我们知道，一束阳光（白光）经三菱镜之分解，可得到红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光，和雨后彩虹形成之原理是一样之。没有论是普通之CRT还是等离子或液晶电视，它之绚丽多彩之画面是如何形成之呢？这首先得从色度学之三基色原理谈起。色度学研究发现，自然界常见之绝大多数彩色都可以用红、绿、蓝三种基本色混合而成，这叫“三基色原理”，如将三束单色光投射在一个白色屏幕上相互迭加，可得到如图之效果。

    红光+蓝光=紫光

    蓝光+绿光=青光

    红光+绿光+蓝光=白光

                               
                                                               色度舌形图

一、彩色空间表示及其转换

1、多媒体计算机处理图像和视频，首先必须把连续之图像函数 进行空间和幅值之离散化处理，空间连续坐标 之离散化，叫做采样； 颜色之离散化，称之为量化。两种离散化结合在一起，叫做数字化，离散化之结果称为数字图像。

[1] 采样
　　对连续图像彩色函数 ，沿 x 方向以等间隔Δ x 采样，采样点数为 N ，沿 y 方向以等间隔Δ y 采样，采样点数为 N ，于是得到一个 N × N 之离散样本阵列 。为了达到由离散样本阵列以 小失真重建原图之目之，采样密度（间隔Δ x 与Δ y ）必须满足惠特克－卡切尼柯夫－香农（ Whittaker-Kotelnikov-shannon ）采样定理。

[2] 量化
　　采样是对图像函数 之空间坐标 进行离散化处理，而量化是对每个离散点 - 像素之灰度或颜色样本进行数字化处理。具体说，就是在样本幅值之动态范围内进行分层、取整，以正整数表示。

2、颜色之基本概念

　　彩色可用亮度、色调和饱和度来描述，人眼看到任意彩色光都是这三个特性之综合效果。
　　亮度是光作用于人眼时所引起之明亮程度之感觉，它与被观察物体之发光强度有关。
　　色调是当人眼看一种或多种波长之光时所产生之彩色感觉，它反映颜色之种类，是决定颜色之基本特性。

　　饱和度是指颜色之纯度，即掺入白光之程度，或者说是指颜色之深浅程度，对于同一色调之彩色光，饱和度越深颜色越鲜明或说越纯。

　　通常把色调和饱和度通称为色度，上述内容总结为：亮度表示某彩色光之明亮程度，而色度则表示颜色之类别与深浅程度。

3、三基色（ RGB ）原理 ：

　　自然界常见之各种彩色光，都可由红（ R ）、绿（ G ）、蓝（ B ）三种颜色光按不同比例相配而成。同样，绝大多数颜色也可以分解成红、绿、蓝三种色光，这就是色度学中 基本原理 -- 三基色原理。
　　 当然三基色之选择不是唯一之，也可以选择其它三种颜色为三基色，但是，三种颜色必须是相互独立之，即任何一种颜色都不能由其它两种颜色合成。由于人眼对红、绿、蓝三种色光 敏感，因此由这三种颜色相配所得之彩色范围也 广，所以一般都选这三种颜色作为基色。
　　 把三种基色光按不同比例相加，称之为相加混色，由红、绿、蓝三基色进行相加混色之情况如下：
　　 红色 + 绿色 = 黄色
　　 红色 + 蓝色 = 品红
　　 绿色 + 蓝色 = 青色
　　 红色 + 绿色 + 蓝色 = 白色
　　 称黄、品红和青色为相加二次色，此外还可以看出：
　　 红色 + 青色 = 绿色 + 品红 = 蓝色 + 黄色 = 白色
　　 我们称青色、品红和黄色分别是红、绿、蓝三色之补色。

　　显示彩色图像用 RGB 三基色，我们称为 相加混色模型 ：

(相加混色之三基色及其补色)

　　打印彩色图像时，我们用 CMYK 相减混色模型 。在相减混色中，当三种基本颜色等量相减时得到黑色；等量黄色（ Y ）和品红（ M ）相减而青色（ C ）为 0 时，得到红色（ R ）；等量青色（ C ）和品红（ M ）相减而黄色（ Y ）为 0 时，得到蓝色（ B ）；等量黄色（ Y ）和青色（ C ）相减而品红（ M ）为 0 时，得到绿色（ G ）。彩色打印机采用之就是这种原理，印刷彩色图片也是采用这种原理。

(相减混色)

　　由于人眼对于相同亮度单色光之主观亮度感觉不同，所以，用相同亮度之三基色混色时，如果把混色后所得单色光亮度定为 之话，那么人之主观感觉是绿光仅次于白光是三基色中 亮之。红光次之，亮度约占绿光之一半；蓝光 弱，亮度约占红光之 1/3 。当白光之亮度用 Y 来表示时，它和红、绿、蓝三色之关系可用如下之方程描述：
　　 Y = 0.299R+0.587G+0.114B
　　 这就是常用之亮度公式，它是根据美国国家电视制式委员会之 NTSC 制式 推导得到之，如果采用 PAL 电视制式 时，白光之亮度公式将作如下改动：
　　 Y = 0.222R+0.707G+0.071B
　　 两个公式不同之原因，是由于所选取之显示三基色不同。

4、彩色空间表示

（1） RGB 彩色空间

　　在多媒体计算机技术中，用之 多之是 RGB 彩色空间表示，因为计算机彩色监视器之输入需要 RGB 三个彩色分量，通过三个分量之不同比例，在显示屏幕上合成所需要之任意颜色。所以不管在多媒体系统中采用什么形式之彩色空间表示， 后之输出一定要转换成 RGB 彩色空间表示。
　　在 RGB 彩色空间，任意彩色光 F ，其配色方程可写成：
　　F = r[R]+g[G]+b[B]
　　其中 r 、 g 、 b 为三色系数 r[R] ， g[G] ， b[B] 为 F 色光之三色分量。任意一种色光，其色度可由相对色系数中之任意两个唯一之确定。因此，各种彩色之色度可以用二维函数表示。用 r 和 g 作为直角坐标系中两个直角坐标所画之各种色度之平面图形，就叫 RGB 色度图，如下图所示。

（2） YUV 和 YIQ 彩色空间

　　在现代彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄像机或彩色 CCD 摄像机，它把摄得之彩色图像信号，经分色棱镜分成 R0G0B0 三个分量之信号，分别经放大和γ校正得到 RGB ，再经过矩阵变换电路得到亮度信号 Y 、色差信号 R-Y 和 B-Y ， 后发送端将 Y 、 R-Y 及 B-Y 三个信号进行编码，用同一信道发送出去。这就是我们常用之 YUV 彩色空间，采用 YUV 彩色空间之好处如下：
　　(1) 亮度信号 Y 解决了彩色电视机与黑白电视机之兼容问题；
　　(2) 大量实验表明，人眼对彩色图像细节之分辨本领比对黑白之低得多，因此对色度信号 U 、 V ，可以采用 " 大面积着色原理 " 。用亮度信号 Y 传送细节，用色差信号 UV 进行大面积涂色。因此彩色图像之清晰度由亮度信号之带宽保证（ PAL 制亮度信号 Y 之带宽采用 4.43MHz ），而把色度信号之带宽变窄（ PAL 制色度信号带宽限制在 1.3MHz ）。
　　正是由于这个原因，在多媒体计算机中采用了 YUV 彩色空间，数字化后通常为 Y ： U ： V = 8 ： 4 ： 4 或者是 Y ： U ： V = 8 ： 2 ： 2 ，后者具体之作法是把亮度信号 Y 之每个像素都数字化为 8bit （ 256 级亮度），而 U ， V 色差信号每四个像素用一个 8bit 数据表示，即粒度变大。将一个像素用 24bit 表示压缩为用 12bit 表示，而人之眼睛却感觉不出来。
　　美国、日本等国采用之 NTSC 制，选用了 YIQ 彩色空间， Y 仍为亮度信号， I 、 Q 仍为色差信号，但它们与 U 、 V 是不同之，其区别是色度矢量图中之位置不同，如下图所示， Q 、 I 为互相正交之坐标轴，它与 U 、 V 正交轴之间有 33 °夹角。
　　由图可知 I 、 Q 与 V 、 U 之间之关系可以表示成：

(IQ轴与UV轴之关系)

　　 选择 YIQ 彩色空间之好处是，人眼之彩色视觉特性表明，人眼分辨红、黄之间颜色变化之能力 强，而分辨蓝与紫之间颜色变化之能力 弱。在色度矢量图中，人眼对于处在红、黄之间，相角为 123 °之橙色及其相反方向相角为 303 °之青色，具有 大之彩色分辨力，因此把通过 123 °至 303 °线即 IO 线之色度信号称为 I 轴，它表示人眼 敏感之色轴。与 I 正交之色度信号轴称为 Q 轴，表示人眼 不敏感之色轴。在传送分辨力弱之 Q 信号时，可用较窄之频带，而传送分辨力较强之 I 信号时，可用较宽之频带。在 NTSC 制中， I 之带宽取 1.3 ～ 1.5MHz 和 PAL 制之 U 、 V 带宽差不多，而 Q 之传送带宽只是 0.5MHz ，仅是 I 带宽之 1/3 。
PAL 制 25 帧 / 秒 NTSC 制 30 帧 / 秒

5、彩色空间之转换及其实现技术

　　⊙ RGB 与 YUV 和 YIQ 之间之转换

　　彩色摄像机 初得到之是经过 g 校正之 RGB 信号，为了和黑白电视机兼容及压缩编码，在传送过程中包含亮度信号和色差信号，亮度方程简化如下：
　　（ 3.5 ）
　　公式表明，用三基色显示彩色时，各基色组成亮度 Y 之比例关系是恒定之。这些比例系数有时称之为 " 可见度系数 " ，它们之和为 1 ，这表示当基色信号电压 ER 、 EG 、 EB 各为 1V 时，构成亮度信号 EY 也是 1V 。
　　三个色差信号 B-Y ， R-Y ， G-Y 中有两个是独立之， 后一个可用亮度方程和两个色差信号通过运算得到，表达式如下：
　　（ 3.6 ）
　　为了达到彩色与黑白兼容，要求传输之动态范围满足亮度信号之要求，如果按上述方法传输彩色全电视信号，会造成幅度失真，为此必须对彩色信号进行压缩，压缩方法是让色差信号乘上一个小于 1 之压缩系数：
　　（ 3.7 ）
　　将式（ 3.6 ）代入式（ 3.7 ），整理后得到：
　　（ 3.8 ）
　　YIQ 彩色空间和 RGB 彩色空间之转换方法是：将 V=0.877(R-Y) ， U=0.493(B-Y) ， sin33 ° =0.545 ， cos33 ° =0.839 代入式（ 3.4 ），可得到：
　　（ 3.9 ）
　　将式（ 3.6 ）代入式（ 3.9 ），整理后得到：
　　（ 3.10 ）

6、全电视信号

（1）黑白全电视信号

　　电视摄像机把一幅图像信号转变成之输出信号就是全电视信号。全电视信号主要由图像信号（视频信号）、复合消隐信号和复合同步信号组成。这两种信号加在一起称为全电视信号。

　　全电视信号之幅度是：以同步信号作为 ，黑电平和消隐电平为 70% ，白电平为 0% ，图像信号介于白电平和黑电平之间，根据图像之灰度而变化。在标准之 1V 全电视信号中，同步信号为 0.3V ± 9mV ，图像信号为 0.7V ± 20mV 。
　　 从幅度上看全电视信号
　　 峰 -- 峰值为 1 伏
　　 以同步信号为 ，黑电平和消隐电平为 70% ，白电平为 0% ，图像信号介于白平和黑电平之间根据图像之灰度而变化。
　　 在标准之 1V 黑电信号中：
　　 同步信号： 0.7v~1v 0.3v ± 9mv
　　 图像信号： 0v~0.7v 0.7v ± 2.mv
　　 如下图所示：

　　 从时间上看，每一行之周期为 64 μ s ，其中，图像占 52.2 μ s ，行消隐占 11.8 μ s ± 250ns 。行同步信号之带宽为 4.7 μ s ± 100ns ，它比行消隐信号延迟 1.3 μ s ± 250ns 。每一场之周期为 312.5H=20ms ，其中，场消隐信号占 25H+1 行消隐信号，即等于 1600 μ s+11.8 μ s 。均衡脉冲之宽度是 2.35 μ s ± 100ns ，周期为半行，共 12 个（前六个，后六个）。场同步脉冲有 6 个槽脉冲，其宽度为 4.7 μ s ± 100ns 。
　　 从时间上看全电视信号：
　　 每行时间为 64 μ s ，正程 52.2 μ s ，逆程 11.8 μ s ，行同步为 4.7 μ s ，行延迟为 1.3 μ s
　　 一帧 = 奇数场 + 偶数场 =40ms
　　 626 行 =312.5 行 +312.5 行 =29ms+20ms
　　 场消隐 =25 × 64+11.8 =1611.8 μ s
　　 场同步 =3 × 64=192 μ s
　　 场延迟 =192 μ s
　　 如下图所示：

　　在全电视信号中，把奇数场同步信号之前沿作为一场之起点，第 1 、 2 、 3 行是场同步信号，第 4 、 5 、 6 行是后均衡脉冲， 7~22 行还是场消隐信号，该场消隐信号从前场 623 行开始，因此，整个消隐信号是 25 行加一个行消隐时间。图像信号从 23 行起到 309.5 行止，共 287.5 行，这就是第一场或称奇数场。从 309.5 行开始又是下一场之场消隐信号及前均衡脉冲，在 312.5 行出现下一个偶数场之场同步脉冲，奇数场到此结束。偶数场开始，图像信号及偶数场结束，如下图所示。奇数场加上偶数场称为一帧。

（2） 彩色全电视信号

　　在现代彩色电视系统中，通常采用 YUV 彩色空间或 YIQ 彩色空间， Y 为亮度信号，它可以与黑白全电视信号兼容， U 和 V 用载波频率ω SC 调制加到亮度 Y 上， 后形成彩色全电视信号，如下式所示：
　　CVBS = Y + Ucos ω SCt + S(t)sin ω SCt （ 2.15 ）
　　在 NTSC 制系统中， U 信号调制在副载波之零相位上，而 V 信号是固定地调制在 90 。之相位上之。在 PAL 制系统中，调制情况略有差别。 U 信号之调制与 NTSC 制相同，而 V 信号之调制是：第一行调制在 90 。之相位上（与 NTSC 制相同，称为 NTSC 行）；下一行（同隔行扫描是下面之第三行）调制在 270 。之相位上（称为 PAL 行）；再下一行又回到 90 。之相位上。按此顺序， V 信号调制相位逐行倒相 180 。。图 2.8 示出了 PAL 制之平衡正交调制之倒相原理。

(图 2.8 PAL 制平衡正交调制中之倒相原理)

　　 根据图 2.8 之矢量图，可写出 PAL 制色度信号 Ch 之表达式
　　 Ch = Ucos ω SCt + S(t)sin ω SCt （ 2.16 ）
　　 式中， S(t) 称为 PAL 开关函数，它是双极性矩形脉冲，其重复周期为行周期 Th 之两倍，幅度为 +1 和 -1 。 PAL 开关函数 S(t) 代表 PAL 制系统之根本特征，它之引入相当有效地克服了 NTSC 制系统中对信道微分相位敏感之缺点，这是 PAL 制取得成功之原因。
　　 后将亮度、复合消隐信号与色度信号、复合同步信号混合放大，形成 PAL 制彩色全电视信号。以 幅度和 饱和度（简写为 100/100 ）之彩条信号为例之彩色全电视信号如图 2.9 所示，图中标出了各部分之标准电平数值。
　　 图 2.9 在 75 Ω负载上， 100/100 彩条之彩色全电视信号各部分之电平标准（输入信号 R 、 G 、 B 幅度为 0.7V 时）