顏色空間模型

數字圖像在內存中的存儲方式

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數字圖像在內存中的存儲就是一排排數字矩陣，如下圖所示：

上圖展示了圖片中很小一個區域在內存中的存儲形式，矩陣中的數值表示每個像素點強度值的大小。
OpenCv 讀取圖像數據並形成內存中的像素矩陣，像素矩陣的排布與圖像的顏色空間和數據類型有關。OpenCv 作爲一個計算機視覺庫，其主要工作是處理和操作這些像素矩陣信息。
顏色空間是指針對一個給定的顏色模型，如何組合像素並對其進行編碼；常見的顏色空間有灰度級空間、RGB顏色空間、HSV/HLS顏色空間、YCrCb顏色空間。數據類型決定了控制顏色的精度，常見的數據類型有無符號( $0$ 到 $255$ 之間)的 char，有符號（ $-127$ 到 $127$ 之間）的 char，$float$型（ $4$ 字節，$32$位），double型（$8$字節，$64$位），其中，float 和 double 可以給出更精細的顏色分辨能力。同時增加像素的尺寸也會增加圖像所佔的內存空間。

RGB顏色空間模型

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$RGB$ 的顏色空間：該顏色空間主要用於計算機圖形學中，表示每個像素具有 $R、G、B$ 三種顏色分量，每個分量均爲 $[0, 255]$ 的大小，以三個分量爲座標軸，構建一個三維顏色空間。如下圖所示。

由圖可知：$[0, 0, 0]$：純黑色； $[255, 255, 255]$：純白色； $[255, 0, 0]$：純紅色； $[0, 255, 0]$：純綠色； $[0, 0, 255]$：純藍色。
圖片中任何一個帶顏色的像素都是由RGB構成的結構[B, G, R, A]（這是OpenCv的存儲順序， 不同於我們認爲RGB順序）。

HSV的顏色空間

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這個顏色模型中參數分別是：色調(H)，飽和度(S)，明度(V)。

• 色調(H)：用角度來度量，取值範圍爲 $[0°，360°]$，從紅色開始按逆時針方向計算，紅色爲 $0°$，綠色爲 $120°$，藍色爲 $240°$。它們的補色是：黃色爲 $60°$，青色爲 $180°$，品紅爲 $300°$。
• 飽和度(S)：飽和度 $S$ 表示顏色接近光譜色的程度。一種顏色，可以看成是某種光譜色與白色混合的結果，其中光譜色所佔的比例越大，顏色接近光譜色的成都越高，顏色的飽和度也就越高。飽和度越高，顏色則深而豔。光譜色的白光成分爲 $0$，飽和度達到最高。通常取值範圍爲 $[0\%,100\%]$，值越大，顏色越飽和。
• 明度(V)：明度表示顏色明亮的程度，對於光源色，明度值與發光體的光亮度有關；對於物體色，此值和物體的透射比或反射比有關。同城取值爲$[0\%, 100\%]$。與光強度沒有直接的聯繫。

$HSV$ 模型的三維表示從 $RGB$ 立方體演化而來。設想從 $RGB$ 沿着立方體對角線的白色頂點向黑色頂點觀察，就可以看到立方體的六邊形外形。六邊形邊界表示色彩，水平軸表示純度，明度沿着垂直軸測量。

$HSV$ 對於用戶來說是一種直觀的顏色模型。例如，要得到一種彩色模型，我們先指定彩色角 $H$，並讓 $A=S=1$，然後我們通過向其中加入黑色和白色得到我們需要的顏色。增加黑色可以減小 $V$ 而 $S$ 不變，增加白色可以減小 $S$ 而 $V$ 不變。例如，要得到深藍色，$V=0.4， S = 1， H = 240$；

HSI的顏色空間

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$HSI$，也可以叫 $HSL(Hue-Saturation-Intensity(Lightness))$，其類似與 $HSV$ 顏色空間模型。

• 色調（H），飽和度（S）：與 $HSV$ 顏色模型的概念是一樣的。顏色空間任一點距離 $I$ 的距離。
• 強度（I）：對應成像亮度和圖像灰度，是顏色的明亮程度。這個分量可以從圖片彩色信息（色調和飽和度）裏消去，使得 $HSI$ 模型成爲開發基於彩色描述的圖像處理方法的良好工具，而這種彩色描述對於人來說是自然而直觀的。
  注意：當強度 $I=0$ 時，色調、飽和度 $S$ 無定義；當 $S=0$ 時，色調 $H$ 無定義。

HSV與HSI顏色空間模型的區別

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$HSI$ 和 $HSV$ 的顏色模型比較接近，它們用來描述顏色相對於 $RGB$ 等模型顯得更加的自然。
在 $HSI$ 和 $HSV$ 中，$H$ 都表示色相，該值範圍爲 $[0, 360]$，色相的意義就是光的波長，不同波長的光呈現了不同的色相。$S$ 都表示飽和度，其本質爲一束光可能有很多種不同波長的單色光構成，波長越多顏色越分散，而單色光構成的色彩純淨度就很高。
兩種模型唯一不同的就是最後一個分量：在 $HSI$ 中表示亮度 $（Lightness/Luminance/Intensity）$；$HSV$ 中 $V$ 表示明度（Value/Brightness）。

上圖中能很好的對比出 $HSI$ 和 $HSV$ 的區別：在 $HSI$ 中，圓柱體外圍是純色，這圈純色爲與亮度 $（L/I）$ 等於 $1/2$ 的部位；而在 $HSV$ 中，純色對應於明度 $(V)$ 等於 $1$ 的部位。
在 $HSL$ 中，飽和度分量總是對應等價的灰度值；而在 $HSV$ 中，在極大值時候，飽和度從全飽和漸變話到白色，這可以認爲是反直覺的。
在 $HSL$ 中，亮度的跨越是從黑色經過色相到白色的；而在 $HSV$ 中，$V$ 分量是從黑色過渡到色相 $(H)$ 的。

RGB、HSV和HSI的轉換方法

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RGB–>HSV

HSV --> RGB