一.人类视觉系统（Human Vision System）HVS

1.1可见光的物理表示

光，据我们高中的物理知识可知具有波粒二象性。而对于与HVS相关的可见光（400nm - 700nm），我们主要关心其波动性。

我们知道可见光（visible light）的能量分布再400nm-700nm之间，据此我们可以绘制功率密度曲线P(f)，用以描绘可见光在各个频率上的能量分布情况。P(f)就是可见光的物理表示。

值得注意的是，在上学期的课程中学到过，我们需要将可见光的物理表示和HVS对其的反应区别开。我们可以将HVS视为一个以P(f)为自变量，人类感知（就是你对光的主观感知，记为FEEL）的映射。这个映射 $FEEL = HVS(P(f));$ 具有如下的性质：1.不是一对一映射，即不同的P(f)也可能对应同样的FEEL，称其为“异构同色”现象。? ? ? ??

1.2 HVS的生理基础和人类颜色感知的合成

颜色视觉的三原色理论（Trichromatic theory of colour vision）认为，人对颜色的感知（sensation of color）是由对三种基本的可见光的感知合成的；这三种基本的可见光为short- wavelength的蓝光，medium-wavelength的绿光和long-wavelength的红光。需要注意的是这三种可见光各自对应着spectrum上的一个范围，而不是一个点。

HVS的生理基础是视网膜（retina），对应上述原理，我们认为：1.视网膜上的细胞分为负责感知光强的rods细胞和负则感知颜色的cones细胞，其中cones细胞又分为三种，分别感知红绿蓝三原色。? ? ? ? 2.可以认为rods细胞提供了视觉的全貌（给了灰度图），而cones细胞把灰度图变为color image。

我们的视网膜上的视觉神经元接收到了刺激信号后，需要传递给大脑进行处理。rods提供图像的全貌，三种cones细胞分别提供rgb信息。关于大脑如何处理这四个采集到的信号，有一个对立过程理论（opponent-process theory），认为大脑采集到RGB后，会对RGB进行处理，得到颜色的三个通道：

? ? ? ? 1.亮度通道L =R + G +B;

? ? ? ? 2.S通道： S = G-R;

? ? ? ? 3.T通道：T = B - Y = B - R - G;

所以GR信号互相拮抗，BY信号互相拮抗，我们看不见绿红色和黄蓝色。我们只需要记住这个观点。

对立过程理论_百度百科 (baidu.com)

1.3 HVS的特点

1.人对亮度变化的感知高于对颜色变化的感知，所以量化时亮度信息的量化等级范围要高（而且可以是high resolution），颜色信息的亮化等级范围可以相对低一些（而且可以是low resolution）。这就是JPEG中，对YUV颜色模型下的图片进行不均等保留从而压缩的原理。

2.人对亮度的感知有阈值。

3.颜色和亮度方面细小的变化，HVS不能感知。这个是JPEG频率域滤波滤去高频分量的理论基础。

4.人对绿色的感知要高于蓝色和红色，所以为了是人眼能够察觉图像的更多细节，图像的色调会偏绿。

5.人眼对于光强的感知不是线性的，而是对数的。这表明在量化时，在较暗部分的分辨率可以高些，在较量部分的分辨率可以低些。

二.颜色模型（color model）与颜色空间（color space）

2.1颜色模型的定义和分类

?这是教师关于颜色模型的定义。颜色的感知是主观的，想要客观地表示颜色（理解为可见光）的话，自然可以使用spectrum或是P(f)。但是这个对于数字系统而言开销较大。所以我们提出不同的颜色模型（color model），并在该模型下表示颜色。颜色模型的提出就是表示颜色的，其可以被视为一个坐标系，其坐标轴可以看作描述颜色的不同维度（坐标系的作用就是通过其几个维度/坐标轴描述点），颜色可以看成坐标系中的点。（当然，这些维度是否足够描述一种颜色我们不深究。我们平时描述一种事物的思想和color model的维度思想是类似。比如描述一个学生，我们会从姓名、性别、年龄、学籍信息、班级和学号这几个维度描述）。

采用的维度（描述的角度）不同，那么color model就不同。总的来讲，我们要学习这些颜色模型。硬件指向的颜色模型是反直觉的，是基于硬件如何描述和产生颜色的；而用户指向的颜色模型是符合直觉的，是基于用户如何感知颜色的。

2.2 RGB颜色模型

RGB颜色模型是针对能够主动产生光的设别的颜色模型。所以RGB被称为"three primary colors of light"。严格意义上的RGB光在光谱上对应着一个频率点，规定如下：

严格意义来讲RGB并不能合成任意颜色，除非允许RGB以R0，B0，G0为中心左右略微有些波动。RGB颜色模型是加法模型，是能够主动发光的物体使用的颜色模型。

2.3 CMY(K)颜色模型

正如RGB是光的三原色，CMY是染料或说色素的三原色。原因在于色素不能主动发光，我们看到色素的颜色是由色素的反射特定决定的（看色素吸收什么光、反射什么光）。所以CMY显然是减法模型。C为蓝绿色，表示该色素吸收红光，反射蓝、绿光；M为品红色，表示该色素吸收绿光，反射红、蓝光；Y为黄色，表示该色素吸收蓝光，反射红、绿光。

将CMY三种颜色混合，则吸收RGB光，故色素显示黑色（K）。不过目前CMY合成的黑色看起来不是很黑，所以会额外引入K色素（黑色色素）来印刷黑色。

所以，显然CMY(K)颜色模型是用于印刷行业的。

CMY和RGB转换

CMYK和CMY的转换?

2.4 Lab颜色模型（LUV，YUV均可），YIQ颜色模型

L表示亮度，a*和b*是两个颜色分类，用于表示色度（色调和饱和度）。

如果只有L信息的话，那图片变为灰度图了；UV信息的加入使之变成了彩色图片。YUV颜色模型相对于RGB的两个好处是：

1.YUV空间的线性变化在人的感知上也是线性的，而RGB空间中的线性变化在人的感知上却是对数变化的；

2.YUV把颜色信息和亮度信息分开了，而RGB未能做到。

YIQ和YUV颜色模型的道理是一样的，而且作用都是TV transmission。

两者Y一样，UV和IQ的关系是：

?2.5 HSV(HSI)颜色模型

?HSV颜色模型是最符合人的直观的。H表示色调（hue），S表示颜色的饱和度（saturation），V（value）表示颜色的。这也做到了颜色信息和亮度信息的分离。色度就是颜色的种类（dominant frequency所对于的颜色），value就是颜色的亮度，饱和度就是和白色的混合程度（就是颜色纯不纯，白色是最不纯的颜色）。