一、背景及由來

光通過角膜、瞳孔、晶狀體的折射光線，透過玻璃體到達視網(wǎng)膜。視網(wǎng)膜上分布著光感受器。光感受器按形狀可分為兩大類：視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞。色覺的形成與3中視錐細(xì)胞相關(guān)，它們分別包含光譜吸收峰在光譜紅、綠、藍(lán)區(qū)的視色素蛋白，分別對紅光、綠光、藍(lán)光有最佳反應(yīng)。

人眼對色彩細(xì)節(jié)的分辨率比對亮度細(xì)節(jié)的分辨率要差。假設(shè)亮度（黑白兩色）分辨率為1，則對紅色為0.4，對綠色和藍(lán)色為0.19.所以就會有兩種色彩模型分別是：RGB（Red、Green、Blue）色彩模型、YUV色彩模型（Y黑白亮度值，U、V為色度值）。

對于黑白視頻圖像，每一個樣本點只需要用單值表示其亮度信息。對于彩色視頻圖像，每一個樣本點則需要多個數(shù)值表示。常用一維、二維、三維甚至四維模型表示某一色彩。不同的數(shù)字圖像系統(tǒng)會用不同的顏色模型表示。例如計算機系統(tǒng)常用RGB色彩模型，在彩色電視系統(tǒng)中使用YUV色彩模型，彩色印刷機則用CMYK色彩模型。

二、RGB色彩模型

RGB色彩模型與人眼視覺系統(tǒng)聯(lián)系緊密（上文提過），是最常用的色彩模型。電視攝像機及電視顯示器根據(jù)RGB模型工作。根據(jù)人類視覺系統(tǒng)特征，任何一種人眼能感知的顏色都可以用紅、綠、藍(lán)三種基色光按照不同的比例混合。例如：白色=100%紅色+100%綠色+100%藍(lán)色；黃色=100%紅色+100%綠色+0%藍(lán)色。因此RGB模型也稱為加色法混色模型，可以用三維笛卡爾坐標(biāo)系描述。

如圖所示：

三個坐標(biāo)分別代表R，G，B黑色定在原點，白色定在（1，1，1）

RGB模型的空間是個單位正方體。立方體內(nèi)的奇遇各點對應(yīng)不同的顏色，可以用從原點各點對應(yīng)不同的顏色，可以從原點到該點的矢量表示，三個坐標(biāo)值分別為紅、綠、藍(lán)三色的比例。在數(shù)字系統(tǒng)中這個單位空間被離散化，通常每個分量都用8位整數(shù)表示，這樣每個像素需要24位表示。

三、YUV色彩模型

YUV色彩模型利用人類視覺對亮度的敏感度比對色度的敏感度高的特點獲得較RGB色彩模型的優(yōu)勢，為彩色電視系統(tǒng)廣泛使用。YUV色彩模型將亮度信息從色度信息中分離了出來，并且對同一幀圖像的亮度和色度采用了不同的采樣率。在YUV色彩模型中，亮度信息Y與色度信息U\V相互獨立。Y信號分量為黑白灰度圖。U、V信號分量為單色彩色圖。黑白電視只利用Y分量，也解決了黑白電視和彩色電視的兼容問題。

YUV的采樣格式如圖所示：

4：4：4，YUV三個分量具有相同的水平和垂直分辨率。4:2：2，YUV三個分量具有相同的垂直分辨率，但在水平方向上，UV兩個分量的分辨率是Y的一半。即每4個亮度分量樣本值，對應(yīng)有2個U和2個V色度分量樣本值。4:2：0，在水平方向上和垂直方向上，UV兩個分量的分辨率是Y的一半，即每4個亮度分量樣本值，對應(yīng)有1個U和1個V色度分量樣本值。

四、RGB色彩模型與YUV色彩模型存在以下簡單的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

從RGB到Y(jié)UV的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

當(dāng)轉(zhuǎn)換的目標(biāo)是YUV4：4：4格式時，只需用對應(yīng)的變換公式進行格式轉(zhuǎn)換，不會帶來信息的損失。如果是4:2：2或者4:2：0格式時，則先需要按照樣本的位置進行抽樣，這樣會損失一部分色差信息，但對視覺效果影響不大。

從YUV到RGB的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

同理，當(dāng)是從YUV4:4：4格式時，只需用對應(yīng)的變換公式進行格式轉(zhuǎn)換，不會帶來信息的損失。如果是4:2：2或4:2：0格式轉(zhuǎn)換時，需要先對U、V兩個分量使用插值方法補齊缺少的像素值。

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