一、背景及由來(lái)

光通過(guò)角膜、瞳孔、晶狀體的折射光線，透過(guò)玻璃體到達(dá)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(jué)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(duì)紅光、綠光、藍(lán)光有最佳反應(yīng)。

人眼對(duì)色彩細(xì)節(jié)的分辨率比對(duì)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(duì)紅色為0.4，對(duì)綠色和藍(lán)色為0.19.所以就會(huì)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(duì)于黑白視頻圖像，每一個(gè)樣本點(diǎn)只需要用單值表示其亮度信息。對(duì)于彩色視頻圖像，每一個(gè)樣本點(diǎn)則需要多個(gè)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(huì)用不同的顏色模型表示。例如計(jì)算機(jī)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(jī)則用CMYK色彩模型。

二、RGB色彩模型

RGB色彩模型與人眼視覺(jué)系統(tǒng)聯(lián)系緊密（上文提過(guò)），是最常用的色彩模型。電視攝像機(jī)及電視顯示器根據(jù)RGB模型工作。根據(jù)人類視覺(jué)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(gè)坐標(biāo)分別代表R，G，B黑色定在原點(diǎn)，白色定在（1，1，1）

RGB模型的空間是個(gè)單位正方體。立方體內(nèi)的奇遇各點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的顏色，可以用從原點(diǎn)各點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的顏色，可以從原點(diǎn)到該點(diǎn)的矢量表示，三個(gè)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(gè)單位空間被離散化，通常每個(gè)分量都用8位整數(shù)表示，這樣每個(gè)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(jué)對(duì)亮度的敏感度比對(duì)色度的敏感度高的特點(diǎn)獲得較RGB色彩模型的優(yōu)勢(shì)，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(lái)，并且對(duì)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(dú)立。Y信號(hào)分量為黑白灰度圖。U、V信號(hào)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(wèn)題。

YUV的采樣格式如圖所示：

4：4：4，YUV三個(gè)分量具有相同的水平和垂直分辨率。4:2：2，YUV三個(gè)分量具有相同的垂直分辨率，但在水平方向上，UV兩個(gè)分量的分辨率是Y的一半。即每4個(gè)亮度分量樣本值，對(duì)應(yīng)有2個(gè)U和2個(gè)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(gè)分量的分辨率是Y的一半，即每4個(gè)亮度分量樣本值，對(duì)應(yīng)有1個(gè)U和1個(gè)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(jiǎn)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(shí)，只需用對(duì)應(yīng)的變換公式進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，不會(huì)帶來(lái)信息的損失。如果是4:2：2或者4:2：0格式時(shí)，則先需要按照樣本的位置進(jìn)行抽樣，這樣會(huì)損失一部分色差信息，但對(duì)視覺(jué)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(shí)，只需用對(duì)應(yīng)的變換公式進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，不會(huì)帶來(lái)信息的損失。如果是4:2：2或4:2：0格式轉(zhuǎn)換時(shí)，需要先對(duì)U、V兩個(gè)分量使用插值方法補(bǔ)齊缺少的像素值。

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