－XYZ模式中數(shù)值的變化與人眼的感知是非線性的，即兩種顏色之間的距離並不反映人眼感知的差距。這種感知的非均勻性在使用時會帶來很大麻煩。于是對CIE－XYZ作非線性變換，生成CIE－Lab模式，變換后更接近線性，使顏色數(shù)值的變化能產(chǎn)生與之相當?shù)母兄兓?。由于源自CIE－XYZ模式，Lab也是與設(shè)備無關(guān)的顏色模式，是基于人眼的生理特點，通過顏色匹配用數(shù)字化方法建立顏色空間，包含人眼能識別的全部顏色，有很大色域。Lab模式的三維坐標中L表示亮度取值從0到100，表示純黑到純白。a表示從綠色到紅色的過渡，取值-127到128。b表示從藍色到黃色的過渡，取值從-127到128。三維顏色空間模型如下圖所示。
2）Lab模式特點之一
Lab是基于人眼視覺原理創(chuàng)建的顏色模式，包含了人眼能識別的所有顏色，與設(shè)備無關(guān)且有很大的色域。Photoshop就是利用這一特點將Lab用作為模式轉(zhuǎn)換的中介，如要將RGB轉(zhuǎn)為CMYK，由于這兩種模式均與設(shè)備有關(guān)，相同的數(shù)值在不同的設(shè)備上可能有不同的顏色。要使轉(zhuǎn)換過程中顏色保持不變，不能簡單地通過轉(zhuǎn)換公式，需要根據(jù)RGB的配置文件先將RGB轉(zhuǎn)換到與設(shè)備無關(guān)的空間Lab，再根據(jù)CMYK的配置文件將Lab轉(zhuǎn)為CMYK。在photoshop中任何模式間轉(zhuǎn)換都會自動使用Lab作為中介。
在所有的顏色模式中Lab的色域最大。盡管photoshop可以生成並處理Lab色域中的任何顏色，然而許多顏色是無法看到的，因為這些顏色已超出了顯示器或打印機的顏色范圍，但是看不到不等于不存在，這些看不到的數(shù)據(jù)可通過其它處理方式用于某些研究領(lǐng)域。
可用直方圖查看和比較不同模式色域的大小。下圖A為一幅充滿色階的RGB圖像（窄色域）的直方圖， 圖B 為轉(zhuǎn)換到Lab模式（寬色域），可以看到ab通道直方圖的兩端呈現(xiàn)空白，說明窄色域轉(zhuǎn)到寬色域時只占寬色域的部分色域。圖C 是在Lab模式下提飽和度使充滿Lab色域，圖像占滿ab通道。
圖Ｄ是將再將Lab轉(zhuǎn)換到RGB，緊接著再轉(zhuǎn)回到Lab，得到的結(jié)果與圖Ｂ類似，說明寬色域轉(zhuǎn)為窄色域后顏色會損失。
3）Lab模式特點之二
Lab模式圖像有L、a、b三個通道，分別表示亮度，紅綠色和黃藍色的強度。其特點是三個通道互相獨立，調(diào)節(jié)L通道時只影響亮度，不會改變顏色，調(diào)節(jié)a通道時只影響紅綠色，不會改變亮度和黃藍色，調(diào)節(jié)b通道時只影響黃藍色，不會改變亮度和紅綠色?！≡赗GB模式中色階，曲線等工具中也可單獨調(diào)節(jié)某一通道，但是由于最終圖像是三個通道疊加的，即使調(diào)節(jié)一個通道也會影響到圖像的其他顏色及亮度。雖然也有亮度/對比度，色相/飽和度這樣可只調(diào)某一項的命令，但是這都是通過計算綜合調(diào)節(jié)RGB三個通道獲得的近似的結(jié)果。在RGB模式中不可能有獨立的通道。Lab以其亮度與顏色分離使圖像調(diào)整變得容易而直觀，但由于RGB與Lab兩種模式相差甚遠，在命令的使用上也有很大不同。
、色階、曲線命令介面中沒有復(fù)合通道，只能調(diào)節(jié)單個通道，因此調(diào)節(jié)L通道可改變明暗色調(diào)及對比度，a，b通道則用于調(diào)整色彩及飽和度，兩者獨立，互不干涉，使用方便。
、色相／飽和度命令在介面上與RGB相同，但調(diào)節(jié)時也是亮度與顏色分離的，調(diào)節(jié)亮度時只改變L通道，ab通道不變，調(diào)節(jié)色相或飽和度時只改變a，b通道，L通道不変。
、亮度/對比度命令介面與RGB相同，但調(diào)節(jié)時只是改變L通道，ab通道不變。
、色彩平衡命令介面中是紅綠和黃藍的滑桿，調(diào)節(jié)時只是改變ab通道，L通道不變。
、RGB模式下的某些調(diào)整命令如自然飽和度，顏色匹配等在Lab下不能使用
、在圖層混合方面也有許多不同的地方，也有一些不能使用的混合方式。
總之，Lab模式的圖像調(diào)整有很多獨特之處，有許多專門介紹用Lab模式調(diào)整圖像的資料，比較詳細的如《Lab調(diào)色聖典》上下兩冊。
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