一文读懂图像三原色原理

本书后面的篇幅将重点讲基于Matlab与FPGA的数字图像处理。但在正式开始之前，我们不得不再得巴拉巴拉一下，图像的成像原理。知其然要知其所以然，了解图像的成像原理，对于图像数据的组成，算法的处理以及显示成像等，均有帮助。

从牙牙学语起，我们开始认知世界的五彩斑斓，或是草丛的绿油，或是晚霞的红火，或是麦穗的金黄，或是大海的蓝色，亦或是惊艳的彩虹。我们无比迷恋那缤纷的花海，甘愿倾城沉醉那花香，这是来自大自然的馈赠，也是我们对色彩不懈追求与陶冶。

颜色通常由三个独立的分量来描述，相互综合得到最终的结果，这个三个变量变构成了一个XYZ空间坐标系，这就是颜色空间，而不同的颜色空间只是从不同的角度去衡量而已。颜色空间可以分成基本的两大类：三原色颜色空间，即RGB；色度/亮度颜色空间，即YUV/HSV（这里HSV不作为重点解释）。

计算机处理色彩为了匹配显示器，采用了RGB三原色，同时每种颜色有256个细分深度，因此三种颜色的分量混合叠加出224种颜色。红蓝绿三色能够混合出其他颜色，不是真的产生了其他颜色，只是你感觉上以为是那一种颜色。电视机上无论看上去是什么颜色，你用三棱镜做一下光谱，只能做出红蓝绿三种颜色，做不出自然光那样的彩虹式完整光谱。红蓝绿三原色的根本原因是我们人类的只有三种感光细胞，分别主要感知三个频段的光。红绿蓝三种颜色的频率正好落在这三个频段里，因此人类的眼睛结构被称作三色视觉系统。灵长类哺乳动物也都是三色视觉，而其他哺乳动物大多是两色视觉，鸟类则是四色视觉系统，海豚则是单色视觉系统。

YUV（YCbCr）是欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法，其向下兼容老式黑白电视，并且由于YUV422/YUV420等编码，可以有效地降低传输带宽。这里Y表示亮度，也就是灰阶值，而U/V则表示色度，用来描述色调及饱和度，用于指定像素的颜色。Y是由RGB特定部分叠加建立的，而Cr/Cb分别表示RGB输入信号红色/蓝色部分与RGB信号亮度之间的插值。

如下给出了RGB与YUV的转换公式（后面的章节会有具体FPGA转换案例）：

此外，颜色还有四原色技术，比如印刷机的CMYK，这里的C是Cyan青色，M是Magenta品红色，Y是Yellow黄色，而K则是Black黑色最后一个字母（防止与Blue冲突）。理论上三种油墨就够了，但是由于高纯度的油墨暂时还不能实现，因为CMY相加是暗红色，因此为了确保黑色的输出，增加了专门的黑墨来调和（本身黑墨也用的最多）。

后来显示器后来也有了四原色技术：RGBY，夏普就有采用四原色技术的3D液晶显示器，可大大的提高液晶显示器的色彩表现能力。不过RGBY也是在RGB三原色的基础上增加了黄色元素，其根本还是三原色。

所以，从理论上讲，三原色已经可以满足我们对颜色的构成需求，同时也吻合我们人类的视觉系统，本书图像处理也将基于RGB三原色进行算法实现。

为了研究RGB三原色模型，需要从光线的底层物理意义开始分析。光也属于电磁波，与电磁波有着同样的特性，因此这里给出了电磁波波谱图，如下图所示。

在电磁波波段中，400～700nm范围内为可见光波段，即人类肉眼可见的光。大自然的色彩均是由可见光组成的。雨后的彩虹，或者三棱镜色散后呈现的“红橙黄绿青蓝紫”，便是自然光（白光）分解的结果。分解后的光频率与波长如下表所示。

所谓三原色模型，是认为人眼里有三种感光细胞（锥状感光细胞），分别对红色、绿色和蓝色最敏感。人眼之所以能看到各种颜色的光，主要是这三种细胞感觉综合的结果，因此红色、绿色、蓝色被称为三原色。

人眼在光线充足的环境中能见到五颜六色，而在光线比较暗的情况下，只能观察到物理的敏感程度，却不能感受到五颜六色的斑斓。因此，相关研究表明，人眼还存在另外一种可见光细胞——柱状细胞，用于对光线强度进行感应。这四种感光细胞对波长的敏感程度如下图所示。

这里的RGB三种感光细胞都可覆盖可见光范围，但是每一种细胞最敏感的波长不同。分别将能感应RGB的细胞称为红视锥细胞、绿视锥细胞、蓝视锥细胞。而每一种细胞并非刚刚好对准响应颜色的波长中心值，这一点主要取决于人眼，而非电磁波。人眼所看到的彩色图像，是RGB以不同强度混合进入眼睛后综合出来的结果。由这三种细胞受到不同强度反映的结果组合出颜色，称为“三颜刺激”。

在计算机中，使用最广泛的就是RGB模型了。计算机使用离散的数字信号来描述数据，RGB模型也不例外。针对同一强度的RGB三原色，可以组成2*2*2=8种颜色，如上图所示。

饱和度均为 100%的RGB三原色组合模式与组合后的结果如下表所示。

1677万种颜色对于我们的人眼感光而言，已经足够表示真彩图像了。计算机的处理、大部分LCD的显示接口都采用了RGB888的模式。

当图像要求不是很高，同时设备带宽限制时，还可以采用RGB565、RGB444等三原色深度模型。由于人眼的分辨率有限，RGB565所组合产生的216=65536种颜色已经足够，所以在带宽、成本等条件限制下，RGB565也比较常用；同时，16bit彩色图像也更适用于16位宽存储器的缓存（以字节为单位，24bit存储器不常见），接下来的设计中采用的就是RGB565模型。

对于16bit彩色的显示，RGB分别占的位数为5 : 6 : 5模式，也就是红色用5位表示、绿色用6位表示、蓝色用5位表示，如下图所示。

RGB565已经能满足大部分场合的要求，但在要求较高的场合，一般采用RGB888、RGB30甚至更高深度的RGB，通过Gamma来提高图像的宽动态效果。

由于PC为RGB888色彩空间，因此本书后续章节图像处理，无论基于Matlab或者FPGA，均采用RGB888进行计算。

I am CrazyBingo！

本文为《基于Matlab与FPGA的图像加速处理教程》中的章节，在正式出版前，我将率先在公众号/博客中给大家分享出来，请大胆指正！！！

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