2.2　视频基础

2.2.1　基础知识

1．光与颜色

光是一种人类肉眼可见（接受）的电磁波，属于可见光谱的一部分。在科学上，光有时泛指所有类型的电磁波，如图 2-3 所示。光由一种称为光子的基本粒子构成，具有粒子性与波动性，即所谓的波粒二象性。

人类肉眼所能感知的可见光仅占整个电磁波谱的一小部分，其波长范围为390～760 nm（1 nm=1.0×10−9 m）。

颜色是视觉系统对可见光的感知。研究表明，人类的视网膜上有3种对红、绿、蓝光敏感程度不同的锥体细胞。这 3 种锥体细胞对不同频率的光有不同的感知反应，同样，它们对不同亮度的光的感知也有所不同。

图2-3　光谱

2．颜色的度量

可以通过以下量度值来衡量颜色。

● 饱和度（saturation）：指颜色的纯洁程度，即颜色鲜艳程度。完全饱和的颜色是指没有掺杂白光的颜色，例如单一波长产生的光谱色就是完全饱和的。

● 明度（brightness）：是视觉系统对物体辐射或者发光量的感知属性。因为明度很难度量，所以国际照明委员会定义了一个相关的物理量——亮度（luminance）。亮度与辐射的能量有关。明度的一个极端是黑色（无光）和白色，在这两个极端之间是不同深浅的灰色。

● 光亮度（lightness）：是视觉系统对亮度的感知响应。光亮度可用作颜色空间的一个维度。光亮度用于描述反射或者透射表面，而明度则主要用于发光体。

3．颜色空间

颜色空间是一种表示和生成颜色的数学方法，使颜色得以形象化。颜色通常使用代表 3 个参数的三维坐标来定义，这些参数描述颜色在颜色空间中的位置，但并不告诉我们颜色的类型。颜色的具体类型要取决于所使用的坐标系统。常见的颜色空间如下。

1）RGB颜色空间

RGB是一种颜色标准，代表红色（Red，R）、绿色（Green，G）、蓝色（Blue，B）这3种颜色。所有颜色都可以通过这3种颜色通道的变化及其相互叠加得到。RGB是目前运用最广泛的颜色系统之一。

RGB有256级亮度，用数字0～255表示，能够组合出256×256×256（16 777 216）种不同的色彩，也被称为24位色（224）。目前LCD和CRT显示器大都采用RGB。

在RGB模式下，每种RGB成分都可使用从0（黑色）到255（白色）的值。例如，亮红色使用R值246、G值20和B值50。当 3 种成分值相等时，产生灰色；当 3 种成分的值均为255时，结果是纯白色；当 3 种成分的值均为0时，结果是纯黑色。颜色与三基色之间的关系如表2-2所示。

2）CMY颜色空间

CMY是青色（Cyan）、品红色（Magenta）和黄色（Yellow）的简写，代表一种相减混色模式。这种方法产生的颜色之所以称为相减色，是因为它通过减少反射光来减少视觉系统识别颜色所需要的光量。由于彩色墨水和颜料的化学特性，仅用 3 种基本色混合得到的黑色并不是纯黑色，因此，在印刷术中，常常会加一种真正的黑色墨水（black ink），形成CMYK模型。每种颜色分量的取值范围为[0,100]。CMY常用于纸张彩色打印。

3）YUV颜色空间

在彩色电视技术中，亮度信号和两个色差信号分别用Y、C1、C2彩色表示。C1和C2的含义与具体的应用有关。例如，在NTSC彩色电视制式中，C1、C2分别表示I、Q两个色差信号；在PAL彩色电视制式中，C1、C2分别表示U、V两个色差信号；在CCIR 601数字电视标准中，C1、C2分别表示Cr、Cb两个色差信号。所谓色差是指基色信号（红R、绿G、蓝B）与亮度信号之差。根据美国国家电视标准委员会的标准，当白光的亮度用Y来表示时，它和红、绿、蓝三色光的关系可用下式描述：

Y=0.3R + 0.59G + 0.11B

这是常用的亮度公式。色差U、V是由B-Y、R-Y按不同比例压缩得到的。如果由YUV颜色空间转换为RGB颜色空间，只须进行相应的逆运算。与YUV颜色空间类似的还有Lab颜色空间，它也是用亮度和色差来描述颜色分量的，其中，L代表亮度，a和b分别代表不同的色差分量。

例如，在PAL彩色电视制式中，PAL的YUV颜色空间与RGB颜色空间的转换关系如下：

Y=0.299R + 0.587G + 0.114B

U=− 0.147R − 0.289G + 0.436B

V=0.615R − 0.515G − 0.100B