7第7章 颜色空间变换ppt课件

第7章颜色空间变换 2020 4 19 2 7 1该用什么颜色空间 7 1 1颜色空间的分类问题从颜色感知的角度来分类 颜色空间可考虑分成如下三类 1 混合 mixture 型颜色空间 按三种基色的比例合成颜色 2 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 当需要黑白图像时 这样的系统非常方便 例如 L a b L u v YUV和YIQ就属于这种类型 3 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 2020 4 19 3 从技术上角度区分 颜色空间可考虑分成如下三类 1 RGB型颜色空间 计算机图形颜色空间 这类模型主要用于电视机和计算机的颜色显示系统 2 XYZ型颜色空间 CIE颜色空间 这类颜色空间是由国际照明委员会定义的颜色空间 通常作为国际性的颜色空间标准 用作颜色的基本度量方法 3 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 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 4 19 4 表7 01颜色空间的分类 2020 4 19 5 7 1 2颜色空间的变换问题图7 01描绘了常见颜色空间之间的变换关系 从图中可以看到 1 有些颜色空间之间可以直接变换 例如 RGB和HSL RGB和HSB RGB和R G B R G B 和Y CrCb CIEXYZ和CIEL a b 等 2 有些颜色空间之间不能直接变换 例如 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 4 19 6 图7 01部分颜色空间的转换关系 2020 4 19 7 7 1 3什么颜色空间适合我1 RGB与CMY颜色空间RGB red greenandblue 是在三基色理论基础上开发的相加混色颜色空间 使用RGB生成颜色容易实现 因此在使用阴极射线管 CRT 的图像显示系统中得到广泛的应用 RGB颜色空间是与设备相关的 视觉对颜色的感知是非线性的 而且颜色的指定并不直观 CMY cyanmagentayellow 也是在三基色理论基础上开发的颜色空间 不过它是相减混色颜色空间 该空间主要用在印刷和打印系统 CMY K 颜色空间是与设备相关的 视觉对颜色的感知是非线性的 而且颜色的指定也不直观 2020 4 19 8 2 计算机图形颜色空间从RGB颜色空间变换而来的 而且都是与设备相关的颜色空间 优点是指定颜色方式非常直观 很容易选择所需要的色调 颜色 稍微调整它的饱和度和亮度就可改变颜色 3 电视系统颜色空间电视系统颜色空间种类 YUV是PAL和SECAM模拟彩色电视制式采用的颜色空间 其中Y表示亮度 UV用来表示色差 U V是构成彩色的两个分量 YIQ是NTSC模拟彩色电视制式采用的颜色空间 其中的Y表示亮度 I Q是两个彩色分量 Y CbCr和Y PbPr是数字电视采用的标准 2020 4 19 9 把RGB颜色空间分离成亮度和色度的目的是为了更有效地压缩图像的数据量 以便充分利用传输通道的带宽或者节省存储容量 现以YUV为例分析 亮度信号 Y 和色度信号 U V 是相互独立的 也就是Y信号分量构成的黑白灰度图与用U V信号构成的两幅单色图是相互独立的 由于Y U和V是独立的 所以可以对这些单色图分别进行编码 黑白电视能接收彩色电视信号也就是利用了YUV分量之间的独立性 可以利用人眼的特性来降低数字彩色图像所需要的存储容量 2020 4 19 10 7 2计算机图形颜色空间 7 2 1RGB CMY和CMYK基本概念 RGB red greenandblue 称为相加混色是因为它使用不同数量的红 绿和蓝三种基色相加而产生颜色 用在显示器上 CMY cyan magentaandyellow 称为相减混色是因为白光中减去不同数量的青 品红和黄三种颜色而产生颜色 用在打印设备上 CMYK cyan magenta yellowandblack 在印刷设备中 黑色分量加到CMY空间形成的另一种颜色空间 2020 4 19 11 RGB和CMY K 之间的转换1 RGB和CMY 1 RGB CMY其中 R G和B的取值范围是 0 1 procedureCMY to RGB C M Y real varR G B real beginR 1 C G 1 M B 1 Y end 2020 4 19 12 2 CMY RGB其中 C M和Y的取值范围是 0 1 ProcedureRGB to CMY R G B real varC M Y real beginC 1 R M 1 G Y 1 B end 2020 4 19 13 2 CMY和CMYK 1 CMY CMYK 2 CMYK CMY 2020 4 19 14 3 RGB和CMYK 1 RGB CMYK 2 CMYK RGB 2020 4 19 15 7 2 2HSV和RGBHSV hue saturationandvalue 概念 也称六角锥体模型 hexconemodel 2020 4 19 16 1 RGB到HSV的转换 1 RGB HSV Travis 算法描述GivenRGBvalues findthemaxandmin V maxS max min maxIfS 0 HisundefinedelseR1 max R max min G1 max G max min B1 max B max min ifR maxandG min H 5 B1elseifR maxandGnot min H 1 G1elseifG maxandB min H R1 1elseifG maxandBnot main H 3 B1elseifR max H 3 G1elseH 5 R1H H 60 convertstodegreessoSandVliebetween0and1 Hbetween0and360 2020 4 19 17 2 RGB HSV FoleyandVanDam 算法描述max maximumofRGBmin minimumofRGBV maxS max min maxifS 0 Hisundefined elsedelta max minifR max H G b deltaifG max H 2 B R deltaifB max H 4 R G deltaH H 60ifH 0 H H 360 2020 4 19 18 2 HSV到RGB的转换 1 HSV RGB Travis 算法描述ConvertHdegreestoahexagonsectionhex H 360main colour int hex sub colour hex main colourvar1 1 S Vvar2 1 S sub colour Vvar3 1 S 1 sub colour Vthenifmain colour 0 R V G var3 B var1ifmain colour 1 R var2 G V B var1ifmain colour 2 R var1 G V B var3ifmain colour 3 R var1 G var2 B Vifmain colour 4 R var3 G var1 B Vifmain colour 5 R V G var1 B var2whereint x convertsxtoanintegervalue 2020 4 19 19 2 HSV RGB FoleyandVanDam 算法描述ifS 0andH undefined R G B VifH 360 H 0H H 60i floor H f H Ip V 1 S q V 1 S f t V 1 S 1 f ifi 0 R v G t B pifi 1 R q G v B pifi 2 R p G v B tifi 3 R p G q B vifi 4 R t G p B vifi 5 R v G p B qwhereflooristheCfloorfunction 2020 4 19 20 7 2 3HSL HSB和RGBHSL hue saturationandlightness HSB hue saturationandbrightness 颜色空间比较 共同点 用于定义台式机图形程序中的颜色 都是利用三条轴定义颜色 都是用六角形锥体表示颜色 区别 HSL采用光亮度 lightness 作坐标 HSV采用亮度 luminance 作标准值 HSL颜色饱和度最高时的光亮度L定义为0 5 HSV颜色饱和度最高时的亮度值则为1 0 2020 4 19 21 图7 03HSL颜色空间 2020 4 19 22 1 RGB HSL的算法描述步骤1 把RGB值转换成 0 1 中数值步骤2 找出R G和B中的最大值步骤3 L maxcolor mincolor 2步骤4 如果最大和最小的颜色值相同 即表示灰色 那么S定义为0 而H未定义并在程序中通常写成0 步骤5 否则 测试L IfL 0 5 S maxcolor mincolor 2 0 maxcolor mincolor 步骤6 IfR maxcolor H G B maxcolor mincolor IfG maxcolor H 2 0 B R maxcolor mincolor IfB maxcolor H 4 0 R G maxcolor mincolor 步骤7 从第6步的计算看 H分成0 6区域 H用 0o 360o 中的数值表示 因此 H H 60 0 2020 4 19 23 2 HSL RGB的算法描述步骤1 IfS 0 表示灰色 定义R G和B都为L步骤2 否则 测试L IfL 0 5 temp2 L S L S步骤3 temp1 2 0 L temp2步骤4 把H转换到0 1步骤5 对于R G B 计算另外的临时值 方法如下 forR H 1 0 3 0forG HforB H 1 0 3 0if1 temp3 temp3 1 0步骤6 对于R G B 做如下测试 If6 0 1 color 6 0 temp3Elseif2 0 1 color temp2Elseif3 0 temp3 2 color temp1 temp2 temp1 2 0 3 0 temp33 6 0Elsecolor temp1 2020 4 19 24 7 2 4HSI和RGB1 RGB HSI GonzalezandWoods 算法描述RGB HSI GonzalezandWoods 的算法如下 I 1 3 R G B S 1 3 R G B a 其中的a min R G B H cos 1 0 5 R G R B R G 2 R B G B 0 5 IfS 0 H 0 表示H无意义If B I G I thenH 360 H H用角度表示 并用H H 360进行标称化处理 2020 4 19 25 2 HSI RGB算法描述If0 H 120thenB 1 3 1 S R 1 3 1 ScosH cos 60 H G 1 B R If120 H 240thenH H 120R 1 3 1 S G 1 3 1 ScosH cos 60 H B 1 R G If240 H 360thenH H 240G 1 3 1 S B 1 3 1 ScosH cos 60 H R 1 G B 2020 4 19 26 7 3设备无关的颜色空间 7 3 1CIEXYZ和CIELAB1 CIEXYZ CIEL a b 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 4 19 27 2 CIEL a b CIEXYZ其中 2020 4 19 28 7 3 2CIEXYZ和CIELUV1 CIEXYZ CIELUV其中 是与光源有关的值 在观察者和C光源的情况下 用代入 2020 4 19 29 2 CIELUV CIEXYZ从到的转换关系如下 从CIELUV到CIEXYZ的变换如下 2020 4 19 30 7 3 3CIEXYZ和RGB BT 601 BT 7091 RGB和CIExyYCIExyY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坐标n时使R G B 于是 7 3 3 1 2020 4 19 31 其中是比例系数 在CIExyY色度图中 的坐标已经定义为 于是其中 是比例系数 在CIExyY色度图中 的坐标已经定义为 于是 2020 4 19 32 因此 式 7 3 3 1 就可变成 7 3 3 2 由于都是可提供的已知数 因此根据上面的矩阵式就可求得 2020 4 19 33 2 BT 601和CIExyY 光源C illuminantC 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 红 绿和蓝的坐标分别是红 绿 蓝 根据这些数据可计算得到 2020 4 19 34 将以上数据代入 7 3 3 2 式可得到最后 我们可得到BT 601在光源C下由RGB到CIExyY空间的变换关系一般情况下精确到小数点后面3位 于是 7 6 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 7 6 2020 4 19 35 3 BT 709和CIExyY标准BT 709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 红 绿和蓝的色度坐标如表7 02所示 2020 4 19 36 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 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 7 3 3 4 2020 4 19 37 ITU R的新推荐标准 对RGB颜色空间中绿色坐标作了变动 但标准白光电仍然是D65 坐标为 RGB的色度坐标是红 绿 蓝 根据上面的数据可得到RGB空间到CIExyY空间的转换关系 一般情况下精确到小数点后面3位 于是 7 3 3 5 2020 4 19 38 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 7 3 3 5 2020 4 19 39 7 4电视系统颜色空间 7 4 1电视系统的颜色空间 2020 4 19 40 7 4 2EuropeanY U V Y U V 颜色空间采用的光源标准是 光源D illuminantsD 叫做D65 而不是 光源C 它的色度坐标是 红 绿和蓝的坐标分别是红 绿 蓝 2020 4 19 41 1 EBURGB和CIEXYZ 2020 4 19 42 2 Y U V 和R G B 2020 4 19 43 7 4电视系统颜色空间 一 电视系统的颜色空间为了更有效地压缩图像的数据量以充分利用传输通道的带宽或者节省存储空间 人们开发了许多颜色空间 例如 模拟NTSC彩色电视制式采用的YIQ颜色空间 PAL和SECAM彩色电视制式采用的YUV颜色空间 数字电视系统则采用的YCrCb或者Y PbPr颜色空间 因此在发送信号前 要把RGB颜色空间表示的电视图像转换成用其他颜色空间表示的图像 而在显示每个像素之前必须把其他颜色模型中的颜色分量值转换成RGB模型中的R G和B分量 2020 4 19 44 7 4电视系统颜色空间 电视系统的颜色空间 2020 4 19 45 7 4电视系统颜色空间 二 EuropeanY U V 欧洲彩色电视 PAL和SECAM 制使用这种颜色空间 Y 的带宽在欧洲是5MHz 而在英国是5 5MHz 在亮度和色差分离的电视系统中 U 和V 信号分量有相同的带宽 它们的带宽可以高达2 5MHz Y U V 颜色空间采用的光源标准是 光源D illuminantsD 叫做D65 2020 4 19 46 红 绿和蓝的坐标分别是 红 绿 蓝 7 4电视系统颜色空间 2020 4 19 47 7 4电视系统颜色空间 1 EBURGB和CIEXYZRGB和CIEXYZ颜色空间之间线性信号的转换关系 2020 4 19 48 7 4电视系统颜色空间 在Y U V 颜色空间中 亮度方程为 Y 0 299R 十0 587G 十0 114B 两个色差信号U 和V 分别为 R G B 和Y U V 颜色空间之间非线性信号的转换关系为 2020 4 19 49 7 4电视系统颜色空间 3 BT 709RGB和EBURGB之间的关系 2020 4 19 50 7 4电视系统颜色空间 三 AmericanY I Q Y I Q 颜色空间用在北美的模拟NTSC彩色电视系统中 这个颜色空间中的I 和Q 分量信号与Y U V 颜色空间中的U 和V 分量信号有如下关系 Y 信号的带宽为4 2MHz 而I 和Q 信号均为1MHz 2020 4 19 51 7 4电视系统颜色空间 1 NTSCRGB和CIEXYZ 2020 4 19 52 7 4电视系统颜色空间 2 NTSCR G B 和NTSCY I Q 色差信号 转换方程 2020 4 19 53 7 4电视系统颜色空间 3 EBUY U V 和NTSCY I Q 根据两个色差方程可推得 2020 4 19 54 7 4电视系统颜色空间 4 NTSCRGB和EBURGB 2020 4 19 55 7 4电视系统颜色空间 5 NTSCRGB和BT 709 2020 4 19 56 7 4电视系统颜色空间 四 SMPTE CRGB影视工程师协会 SocietyofMotionPictureandTelevisionEngineers SMPTE 是电影和电视工程师的一种专业协会 SMPTE C是美洲当前使用的广播电视颜色标准 使用的光源标准是D65 2020 4 19 57 7 4电视系统颜色空间 1 SMPTE CRGB和CIEXYZ 2020 4 19 58 7 4电视系统颜色空间 2 SMPTE CR G B 和SMPTE CY I Q 2020 4 19 59 7 4电视系统颜色空间 3 SMPTE CY I Q 和EBUY U V 2020 4 19 60 7 4电视系统颜色空间 4 SMPTE CRGB和EBURGB 2020 4 19 61 7 4电视系统颜色空间 5 SMPTE CRGB和BT 709RGB 2020 4 19 62 7 4电视系统颜色空间 五 ITU RBT 601Y CbCrITU RBT 601是一个国际性的标准清晰度电视 standarddefinitiontelevision SDTV 图像数字化标准 用于对525条扫描线和625条扫描线的电视图像进行数字编码 Y CbCr颜色空间是ITU RBT 601的一部分 是YUV颜色空间派生的一种颜色空间 2020 4 19 63 7 4电视系统颜色空间 而在BT 601标准中 用4 2 2的采用格式并且用8位二进制数表示各个分量的数值时 非线性亮度分量Y 0 15 作为偏移量 236 255 保留 信号的取值范围为 16 235 16表示黑电平信号值 235表示白电平信号值 非线性色差Cb和Cr 数值范围为 16 240 使用128的偏移量时的取值范围为 112 112 2020 4 19 64 7 4电视系统颜色空间 2020 4 19 65 7 4电视系统颜色空间 1 BT 601Y CbCr和R G B 0 1 Y 的数值范围为 16 235 Cb和Cr的数值范围为 112 112 R G 和B 的数值范围为 0 1 2020 4 19 66 7 4电视系统颜色空间 2 BT 601Y CbCr和R G B 0 255 2020 4 19 67 7 4电视系统颜色空间 3 Y CbCr和R G B 0 219 用8位二进制数表示BT 601Y CbCr和8位二进制数R G B 的转换关系时 R G B 颜色空间使用相同数值范围 0 219 的分量信号 2020 4 19 68 7 4电视系统颜色空间 六 ITU RBT 709Y CbCrITU RBT 709Y CbCr颜色空间是1988年国际无线电咨询委员会 CCIR 制定的一个中间标准 用于高清晰度电视 HDTV 演播室的电视制作 它的基色是EBU的R和B 而G是SMPTE C和EBU之间的一种基色 使用的光源标准是D65 2020 4 19 69 7 4电视系统颜色空间 1 BT 709RGB和CIEXYZ 2020 4 19 70 7 4电视系统颜色空间 2 BT 709Y CbC