顏色模型(顏色空間)就是描述用一組數值來描述顏色的數學模型。在彩色圖像處理中，選擇合適的彩色模型是很重要的。從應用的角度來看，彩色模型可分爲兩類：
一、面向硬件設備的彩色模型
1.RGB模型
最典型、最常用的面向硬件設備的彩色模型是三基色模型，即RGB模型。電視、攝像機和彩色掃描儀都是根據RGB模型工作的。RGB顏色模型建立在笛卡爾座標系統裏，其中三個座標軸分別代表R、G、B，如圖1所示，RGB模型是一個立方體，原點對應黑色，離原點最遠的頂點對應白色。RGB是加色，是基於光的疊加的，紅光加綠光加藍光等於白光。應用於顯示器這樣的設備。
圖1.RGB模型
RGB顏色空間的主要缺點是不直觀，從R、G、B的值中很難知道該值所代表顏色的認知屬性，因此RGB顏色空間不符合人對顏色的感知心理。另外，RGB顏色空間是最不均勻的顏色空間之一，兩種顏色之間的知覺差異不能採用該顏色空間中兩個顏色點之間的距離來表示。
2.CMY模型
CMY模型主要用於彩色打印，圖像處理中幾乎沒用到過。
3.YCrCb模型
YCbCr模型中，Y是指亮度分量，Cb指藍色色度分量，而Cr指紅色色度分量。人的肉眼對視頻的Y分量更敏感，因此在通過對色度分量進行子採樣來減少色度分量後，肉眼將察覺不到的圖像質量的變化。YCbCr模型常用與膚色檢測中。
RGB轉換YCbCr公式：
Y=0.299R+0.587G+0.114B
Cb=0.564(B-Y)
Cr=0.713(R-Y)
YCbCr轉換RGB公式：
R=Y+1.402Cr
G=Y-0.344Cb-0.714Cr
B=Y+1.772Cb
二、面向視覺感知的彩色模型
面向硬件設備的彩色模型與人的視覺感知有一定的差距且使用時不太方便，如給定一個彩色圖像，人眼很難判定其中的RGB分量，這是面向視覺感知的彩色模型比較方便。這些模型即與人類顏色視覺感知比較接近，有獨立與顯示設備。
1.HSI模型
HSI模型是常見的面向彩色處理的模型。 HSI模型是雙棱錐結構，如圖2所示。
圖2.HSI模型
- 色調H(Hue):與光波的波長有關，它表示人的感官對不同顏色的感受，如紅色、綠色、藍色等，它也可表示一定範圍的顏色，如暖色、冷色等。H的值對應指向該點的矢量與R軸的夾角。
- 飽和度S(Saturation)：表示顏色的純度，純光譜色是完全飽和的，加入白光會稀釋飽和度。飽和度越大，顏色看起來就會越鮮豔，反之亦然。三角形中心的飽和度最小，越靠外飽和度越大。
- 亮度I(Intensity)：對應成像亮度和圖像灰度，是顏色的明亮程度。模型中間截面向上變白（亮）；向下變黑（暗）
HSI模型的建立基於兩個重要的事實： ① I分量與圖像的彩色信息無關；② H和S分量與人感受顏色的方式是緊密相聯的。這些特點使得HSI模型非常適合彩色特性檢測與分析。
2.HSV模型
HSV模型比HSI模型更與人類對顏色的感知接近。H代表色調，S代表飽和度，V代表亮度值。HSV模型的座標系統可以是圓柱座標系統，但一般用六棱錐來表示，如圖3所示，與HSI模型比較相似。可以通過比較HSI、HSV與RGB空間的轉換公式，來比較HSI與HSV的區別。
圖3.HSV模型
(1)RGB空間轉換HSI空間
(2)RGB空間轉換HSV空間
3.HSB模型
HSB模型的基礎是對立色理論，對立色理論源於人們對對立色調(紅和綠、黃和藍)的觀察事實(對立色調的顏色疊加，它們會相互抵消)。HSB模型是普及型設計軟件中常見的色彩模式，其中H代表色相；S代表飽和度；B代表亮度。HSB模型的結構如圖所示。
圖3.HSB模型
- 色調H(Hue)：在0~360°的標準色環上，按照角度值標識。比如紅是0°、橙色是30°等。
- 飽和度S( saturation )：是指顏色的強度或純度。飽和度表示色相中彩色成分所佔的比例，用從0%(灰色)~100%(完全飽和)的百分比來度量。在色立面上飽和度是從左向右逐漸增加的，左邊線爲0%，右邊線爲100%。
- 亮度B( brightness )：是顏色的明暗程度，通常是從0(黑)~100%(白)的百分比來度量的，在色立面中從上至下逐漸遞減，上邊線爲100%，下邊線爲0% 。
HSB色彩總部推出了基於HSB色彩模式的HSB色彩設計方法，來指導設計者更好地搭配色彩。
3.L*a*b模型
從視覺感知的均勻的角度，人所感知到的兩個顏色之間的距離應該與這兩個顏色在表達它們的顏色空間中的距離月成比例越好。換句話說，如果在一個顏色空間中，人所觀察的兩種彩色的區別程度與該彩色空間中兩點間的歐式距離相對應，則該空間爲均勻彩色空間。L*a*b模型是一種均勻的彩色模型，它也是基於對立色理論和參考白點，模型結構如圖所示。
圖3.L*a*b模型
Lab色彩模型是由明度(L)和有關色彩的a,b三個要素組成。
- L表示明度(Luminosity)，L的值域由0到100，L=50時，就相當於50%的黑
- a表示從洋紅色至綠色的範圍，a的值域由+127至-128，其中+127就是紅色，漸漸過渡到-128的時候就變成綠色。
- b表示從黃色至藍色的範圍，b的值域也是由+127至-128，+127是黃色，-128是藍色。
所有的顏色就以這三個值交互變化所組成。例如，一塊色彩的Lab值是L = 100，a = 30, b = 0, 這塊色彩就是粉紅色。（注：此模式中的a軸,b軸顏色與RGB不同，洋紅色更偏紅，綠色更偏青，黃色略帶紅，藍色有點偏青色）。