色彩空間是一個非常強大的工具，在捕捉、傳輸和再現人眼時會派上用場。相機、GPU、傳輸電纜 （HDMI/DP） 和顯示器等系統使用色彩空間指標來保留和轉換顏色。此技術有助于將真實顏色映射到顏色模型的離散值。

顏色建模是一種描述顏色的數學方法，獨立于相機和顯示器等物理設備。有五種主要的顏色模型細分為其他顏色模型：CIE，RGB，YUV，HSL/HSV和CMYK。

為什么 YUV 優于 RGB

YCbCr 是一種消費類視頻格式和編碼高清的表示形式，而 RGB 是一種傳統的計算機格式。一個并不優于另一個，因為每個都有自己的優點和缺點。YCbCr通常優于RGB，因為它具有天然性質。但是，許多顯示器（幾乎所有DVI輸入）僅接受RGB。YCbCr 格式在傳輸和再現高清、3D、超高清和 8k 視頻方面非常先進。因此，如果您的顯示器是HDMI，如果不切換到RGB，則可能會接受YCbCr。

研究表明，人眼對亮度（光的強度）敏感，但對色度（顏色的敏感性）不那么敏感。YCbCr 色彩空間利用這一事實，通過分離場景的亮度和色度分量并降低色度來實現更具吸引力的場景和圖像表示。

顏色子采樣

YCbCr的表示將亮度和色度分開，使計算系統可以輕松地使用更少的位對圖像進行編碼。這是通過顏色子采樣實現的，它只是以較低的分辨率對色度分量進行編碼。為了進一步解釋，讓我們深入介紹四種常用的子采樣方案：4：4：4、4：2：2、4：2：0 和 4：0：0。

4：4：4 采樣

4：4：4 是水平和垂直方向的完整分辨率，不進行子采樣。每個像素都有亮度（Y）和色度（cr，cb）分量。

兩個色度陣列中的每一個都具有與亮度陣列相同的高度和寬度。

幀帶寬計算：

幀大小（以字節為單位）= 3 * Color_depth * 寬度（長度）* 高度

4：2：2 采樣

在4：2：2中，每條活性線中一半的色度化合物被去除。在下面的示例中，刪除了第 1 行 （cr01， cb01） 和 （cr03， cb03） 色度化合物。

兩個色度陣列中的每一個都具有相同的高度和亮度陣列寬度的一半。

幀帶寬計算：

幀大小（以字節為單位）= 2 * Color_depth * 寬度（長度）* 高度

4：2：0 采樣

在 4：2：0 中，色度在兩行中呈現一次，并且在每行色度呈現中去除一半的色度化合物。在下圖中，刪除了第1行色度化合物（cr01，cb01）和（cr03，cb03）。但在行2中，所有色度化合物（cr10，cb10）（cr11，cb11）（cr12，cb12）和（cr13，cb13）都被去除。

在 4：2：0 采樣中，兩個色度數組中的每一個都具有亮度陣列的一半高度和一半寬度。

幀帶寬計算：

幀大小（以字節為單位）= 3 * Color_depth *（寬度 /2）* 高度

僅 Y 或 4：0：0 采樣

在單色采樣中，只有一個采樣陣列，名義上稱為亮度陣列。

幀帶寬計算：

幀大小（以字節為單位）= 1* Color_depth *（寬度）* 高度

RGB 到 YCBCR 轉換矩陣：

YCbCr 到 RGB 之間的轉換通常在 DTV 接收到 YCbCr 編碼圖片后在 DTV 內進行。YCbCr 顏色分量樣本和 RGB 顏色分量樣本之間的轉換可以通過應用以下四種轉換矩陣之一來完成：ITU-R BT.601 [6]、ITU-R BT.709 [7]、ITU-R BT.2020 [40] 恒定亮度或 ITU-R BT.2020 [40] 非恒定亮度。

默認情況下，標清視頻格式根據 ITU-R BT.601 [6] 色彩空間進行編碼，高清視頻為 2k 格式根據 ITU-R BT.709 [7] 色彩空間進行編碼，ITU-R BT.2020 [40] 用于 4k 視頻。

為方便起見，ITU-R BT.601 [6] 顏色轉換矩陣如下所示。

Y'= 0.299 R' + 0.587 G' + 0.114 B'

CR' = （（R' – Y'） * 0.71327）

CB' = （（B' – Y'） * 0.56433）

為方便起見，ITU-R BT.709 [7] 顏色轉換矩陣如下所示。

Y'= 0.2126 R' + 0.7152 G' + 0.0722 B'

CR' = （（R' – Y'） / 1.5748）

CB' = （（B' – Y'） / 1.8556）

為方便起見，ITU-R BT.2020 [40] 恒定亮度顏色轉換矩陣如下所示。

YC'= （0.2627 R + 0.6780 G + 0.0593 B）'

CRC' = （（R' – YC'） / 1.7184） 表示 -0.8592 ≤ （R' – YC'） ≤ 0

CRC' = （（R' – YC'） / 0.9936） 表示 0 < （R' – YC'） ≤ 0.4968

CBC' = （（B' – YC'） / 1.9404） 表示 -0.9702 ≤ （B' – YC'） ≤ 0

CBC' = （（B' – YC'） / 1.5816） 表示 0 < （B' – YC'） ≤ 0.7908

為方便起見，ITU-R BT.2020 [40] 非恒定亮度顏色轉換矩陣如下所示。

Y'= 0.2627 R' + 0.6780 G' + 0.0593 B'

CR' = （（R' – Y'） / 1.4746）

CB' = （（B' – Y'） / 1.8814）

素數值是非線性色彩空間中的轉換級別。

色彩空間在智能手機、筆記本電腦、顯示器和家庭影院中發揮著關鍵作用。色彩空間是圖像捕捉、存儲、轉換、傳輸和再現的關鍵主題。它正在快速增長，以應對消費電子，動畫和圖像處理行業帶來的挑戰。

審核編輯：郭婷