⾊彩空间与像素格式
1. ⾊彩空间基础
颜⾊是不同波长的光对⼈眼刺激产⽣的⾊彩感觉。⾊彩空间(Color Space)是颜⾊的数学表⽰，根据不同的表⽰⽅法分为不同的⾊彩模型。最常⽤的⾊彩模型有三类：RGB(⽤于计算机图形学), YUV(⽤于视频系统), CMYK(⽤于彩⾊印刷)。后⽂对⾊彩空间与⾊彩模型的叫法不作区分。本⽂仅讨论视频图像处理领域常⽤的RGB⾊彩空间和YUV⾊彩空间。
颜⾊与光源特性和⼈眼视觉特性有密切的关系，与之相关的学科有光度学和⾊度学。光度学是研究光学计量的学科，定义了光通量、发光强度、照度、亮度等主要光度学参量以及⼏个光度学重要定律。光度学考虑的是可见光范围，并且考虑⼈眼主观影响。⾊度学是研究⾊彩计量的科学，它定性和定量地研究⼈眼的颜⾊视觉规律、颜⾊测量理论与技术。⾊度学是研究视频技术的重要理论基础，将⾊度学中最基础的两个概念摘录如下。本节内容，是理解图像⾊彩相关知识的基础，已经简洁的不能再简洁。 1.1 光的常⽤度量
描述光的常⽤物理量有四个：光通量、光强、照度、亮度。如下两张⽰意图引⽤⾃“”，图中涉及三个⾓⾊：光源、物体(被观察者)与⼈眼(观察者)。 如下概念的描述，⼒求通俗，因此并不准确。
1.1.1 光通量
定位板单位时间内由光源所发出或由被照物所吸收的总光能。单位流明。
在第⼀张图中，灯泡在单位时间内散发的的光的总和即为光通量。光通量衡量光源总的发光量。
1.1.2 光强
光源在给定⽅向上，每单位⽴体⾓内所发出的的光通量。单位坎德拉。
在第⼀张图中，光源射向照射⾯的⼀根光线表⽰光强。光强衡量光源的发光强度。 1.1.3 照度
物体表⾯每单位⾯积⼊射可见光的光通量。单位勒克斯。
照度在被观察者(被照物体)⾓度，衡量接受到的光的强弱。
1.1.4 亮度
描述发光⾯或反光⾯上光的明亮程度的光度量。单位坎德拉每平⽅⽶。
亮度在观察者(⼈眼)⾓度，衡量感受到的光的明亮程度。一个度导航
在第⼆张图中，理想情况下，被同⼀光源照射，⿊⾊书和⽩⾊书具有同样的照度，却有不同的亮度。
1.2 ⾊度学基础
1.2.1 彩⾊三要素
光的颜⾊取决于客观和主观两⽅⾯的因素。客观因素是光的功率波谱分布，它影响光源的颜⾊。主观因素是⼈眼视频特性，它影响⼈眼对⾊彩的感觉。 彩⾊三要素指亮度(Lightness)、⾊调(Hue)和饱和度(Saturation)，任⼀⾊彩都可以⽤这三个基本参量来表⽰：麦克风架
亮度表⽰颜⾊明暗的程度，是光作⽤于⼈眼时引起的明亮程度的感觉。
⾊调是指颜⾊的类别，例如红⾊、蓝⾊、绿⾊指的就是⾊调。
饱和度指颜⾊的深浅程度，也称彩度。例如深绿、浅绿指的就是绿⾊这个⾊调的饱和度，饱和度越⾼，颜⾊越深。
1.2.2 三基⾊原理
三基⾊原理指⾃然界中⼤部分彩⾊都可以由三种基⾊按不同⽐例混合得到。选择三种基⾊的前提的：每⼀种基⾊都不能由另外两种基⾊混合得到，这三种基⾊互相独⽴。三基⾊原理主要内容如下： 1. ⾃然界中的绝⼤部分彩⾊，都可以由三种基⾊按⼀定⽐例混合得到；反之，任意⼀种彩⾊均可被分解为三种基⾊。探空气球
2. 作为基⾊的三种彩⾊，要相互独⽴，即其中任何⼀种基⾊都不能由另外两种基⾊混合来产⽣。
3. 由三基⾊混合⽽得到的彩⾊光的亮度等于参与混合的各基⾊的亮度之和。
4. 三基⾊的⽐例决定了混合⾊的⾊调和⾊饱和度。
不同颜⾊混合在⼀起能产⽣新的颜⾊，这种⽅法称为混⾊法。⾊彩空间RGB是采⽤了R、G、B三种基⾊，⾊彩空间CMYK是采⽤了C、M、Y三种基⾊。
我们看⼀张包含彩⾊三要素和RGB三原⾊的⽰意图：
2. RGB⾊彩空间
太深的原理已超出本⽂的讨论范围和研究⽬的。这⾥摘录⼀些经验观点：
RGB三原⾊不是唯⼀的正交基，还可以有其他选择，只不过RGB能组合出来的颜⾊更为丰富。[3]
不考虑⼈类视觉的特殊性时，我们平时所认为的“红+绿=黄”之类的“颜⾊叠加”是不成⽴的。因为红⾊和绿⾊的单⾊光的混合只有在⼈类的视觉中才会跟黄⾊的单⾊光⼀样，它们在其它动物的视觉中不⼀定是⼀样的。也就是说，不考虑⼈类视觉的特殊性时，不存在RGB颜⾊空间。[3]
⼈类有三种视锥细胞⽤于感知颜⾊，这三种视锥细胞对红®、绿(G)、蓝(B)三种颜⾊敏感。[4]
⼈眼看到的物体颜⾊，是光源照射到物体，物体吸收(还有透射)部分颜⾊的光，然后从物体表⾯反射的光线进⼊⼈眼后⼈眼得到的⾊彩感觉。
⼈眼看到物体为⿊⾊，是因为物体将光线完全吸收，没有光从物体表⾯反射出来(例如⽩天我们看⼀件⿊⾐服)；或者没有任何光线照射到物体(例如⿊底我们看⼀张⽩纸)。钟表齿轮
⼈眼看到物体为⽩⾊，是因为在⽩光源照射下，物体不吸收光线⽽将光线全部反射(例如⽩天我们看⼀张⽩纸)。
颜⾊与光源和物体的吸⾊特性密切相关，基于此，引出混⾊⽅法中的加⾊法和减⾊法。
加⾊法利⽤光源发射特性，将各分⾊的光谱成分相加得到混合颜⾊。RGB⾊彩空间采⽤加⾊法。当⽆任何光线照射时，R、G、B三种颜⾊分量都为0时，物体呈现⿊⾊；当R、G、B三种颜⾊分量达到最⼤时，物体不吸收光线只反射的情况下，物体呈现⽩⾊。我们称⿊⾊为最暗，⽩⾊为最亮，要达到最亮状态，需要三⾊分量最⼤程度混合，因此称为加⾊。 [6]
加⾊法⽤于⾃发光物体。RGB颜⾊空间主要应⽤于计算机显⽰器、电视机、舞台灯光等，都具有发光特性。彩⾊像素在显⽰器屏幕上不会重叠，但⾜够的距离时，光线从像素扩散到视⽹膜上会重叠，⼈眼会感觉到重叠后的颜⾊效果。
减⾊法是利⽤颜料吸⾊特性，每加⼀种颜⾊的颜料，会吸收掉对应的补⾊成分。CMYK⾊彩空间采⽤减⾊法。例如，我们在⽩纸(⽩光照射、不吸收、全反射)上涂颜料，黄⾊颜料能吸收蓝⾊(黄⾊的补⾊)，因此在⽩光照射下显⽰黄⾊，当黄(Y)、青©、品红(M)三⾊混在⼀起且颜⾊分量都为最⼤时，它们的补⾊成分被吸收掉，变成了⿊⾊；当三⾊分量为0即什么也不涂时，⽩纸显现⽩⾊。要达到最⼤亮度，需要三⾊分量完全消失，因此称为减⾊。
印刷时，⽆法达到理想程度，C、M、Y最⼤程度混合后⽆法得到纯⿊⾊，只能得到深灰⾊，因此在C、M、Y三⾊之外引⼊了K(⿊⾊)。
[7]
减⾊法⽤于⽆法发光的物体。CMYK颜⾊空间主要应⽤于印刷、绘画、布料染⾊等。
RGB⾊彩空间中每个像素点包含了R、G、B三种分量。RGB存储模式也有packed和planar两类，这两种模式的区分在第3节中讲述。RGB ⾊彩空间及存储模式⽐较简单，我们挑⼏个有代表性的存储模式来简述⼀下：
2.1 存储模式RGB565
使⽤16b(bit)表⽰⼀个像素，5b⽤于R，6b⽤于G，5b⽤于B。如下：
[ R G B ] [ R G B ] [ R G B ] [ R G B ]
[ R G B ] [ R G B ] [ R G B ] [ R G B ]
以上只是⽰意图，实际R、G、B顺序可能与图中不同。
2.2 存储模式RGB888
使⽤24位来表⽰⼀个像素，每个分量都⽤8位表⽰。其⽰意图跟RGB565⽰意图类似。
2.3 存储模式ARGB8888
使⽤32位来表⽰⼀个像素，R、G、B都⽤8位表⽰，另外A(Alpha)表⽰透明度，也⽤8位表⽰。
[ A R G B ] [ A R G B ] [ A R G B ] [ A R G B ]
[ A R G B ] [ A R G B ] [ A R G B ] [ A R G B ]
以上只是⽰意图，实际A、R、G、B顺序可能与图中不同。
3. YUV⾊彩空间
YUV颜⾊空间是PAL、NTSC、SCEAM三⼤视频标准使⽤的颜⾊空间，主要应⽤于视频系统。YUV⾊彩空间中，Y表⽰亮度信息，U和V表⽰⾊度(⾊调和饱和度)信息。使⽤YUV⾊彩空间，后期出现的彩⾊电视系统和早期的⿊⽩电视系统兼容，⿊⽩电视机可以只处理彩⾊电信信号中的Y分量，⽽彩⾊电
视机接收⿊⽩电视信号并显⽰也没有任何问题。
YUV颜⾊空间和RGB颜⾊空间可以根据公式相互转换。
经常提到的还有YPbPr和YCbCr。YPbPr指模拟分量信号(或接⼝)，P(Parallel)表⽰并⾏，b下标表⽰蓝，r下标表⽰红。YCbCr指的是数字分量信号(或接⼝)，C(Chroma)表⽰⾊度。YCbCr还可指⾊彩空间，YCbCr⾊彩空间是YUV⾊彩空间的缩放和偏移版本。
YUV, YCbCr, YPbPr所指涉的范围，常有混淆或重叠的情况。从历史的演变来说，其中YUV和Y’UV通常⽤来编码电视的模拟信号，⽽YCbCr则是⽤来描述数字的视频信号，适合影⽚与图⽚压缩以及传输，例如MPEG、JPEG。 但在现今，YUV通常已经在计算机系统上⼴泛使⽤。[9]
YUV存储格式分成三⼤类：
packed：将Y、U、V分量交织存放在⼀起，和RGB的存放⽅式类似。内存中排列形式类似：YVYUYVYUYVYUYVYU…。在具体的存储模式命名中，packed格式不带后缀P。
planar：将Y、U、V的三个分量分别存放在不同的矩阵(平⾯)中。内存中排列形式类似：YYYYYY…，UUUUUU…，VVVVVV…。在具体的存储模式命名中，planar格式带后缀P。
semi-planar：将Y、U、V三个分量放在两个矩阵(平⾯)中。Y占⽤⼀个平⾯，UV共⽤⼀个平⾯。内存中排列形式类似：
YYYYYY…，UVUVUV…。在具体的存储模式命名中，semi-planar格式带后缀SP。
YUV图像存储模式与采样⽅式密切相关。主流的采样⽅式有三种，YUV4:4:4，YUV4:2:2，YUV4:2:0。这些采样⽅式，不压缩Y分量，对UV分量的压缩程度不同，这是由⼈眼的特性决定的，⼈眼对亮度Y更敏感，对⾊度UV没有那么敏感，压缩UV分量可以降低数据量，但并不会⼈眼主观感觉造成太⼤影响。
3.1 采样⽅式YUV4:4:4
相邻的4个像素⾥有4个Y、4个U、4个V。每1个Y使⽤1组UV分量。如下(每个[]为⼀个像素点)：
[ Y U V ] [ Y U V ] [ Y U V ] [ Y U V ]
[ Y U V ] [ Y U V ] [ Y U V ] [ Y U V ]
[ Y U V ] [ Y U V ] [ Y U V ] [ Y U V ]
[ Y U V ] [ Y U V ] [ Y U V ] [ Y U V ]
在这种采样⽅式下，⼀个像素点包含的完整的信息。
3.2 采样⽅式YUV4:2:2
相邻的4个像素⾥有4个Y、2个U、2个V。每2个Y共⽤1组UV分量。平均算来，⼀个像素占⽤的数据宽度为16b，其中Y占8b，U占
4b，V占4b。后⾯存储模式命名中的数字16指的就是16b。
[ Y U ] [ Y V ] [ Y U ] [ Y V ]
[ Y V ] [ Y U ] [ Y V ] [ Y U ]
[ Y U ] [ Y V ] [ Y U ] [ Y V ]
[ Y V ] [ Y U ] [ Y V ] [ Y U ]
在这种采样⽅式下，还原出⼀个像素点，需要相邻的两个像素点数据，如下：
[ Y U ] [ Y V ]
在同⼀采样模式下，根据分量元素排列顺序的不同，⼜分为不同的存储模式：
3.2.1 存储模式YUYV(YUY2)
[ Y U ] [ Y V ] [ Y U ] [ Y V ]
[ Y V ] [ Y U ] [ Y V ] [ Y U ]
[ Y U ] [ Y V ] [ Y U ] [ Y V ]
[ Y V ] [ Y U ] [ Y V ] [ Y U ]
3.2.2 存储模式UYVY
[ U Y ] [ V Y ] [ U Y ] [ V Y ]
[ U Y ] [ V Y ] [ U Y ] [ V Y ]
[ U Y ] [ V Y ] [ U Y ] [ V Y ]
[ U Y ] [ V Y ] [ U Y ] [ V Y ]
3.2.3 存储模式YUV422P(YU16)
命名中的数字16表⽰，平均算来，⼀个像素占16b，其中Y占8b，U占4b，V占4b。
Y Y Y Y
Y Y Y Y
Y Y Y Y
Y Y Y Y
-------
U U U U
U U U U
-------
V V V V
V V V V
3.2.4 存储模式YUV422P(YV16)
Y Y Y Y
Y Y Y Y
Y Y Y Y
Y Y Y Y
-------
V V V V
V V V V
-------
U U U U
U U U U
3.2.5 存储模式YUV422SP(NV16)
Y Y Y Y
Y Y Y Y
Y Y Y Y
Y Y Y Y
-------
U V U V
U V U V
U V U V
U V U V
3.2.6 存储模式YUV422SP(NV61)
Y Y Y Y
Y Y Y Y
Y Y Y Y
Y Y Y Y
-------
V U V U
V U V U
V U V U
V U V U
3.3 采样⽅式YUV4:2:0
相邻的4个像素⾥有4个Y、2个U、0个V，或4个Y、2个V，0个U。每4个Y共⽤1组UV分量。平均算来，
⼀个像素占⽤的数据宽度为12b，其中Y占8b，U占2b，V占2b。后⾯存储模式命名中的数字12指的就是12b。
[ Y U ] [ Y ] [ Y U ] [ Y ]
[ Y V ] [ Y ] [ Y V ] [ Y ]
[ Y U ] [ Y ] [ Y U ] [ Y ]
[ Y V ] [ Y ] [ Y V ] [ Y ]
在这种采样⽅式下，还原出⼀个像素点，需要相邻的四个像素点数据，如下：
[ Y U ] [ Y ]
[ Y V ] [ Y ]
在同⼀采样模式下，根据分量元素排列顺序的不同，⼜分为不同的存储模式：
led调光电源
