浅析色彩空间

1 前言... 3

2 引入... 3

3 色彩空间... 3

3.1 亮度... 4

3.2 饱和度... 4

3.3 色调... 5

3.4 色彩空间模型... 6

3.5 对比度... 6

4 色彩空间参数在监控中的应用... 6

1  前言

    监控系统中影响视频图像质量的因素有多种，包括亮度、色度、饱和度等编码前的参数以及分辨率、码率等编码参数。分辨率和码率会直接影响到图像清晰度，因此比较容易理解，而亮度、色度、饱和度对图像质量的影响就没有那么直观。本文目的在于介绍亮度、色度、饱和度的含义，并介绍调节这些参数会达到什么样的效果。

2  引入

监控系统包含两个基本功能——监和控，一个是看视频一个是控云台，而看又为控的基础，因此一个监控系统中视频图像的好坏，直接影响用户对监控系统的整体评价。

监控系统中，视频图像的获取由摄像机完成，摄像机包含光学系统、光电转换系统和电路系统。光学系统由镜头组组成，光电转换系统通常使用CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合原件），电路系统为集成放大电路。

摄像机的工作原理可以简单的描述为：镜头组采集光信号，CCD感光并将光信号转换为电信号，电路系统将CCD转换的电信号放大输出。CCD是摄像机中极为重要的一个组件，是正确采集事物外形和颜色的关键。

图像的颜色是通过CCD中的分色滤光片采集得到的。分色滤光片上排列若干彩色滤镜，滤镜通常按照拜尔模式排列，在一行中为绿色和蓝色像素交替出现，而在下一行为红色和绿色像素交替出现。同时，绿色-蓝色行和红色-绿色行交替出现，因此记录的绿色像素数为红色和蓝色像素的两倍。这样做的原因是，人的肉眼对绿色色谱更为敏感。

从上图可以得知，我们看到的视频图像上任何一点的色彩都是由该点的红色、绿色、蓝色的感光值决定的。红色、绿色、蓝色经过组合可以还原自然界的所有颜色。例如红色和绿色组后可以得到黄色，红色和蓝色组合后可以得到紫色，绿色和蓝色组合后可以得到青色，而三种颜色同时按不同值组合可以得到更多其他的色彩。

因此图像中任意一点的色彩可以使用R（Red）G（Green）B（Blue）三维矢量来描述，例如RGB值为（50，0，0）表示该点颜色为纯红色。我们把使用三维坐标描述的色彩范围称为色彩空间，或色域。

3  色彩空间

色彩空间类似于物理中的三维空间，色彩空间用于描述一个点的颜色，三维空间用于描述一个点的位置。

在三维空间中，一个点的位置可以采用多种坐标来描述，并且各种描述方式可以进行换算。例如，在地球上的一个点，我们可以采用以地核为球心的三维坐标上的X、Y、Z值来描述，同时也可以采用经度、纬度和高度来描述，两者之间可以换算，而经度、纬度和高度方式更容易被人理解。

色彩空间中的颜色也可以采用多种方式描述，常用到的色彩空间主要有RGB和HSB。RGB使用一个颜色中R、G、B分量的多少，定量的描述了一个点的颜色，但是对于人眼来说对红色是多少值、蓝色多少值并不敏感，也不好理解。而从另外一个角度看，人眼对于某一个图像是明还是暗很敏感（亮度），对于图像偏红或是偏黄很敏感（色调），对于某种颜色是否鲜艳也很敏感（饱和度），所以在监控系统中，我们通常使用HSB色彩空间对颜色进行描述。HSB色彩空间中，H(hues)表示色调，S(saturation)表示饱和度，B(brightness)表示亮度。

色彩空间中的三个参数可以影响图像中每一个点的色彩，还有另外一个参数可以影响图像整体感官，但对于独立的一个点没有意义，这个参数就是对比度。对比度不属于色彩空间的范畴，但也是影响图像色彩的重要参数，因此在本节中也对对比度进行介绍。

3.1  亮度

亮度表示图片整体的明亮程度，不同系统中亮度取值范围不同，此处假设为0-255。当RGB值均为最高值255时，亮度达到最大值255，此时图像颜色为白色。当RGB值均为0，亮度达到最小值0，此时图像颜色为黑色。

所有的色彩只有在亮度值为（0，255）之间时才会有呈现，当亮度为0和255时，饱和度、色调失去意义。这两个特殊的亮度值可以称为色彩奇点。

仅调节亮度时，可以看到图像中的RGB分量均在按比例增加，当其中最大分量首先到达255后，保持不变，其他分量也增大到255后，图像变为白色。

3.2  饱和度

饱和度是指色彩的鲜艳程度，也称色彩的纯度。饱和度取决于该色中含色成分和消色成分（灰色）的比例。含色成分越多，饱和度越高；消色成分越多，饱和度越低。

色彩空间中，RGB任意两个分量组合得到的我们都称为纯色。所以含色成分是指RGB三种颜色分量中，取值较大的两者，取值较小的为消色成分。取值较小者为0时，即表示当前为某种纯色，饱和度为最大值。

上图中，蓝色分量即为该色的消色成分，当蓝色分量为0，得到该色的纯色。

当RGB三种分量均相同时，即含色成分和消色成分相同，饱和度为0，图像为灰色，此时决定图像的因素只剩亮度，色调在此时没有意义。

注意：色彩空间中的纯色并不是单指红、黄、绿、青、蓝、紫这六中颜色，这六种颜色只是人眼较为敏感的纯色。其中红、绿、蓝色表示RGB三个参量中，只有一个参量有值，其他两个参量为0，因此人眼最为敏感。而黄、青、紫是RGB三个参量中，有两个参量有值且相等得到的，人眼也较为敏感。其他纯色是RGB三个参量中，有两个参量有值且不等，所以人眼不是很敏感，但也为纯色。纯色的饱和度均为最高值。

3.3  色调

色调是指物体反射的光线中以哪种波长占优势。对于人的主管感觉来说，就是该色彩偏红或是偏绿或是偏蓝等。

色调的取值分布在色相环上，最大值和最小值收尾相连，均表示为红色。某颜色偏哪种色调，是由RGB参量中的最大值决定的，如果红色参量最大，则该颜色偏红。另外两种分量为偏色分量，如果偏色分量为纯黄、青、紫中的一种，则色调为红、绿或蓝色调。

上图可以看到，左图中，红色参量最大，所以色调偏红，而绿色和蓝色参量值相同，相当于纯紫，所以此时得到的色调值为0，表示纯红色调。同理，右图得到纯绿色调。

如果RGB中两个较大参量值相同，则可以得到黄、青、紫色调。如果RGB中三个值均不相同，则可以得到红、黄、绿、青、蓝、紫六色之外的其他色调。

注意：饱和度和色调的区分，色调决定颜色是偏红还是偏绿，饱和度是指如果当前是红，那么红的是否鲜艳。

3.4  色彩空间模型

色彩空间的参数可以使用一个圆柱形模型来描述，其中圆柱的高为亮度，圆柱的横切面圆周为色调，从横切面圆心到圆周为饱和度。

假设高度（亮度）取值为0-100，高度为0表示为黑色，高度为100表示白色，这两点饱和度和色调参数失效。

假设圆周（色调）取值0-360，则0和360均表示为红色调。

假设径向（饱和度）取值为0-100，则0表示图像为灰色，此时色调失效，100表示为色相环上的某种纯色。

3.5  对比度

对比度不属于色彩空间的范畴，该参数不会影响到图像上的每个点，但是会影响图像的整体表现。

对比度指的是一幅图像中明暗区域最亮的白和最暗的黑之间不同亮度层级的测量 ，差异范围越大代表对比越大，差异范围越小代表对比越小。对比度越大色彩表现会越丰富。对比度小，图像会整体发灰。对于一些颜色差别不大的细节会难以区分。

4  色彩空间参数在监控中的应用

在监控系统中，色彩空间参数位于编码器[通道基本参数]->[视频配置]中，亮度、对比度、饱和度、色调的取值范围均为[0，255]默认值为128。此处的取值不是指色彩空间中HSB的具体值，而是一个相对值，否则图像中的所有点将呈现唯一的颜色。

当查看监控视频，发现图像显示和实际场景没有出现大的偏差时，建议保持这些参数默认值不要修改。因为这些参数不同于分辨率和码率，分辨率码率只会影响图像清晰度，而不恰当的修改色彩空间参数会导致图像色彩失真，违背监控100%还原现场的初衷。

当图片整体偏暗或偏亮可以适当调节亮度，亮度不是越亮越好，亮度太高会失去一些色彩成分，调整亮度的同时需要同时调整对比度，否则图像会整体发灰；当图像不是很鲜艳可以适当调节饱和度，饱和度也不是越高越好，饱和度太高可能会引入色斑；色调在监控中通常不需要调节，因为色调的调整势必会引起颜色失真，在视频会议时，为了使得图像看起来更柔和可以适当调节色调。