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多媒体技术基础 第3版 第6章颜色空间变换 林福宗清华大学计算机科学与技术系2008年9月 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 2 43 第6章颜色空间变换目录 6 1该用什么颜色空间6 1 1颜色空间的分类问题6 1 2颜色空间的变换问题6 1 3颜色空间的选择6 2计算机图形颜色空间6 2 1RGB CMY和CMYK6 2 2HSV和RGB6 2 3HSL HSB和RGB6 2 4HSI和RGB6 3设备无关的颜色空间6 3 1CIEXYZ和CIELAB6 3 2CIEXYZ和CIELUV6 3 3CIEXYZ和RGB BT 601 BT 709 6 4电视系统颜色空间6 4 1电视系统的颜色空间6 4 2EuropeanY U V 6 4 3AmericanY I Q 6 4 4SMPTE CRGB6 4 5ITU RBT 601Y CbCr6 4 6ITU RBT 709Y CbCr6 4 7SMPTE 240MY PbPr6 4 8KodakPhotoYCC颜色空间 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 3 43 6 1该用什么颜色空间 6 1 1颜色空间的分类问题从颜色感知的角度可考虑分成如下3类混合 mixture 型颜色空间 按三种基色的比例合成颜色 如RGB CMY K 和XYZ非线性亮度 色度 luma chroma 型颜色空间 用一个分量表示非色彩的感知 用两个独立的分量表示色彩的感知 如L a b L u v YUV和YIQ 当需要黑白图像时 使用这样的系统就非常方便强度 饱和度 色调 intensity saturation hue 型颜色空间 用饱和度和色调描述色彩的感知 可使颜色的解释更直观 而且对消除光亮度的影响很有用 如HSI HSL HSV和LCh 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 4 43 6 1该用什么颜色空间 续1 从技术角度可考虑分成如下3类 1 RGB型颜色空间 计算机图形颜色空间 主要用于电视机和计算机的颜色显示系统 如RGB HSI HSL和HSV 在显示技术和印刷技术中 常被称为颜色模型 colormode XYZ型颜色空间 CIE颜色空间 由国际照明委员会 CIE 定义的颜色空间 用作颜色的基本度量方法 该颜色空间是与设备无关的颜色表示法 在科学计算中得到广泛应用 对不能直接相互转换的两个颜色空间 可利用这类颜色空间作为过渡性的颜色空间 如CIE1931XYZ L a b L u v和LCh等YUV型颜色空间 电视系统颜色空间 由广播电视需求的推动而开发的颜色空间 如YUV YIQ ITU RBT 601Y CbCr ITU RBT 709Y CbCr和SMPTE 240MY PbPr 主要目的是通过压缩色度信息以有效地播送彩色电视图像 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 5 43 6 1该用什么颜色空间 续2 按照上述观点对颜色空间进行的分类综合在表6 1中 这样分类虽然并不很科学 也不是绝对的 但对颜色空间的认识多少会有些帮助 表6 1颜色空间的分类 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 6 43 6 1该用什么颜色空间 续3 6 1 2颜色空间的变换问题为满足不同的应用需求 需要在各种不同的颜色空间之间进行转换如为艺术家选择颜色的方便 减少图像的数据量或满足显示系统的要求几乎所有的颜色空间都是从RGB颜色空间导出的因对视觉感知特性还不十分清楚 故对变换的计算模型产生不同程度的怀疑常见颜色空间之间的变换关系见图6 1 可见有些颜色空间之间可以直接变换 如RGB和HSL RGB和HSB RGB和R G B R G B 和Y CrCb CIEXYZ和CIEL a b 等有些颜色空间之间不能直接变换 如 RGB和CIELa b CIEXYZ和HSL HSL和Y CbCr等 它们之间的变换需要借助其他颜色空间进行过渡 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 7 43 6 1该用什么颜色空间 续4 图6 1部分颜色空间的转换关系 1 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 8 43 6 1该用什么颜色空间 续5 6 1 3颜色空间的选择RGB与CMY颜色空间RGB red greenandblue 在图像显示系统中得到广泛应用CMY cyanmagentayellow 在印刷和打印系统中得到广泛应用CMYK cyanmagentayellowblack 中的黑色是为改善打印质量而增加的颜色分量RGB和CMY K 颜色空间都是与设备相关颜色指定不直观 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 9 43 6 1该用什么颜色空间 续6 计算机图形颜色空间计算机绘图用的颜色空间包括HSV hue saturationandvalue HSL HLS hue saturationandlightness HSI hue saturationandintensity HSB hue saturationandbrightness HCI hue chroma colourfulness intensity HVC hue valueandchroma 这些颜色空间都是从RGB变换来的 与设备相关的类似的颜色空间 特点指定颜色方式非常直观 很容易选择所需要的色调把亮度从颜色信息中分离出来 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 10 43 6 1该用什么颜色空间 续7 电视系统的颜色空间电视系统的颜色空间包括YUV 用在PAL和SECAM模拟彩色电视制式中 Y表示亮度 U和V表示两个色差分量YIQ 用在NTSC模拟彩色电视制式中 Y表示亮度 I和Q表示两个彩色分量Y CbCr Y Cb Cr 用于数字电视 在ITU RBT 601和BT 709等推荐标准中有明确的定义Y PbPr Y Pb Pr 用于高清晰度电视 这些颜色空间是亮度和色度 luminance chrominance 分离的电视播送颜色空间 televisiontransmissioncolorspaces 数字电视和模拟电视的颜色空间都把RGB颜色空间分离成亮度和色度 目的是为了更有效地压缩图像的数据量这些颜色空间都是与设备相关的 而且在闭环系统中的使用条件也相当严格 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 11 43 6 2计算机图形颜色空间 6 2 1RGB CMY和CMYKRGB 使用不同数量的红 绿和蓝三种基色相加产生颜色 用在显示系统上CMY 白光中减去不同数量的青 品红和黄三种颜色产生颜色 在印刷设备中 黑色分量加到CMY空间 形成CMYK cyan magenta yellowandblack 为把RGB转换成印刷用的CMY时 最简单的方法是把RGB转换到CIEXYZ 然后再从CIEXYZ转换到CMY K RGB颜色空间 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 12 43 6 2计算机图形颜色空间 续1 6 2 2HSV和RGBHSV hue saturationandvalue 的缩写A R Smith根据颜色的直观特性于1978年创建的 也称六角锥体模型 hexconemodel 如图6 2所示HSV的表示方法色调 用角度度量 0 360 红色为0 按逆时针方向计算 绿色为120 蓝色为240 饱和度 取值范围为0 0 1 0亮度值 取值范围为0 0 黑色 1 0 白色 HSV和RGB之间没有转换矩阵 但可对它们之间的转换算法进行描述 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 13 43 6 2计算机图形颜色空间 续2 图6 2HSV颜色空间 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 14 43 6 2计算机图形颜色空间 续3 6 2 3HSL HSB和RGBHSL HSB hue saturationandlightness brightness 的缩写利用三条轴定义颜色 用六角形锥体表示 见图6 3用于台式机图形程序定义颜色HSL与HSVHSL用光亮度 lightness 作坐标 HSV用亮度 luminance 作坐标HSL颜色饱和度最高时的光亮度L定义为0 5 而HSV则为1 0RGB和HSL之间的转换关系见教材 图6 3HSL颜色空间 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 15 43 6 2计算机图形颜色空间 续4 6 2 4HSI和RGBHSI Hue SaturationandIntensity 的缩写色调 H 也称为色相 指颜色的外观色调H用角度表示如红橙黄绿青蓝紫 角度从 红 绿 蓝 红 纯度 S 即饱和度 分成低 0 20 产生灰色而不管色调中 40 60 产生柔和的色调 pastel 高 80 100 产生鲜艳的颜色 vividcolor 强度 I 是颜色的明度取值范围从0 黑 100 最亮 强度也指亮度 luminance 或光亮度 lightness 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 16 43 6 3设备无关的颜色空间 CIEXYZ国际照明委员会 CIE 定义的颜色空间 X Y和Z为想象的三种相加基色根据视觉的数学模型和颜色匹配实验结果定义的颜色空间 规定X Y和Z都用正值匹配所有颜色CIELAB即1976L a b 直接从CIEXYZ导出的颜色空间 企图对色差的感知进行线性化CIELUV即CIE1976L u v 直接从CIEXYZ空间导出的颜色空间 对色差感知进行线性化的另一种努力 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 17 43 6 3设备无关的颜色空间 续1 6 3 1CIEXYZ和CIELAB1 CIEXYZ CIEL a b CIE1976L a b 是直接从CIEXYZ导出的颜色空间 企图对色差的感知进行线性化 颜色信息以白光点作参考 用下标 n 表示 CIEXYZ到CIEL a b 的转换关系为 其中 是参考白光的三色刺激值 而 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 18 43 6 3设备无关的颜色空间 续2 2 CIEL a b CIEXYZ对于Y Yn 0 008856 从CIELAB到CIEXYZ空间的变换可用下式计算 其中 其中 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 19 43 6 3设备无关的颜色空间 续3 6 3 2CIEXYZ和CIELUVCIE1976L u v CIELUV 是直接从CIEXYZ空间导出的颜色空间 并且是对色差感知进行线性化的另一种努力1 CIEXYZ CIELUV 其中 是与光源有关的值 在2 观察者和C光源下 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 20 43 6 3设备无关的颜色空间 续4 2 CIELUV CIEXYZ从 u v 到 x y 的转换关系如下 从CIELUV到CIEXYZ的变换如下 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 21 43 6 3设备无关的颜色空间 续5 6 3 3CIEXYZ和RGB BT 601 BT 7091 RGB和CIExyY在RGB颜色空间变换到CIExyY空间时 CIExyY色度图中的红 绿和蓝的坐标定义为 对于红色 对于绿色 对于蓝色 定义白光点n坐标时使R G B 1 于是 其中 ar ag和ab是比例系数 6 4 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 22 43 6 3设备无关的颜色空间 续6 在CIExyY色度图中 Xn Yn和Zn的坐标已定义为 xn yn 于是 因此 式 6 4 就可变成 都是可提供的已知数 因此根据上面的矩阵式就可求得ar ag和ab 由于 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 23 43 6 3设备无关的颜色空间 续7 2 BT 601和CIExyY国际电信联盟 ITU 定义了几个推荐标准 最流行的是ITU RBT 601 前称CCIR601 1 和ITU RBT 709 前称CCIR709 BT 601 1是旧的NTSC制使用的标准 它使用CIE定义了一种叫做 光源C illuminantC 的标准光源 用钨丝光源并通过滤波来模拟普通日光 色温是6774 K 波长范围是380 770nm 白色在CIExyY色度图中的坐标是 xn yn 0 310063 0 316158 红 绿和蓝的坐标分别是 红 绿 蓝 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 24 43 6 3设备无关的颜色空间 续8 根据这些数据可计算得到 最后 我们可得到BT 601在光源C下由RGB到CIExyY空间的变换关系 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 25 43 6 3设备无关的颜色空间 续9 一般情况下精确到小数点后面3位 于是 对上面的变换式进行逆变换 可得到由CIExyY到RGB空间的变换关系 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 26 43 6 3设备无关的颜色空间 续10 3 BT 709和CIExyY另一个普遍使用的推荐标准是BT 709 它使用的标准光源是D65 下标表示相关的色温 65表示相关色温是6504 K 它的坐标为 xn yn 0 312713 0 329016 红 绿和蓝的色度坐标如表6 2所示 表6 2基色和白光坐标 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 27 43 6 3设备无关的颜色空间 续11 也就是 红 绿 蓝 根据上面的数据可得到RGB空间到CIExyY空间的转换关系 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 28 43 6 3设备无关的颜色空间 续12 一般情况下精确到小数点后面3位 于是 对上面的变换式进行逆变换 可得到由CIExyY到RGB空间的变换关系 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 29 43 6 4电视系统颜色空间 6 4 1电视系统的颜色空间图6 4表示电视系统用的颜色空间0 5表示摄像机的 值 2 5表示普通CRT的 理论值在NTSC制中 CRT的 指定为2 2 在PAL制中 指定为2 8 实际上 CRT的 为2 35线性的XYZ或R1G1B1使用3 3变换矩阵M得到一个线性的RGB空间 通过非线性函数对每个颜色分量进行变换 校正 把线性的R G和B变成了非线性的R G 和B 信号 再用一个3 3色差编码矩阵M得到非线性的色差分量 如Y CrCb Y PbPr或PhotoYCC颜色空间中的非线性色差分量 如果需要 可使用颜色子采样滤波器得到经过子采样的色差分量经过各种变换之后的颜色分量通过通信通道传送到接收方 或者存储到存储器中 显示图像时 按照图6 4中所示的从右到左的方向进行变换 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 30 43 6 4电视系统颜色空间 续1 图6 4电视系统的颜色空间 2 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 31 43 6 4电视系统颜色空间 续2 6 4 2EuropeanY U V EuropeanY U V 的简称 用于欧洲的模拟彩色电视 PAL和SECAM Y 与感知亮度类似 U 和V 携带颜色和部分亮度信号R G B 和Y U V 颜色空间之间非线性信号的转换关系 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 32 43 6 4电视系统颜色空间 续3 6 4 3AmericanY I Q 用于北美的模拟彩色电视系统 NTSC Y 与感知亮度类似 I 和Q 分量信号携带颜色信息和部分亮度信息NTSCR G B 和NTSCY I Q 颜色空间之间非线性信号的转换关系 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 33 43 6 4电视系统颜色空间 续4 6 4 4SMPTE CRGB影视工程师协会 SMPTE 是电影和电视工程师的专业协会该协会是一个国际性的研究和标准化组织 在全世界有9000多个成员SMPTE C是美洲当前使用的广播电视颜色标准 旧的NTSC颜色空间的基色标准已经不再广泛使用 因为它的基色标准已经逐步向EBU制定的颜色标准靠拢 但在其他方面 SMPTE C与NTSC相同SMPTE CR G B 和SMPTE CY I Q 颜色空间之间非线性信号的转换关系与NTSCR G B 和NTSCY I Q 之间的转换关系相同 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 34 43 6 4电视系统颜色空间 续5 6 4 5ITU RBT 601Y CbCr简写为Y CbCr 由YUV派生的颜色空间 用于普通的数字电视Y 的数值为 16 235 Cb和Cr的数值为 16 240 BT 601Y CbCr和R G B 0 1 之间间的转换关系 2020年1月18日 第6章颜色空间变换 35 43 6 4电视系统颜色空间 续6 BT 601Y CbCr和R G B 0 255 之间的转换关系 BT 601Y CbCr和R G B 0 219 之间的转换关