色差仪RGB、XYZ、LAB颜色空间含义及转换关系式

RGB、XYZ、LAB是色差仪中常用的几个颜色空间，这几个颜色空间都是用三个维度来描述颜色，但是表示颜色的方式却不同。有时在对同一颜色进行描述时，为了获取相同的颜色信息，就需要进行颜色空间的转换。本文对色差仪RGB、XYZ、LAB颜色空间含义及转换关系式做了介绍。

颜色空间的含义：

颜色空间是表现彩色图像的一种辅助工具，因此针对颜色空间的研究也成为了一个必然的趋势。颜色空间又称彩色模型，彩色空间或者彩色系统，颜色空间是由组成颜色的三个分量构成的一个三维空间，它的用途是在某些人为规定的标准下对色彩加以抽象表示，或者说是色彩在不同的标准下的简化描述形式，本质上，彩色模型是坐标系统和子空间的表述，处于各种形式的坐标系统中的每个点都有唯一对应的值表示，即尽可能直观地用空间中三个分量值的不同来表示对应颜色的差异。

人类对颜色抽象和主观视觉上的感受被颜色空间转化为对应三个颜色分量空间的具体位置表示，现在采用的颜色模型大多数都是面向硬件和面向应用的基础上提出来的，颜色空间从提出到现在已经有很多种表现形式，很大一部分只是做了一些局部的改变，而一部分颜色空间也只是专用于某一种领域，每种颜色空间都有着自己独有的特点和局限性，因此，在不同的颜色空间表示的彩色图像也具有不同的特点，颜色空间的选择是否合适对彩色图像的处理效果的好坏也有着关键的决定作用。其中，常用的有RGB、CIEXYZ、CIELAB颜色空间，其中的RGB颜色空间可以说是这些颜色空间中进行转换的一座桥梁。

色差仪RGB、XYZ、LAB颜色空间含义：

1.CIERGB颜色空间

RGB颜色模型是所用颜色模型中使用范围最广的一种颜色模型，该模型采用红（R）、绿（G）和蓝（B）来描述颜色，通过对这三种颜色进行不同程度的叠加，可以产生很多颜色，如下图所示。当红、绿和蓝都达到最大值时，其颜色表现为白色；当红、绿和蓝都达到最小值时，其颜色表现为黑色；当红、绿、蓝的值相等，且不为最值时，其颜色表现为灰色。该颜色模型是一种与硬件设备相关的颜色模型。

RGB颜色模型的最大优点是直观，容易理解。但缺点也十分明显，R、G、B三个颜色分量存在一定的相关性。在RGB颜色模型中，如果改变一个颜色的某一分量，那么这个颜色可能发生改变，这意味着为了图像颜色的真实性，需要对其它两个颜色分量也进行修改，这将大大增加算法的复杂度。并且因为人眼对R、G、B的敏感程度不一样，所以RGB颜色模型的均匀性非常差。两个颜色之间的知觉差异色差不能用RGB颜色模型中两颜色点间的距离来表示，一般需要通过线性或非线性变换将RGB颜色模型转换到其它颜色空间中。

2.CIEXYZ颜色空间

由于用RGB颜色空间比配等能光谱时存在负比配，为了用三基色定义出所有的颜色，国际照明委员会CIE定义了三种标准基色XYZ，这三种基色是虚拟的，使颜色比配全部为正值，称为XYZ颜色空间，是一种设备独立的颜色空间。在这个空间内，监视器的颜色范围成为一个变形的六面体。它与RGB颜色空间之间的关系是线性关系。其形状大约为一个顶点在坐标原点的圆锥体，锥体的外表面可以看成由一些从原点出发而终止于一条边的光线组成，这些光线可以看成是某些色彩的各种颜色的集合，而Y值则表示某个颜色的亮度。

XYZ颜色空间包含了所有人类能够发觉的颜色，而且它是基于由实验测定的颜色匹配函数的，因此它不同于RGB颜色空间只是表示监视器所能显示的颜色范围，而是显示所有的颜色。在XYZ颜色空间内，可以通过改变三个分量的数值来得到所需要的颜色。

XYZ颜色空间的一个重要属性是它的设备非依赖性，每一个颜色空间有一个来自CIEXYZ颜色空间转变量。这个XYZ颜色空间通常作为一个参考颜色空间使用，它象一个中级非依赖装置颜色空间。

3.CIELAB颜色空间

CIELab颜色空间是一种均匀的且与设备无关的颜色空间，它目前颜色质量评价中应用最广的颜色空间。CIELab全称CIE1976 Lab颜色空间，是由CIE-XYZ 颜色空间进行非线性转换得到的W*U*V*空间进一步完善而产生的，CIE-XYZ 是一个非均匀的颜色空间，对于颜色的描述和人眼的感觉相差较大，而CIE Lab颜色空间是均匀的，当L、a、b这三个值变化幅度相同时，带来的人眼视觉上的变化幅度也不大。因此CIE Lab颜色空间常作为颜色质量评价的目标空间。L代表亮度，a和b代表色度指数，L、a、b构成的颜色空间如下图所示。

L代表亮度值，取值范围0~100，100亮度最高，0是没有亮度，L轴上的颜色点从亮度0到亮度100表示从黑到白的颜色。CIELab颜色空间上的点距离亮度轴越远，代表颜色越饱和。a和b代表色度轴，范围是-128-127，从a到-a表示红色变到绿色，同理，从b变到-b是从黄色到蓝色。

色差仪RGB、XYZ、LAB颜色空间转换关系式：

1.CIERGB颜色空间与CIEXYZ颜色空间转换

将RGB色空间转化到CIEXYZ颜色空间中涉及到一个问题，就是如何将不同大小的颜色空间进行转换，确定其映射关系。在CIEXYZ颜色空间研究初期，CIEXYZ颜色空间是通过将RGB颜色空间转化到CIERGB颜色空间（以一种单一波长原色的特定集合）后将CIERGB颜色空间转化到CIEXYZ颜色空间。但为实现RGB颜色空间到CIEXYZ颜色空间的直接转换，国际照明委员会通过对计算机视觉系统和人眼视觉观测的颜色进行大量的比配实验得到的等能光谱的三原色的相对数量响，得出从RGB颜色空间到CIEXYZ颜色空间的转换公式如下所示：

上式中X=0.412453*R+0.357580*G+0.180423*B，各系数相加之和为0.950456，非常接近于1，而R、G、B各分量的取值范围为[0，255]，当系数和为1时，X的取值范围也必然在[0，255]，因而为实现CIEXYZ颜色空间到RGB颜色空间的同等范围的映射，需对各系数进行修改，使其和等于1，第一行的系数应分别修改为[0.412453 0.357580 0.180423]/[0.950456]=[0.433953 0.376219 0.189828]，依此方法对Z分量的转换系数进行修正，而Y分量的系数之和为1，所以无需修改。最终得到RGB颜色空间和CIEXYZ颜色空间互相转换的公式如下：

2.CIEXYZ颜色空间与CIELAB颜色空间转换

CIE LAB颜色空间来源于对ANLAB颜色空间的简化，是对三刺激值CIE XYZ颜色空间的非线性变换，即：

式中，X、Y、Z表示颜色样品的三刺激值，X0、Y0、Z0表示同样照明条件下一个完全漫反射体表面的三刺激值。首先通过将三刺激值做归一化处理（即X/X0、Y/Y0、Z/Z0），使用vonkries色适应变换函数，然后在通过CIE LAB公式中的立方根函数进行非线性压缩。