chp04颜色空间变换

1、多媒体技术基础多媒体技术基础( (第第3 3版版) )第第4章章 颜色空间变换颜色空间变换 2008-07-0112第第4章章 颜色空间变换目录颜色空间变换目录4.1 该用什么颜色空间该用什么颜色空间4.1.1 颜色空间的分类问题4.1.2 颜色空间的变换问题4.1.3 颜色空间的选择4.2 计算机图形颜色空间计算机图形颜色空间4.2.1 RGB, CMY和CMYK4.2.2 HSV和RGB4.2.3 HSL/HSB和RGB4.2.4 HSI和RGB4.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间4.3.1 CIE XYZ和CIELAB4.3.2 CIE XYZ和CIELUV4.3.3 CIE X

2、YZ和RGB，BT.601，BT.7094.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间4.4.1 电视系统的颜色空间4.4.2 European YUV4.4.3 American YIQ4.4.4 SMPTE-C RGB4.4.5 ITU-R BT.601 YCbCr4.4.6 ITU-R BT.709 YCbCr4.4.7 SMPTE-240M YPbPr4.4.8 Kodak PhotoYCC颜色空间34.1 该用什么颜色空间该用什么颜色空间n4.1.1 颜色空间的分类问题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n混合(mixture)型颜色空间：按三种基色的比例合成颜色，如RGB

3、，CMY(K)和XYZn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n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 44.1 该用什么颜色空间该用什么颜色空间(续续1)从技术角度可考虑分成如下3类n(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RG

4、B，HSI, HSL和HSV。在显示技术和印刷技术中，常被称为颜色模型(color mode)n 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CIE 1931 XYZ，L*a*b，L*u*v和LCh等nYUV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-R BT.601 YCbCr, ITU-R BT.709 YCbCr和SMPTE-240M YPbPr。

5、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54.1 该用什么颜色空间该用什么颜色空间(续续2)按照上述观点对颜色空间进行的分类综合在表4-1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4-1 颜色空间的分类 64.1 该用什么颜色空间该用什么颜色空间(续续3)n4.1.2 颜色空间的变换问题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n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n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

6、间的变换关系见图4-1，可见 n有些颜色空间之间可以直接变换，如RGB和HSL，RGB和HSB，RGB和RGB, RGB和YCrCb，CIE XYZ和CIE L*a*b*等 n有些颜色空间之间不能直接变换，如，RGB和CIE La*b*, CIE XYZ和HSL，HSL和YCbCr等，它们之间的变换需要借助其他颜色空间进行过渡 74.1 该用什么颜色空间该用什么颜色空间(续续4)图4-1部分颜色空间的转换关系184.1 该用什么颜色空间该用什么颜色空间(续续5)n4.1.3 颜色空间的选择颜色空间的选择 RGB与CMY颜色空间nRGB(red，green and blue) ：在图像显示系统中

7、得到广泛应用nCMY(cyan magenta yellow)：在印刷和打印系统中得到广泛应用uCMYK(cyan magenta yellow black)中的黑色是为改善打印质量而增加的颜色分量nRGB 和CMY(K)颜色空间u都是与设备相关u颜色指定不直观94.1 该用什么颜色空间该用什么颜色空间(续续6)计算机图形颜色空间n计算机绘图用的颜色空间包括uHSV(hue，saturation and value)uHSL/HLS(hue，saturation and lightness)uHSI(hue，saturation and intensity)uHSB(hue，saturatio

8、n and brightness)uHCI(hue，chroma/colourfulness，intensity)uHVC (hue，value and chroma)n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u指定颜色方式非常直观，很容易选择所需要的色调u把亮度从颜色信息中分离出来 104.1 该用什么颜色空间该用什么颜色空间(续续7)电视系统的颜色空间n电视系统的颜色空间包括uYUV：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u 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uYCbCr/YCb C

9、r ：用于数字电视, 在ITU-R BT.601和BT.709等推荐标准中有明确的定义uYPbPr/YPbPr：用于高清晰度电视 un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(television transmission color spaces)n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n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114.2 计算机图形颜色空间计算机图形颜色空间n4.2.1 RGB, CMY和和CMYKRGB：使用不同数量的红、绿和蓝三种基色

10、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，yellow and black)为把RGB转换成印刷用的CMY时，最简单的方法是把RGB转换到CIE XYZ，然后再从CIE XYZ转换到CMY(K)RGB颜色空间124.2 计算机图形颜色空间计算机图形颜色空间(续续1)n4.2.2 HSV和和RGBHSV(hue, saturation and value)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(hexcone model)，

11、如图4-2所示HSV的表示方法n色调：用角度度量，0360。红色为0，按逆时针方向计算，绿色为120，蓝色为240n饱和度：取值范围为0.01.0n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134.2 计算机图形颜色空间计算机图形颜色空间(续续2)图4-2 HSV颜色空间 144.2 计算机图形颜色空间计算机图形颜色空间(续续3)n4.2.3 HSL/HSB和和RGB HSL/HSB (hue, saturation and lightness/brightness)的缩写利用三条轴定义颜色，用六角形锥体表示，见图4-3用于

12、台式机图形程序定义颜色HSL 与HSVnHSL用光亮度(lightness)作坐标，HSV用亮度(luminance)作坐标nHSL颜色饱和度最高时的光亮度L定义为0.5，而HSV则为1.0 RGB和HSL之间的转换关系见教材 图4-3 HSL颜色空间 154.2 计算机图形颜色空间计算机图形颜色空间(续续4)n4.2.4 HSI和和RGB HSI(Hue, Saturation and Intensity)的缩写色调(H)也称为色相，指颜色的外观n色调H用角度表示n如红橙黄绿青蓝紫，角度从(红)(绿)(蓝)(红)纯度(S)即饱和度，分成n低(0%20%)，产生灰色而不管色调n中(40%60%

13、)，产生柔和的色调(pastel)n高(80%100%)，产生鲜艳的颜色(vivid color)强度(I)是颜色的明度n取值范围从0%(黑)100%(最亮)n强度也指亮度(luminance)或光亮度(lightness) 164.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间nCIE XYZ 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nCIELAB即1976 L*a*b*，直接从CIE XYZ导出的颜色空间，企图对色差的感知进行线性化 nCIELUV 即CIE 1976 L*u*v

14、*，直接从CIE XYZ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174.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间(续续1)n4.3.1 CIE XYZ和和CIELAB 1. CIE XYZCIE L*a*b*CIE 1976 L*a*b*是直接从CIE XYZ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。CIE XYZ到CIE L*a*b*的转换关系为 1/3166*( /)16/*903.3*( /)/ 0.008856 0.008856nnnnY YY YLY YY Y如果如果*500*( (/)( /)nnaf XXf Y Y*200*

15、( ( /)(/)nnbf Y Yf Z Z其中,nnnXYZ和是参考白光的三色刺激值，而184.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间(续续2)2. CIE L*a*b*CIE XYZ对于Y/Yn 0.008856，从CIELAB到CIE XYZ空间的变换可用下式计算 333* (* / 500 )* (-* / 200 ) nnnXXPaYYPZZPb其中，( *16) / 116 PL其中，1/30.008856( )7.78716/1160.008856ttf ttt 如果如果194.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间(续续3)n4.3.2 CIE XYZ和和CIELUVCIE

16、 1976 L*u*v*(CIELUV)是直接从CIE XYZ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. CIE XYZCIELUV1/3116(/)16/0.008856*903.3(/)/0.008856nnnnY YY YLY YY Y 如果如果)(*13*)(*13*nnvvLvuuLu其中， 是与光源有关的值nnuv和在 2观察者和C光源下4/(153 )4 /( 2123)9/(153 )9 /( 2123)uXXYZxxyvYXYZyxy0.20090.4610nnuv ，204.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间(续续4)2. CIELUVCIE X

17、YZ 从(u, v)到(x, y)的转换关系如下27 /(18 -48 36 )12 /(18 -48 36 ) xuuvyvuv从CIELUV到CIE XYZ的变换如下 3/(13 *)/( 13 *)( * 16)/116)- 9/(- 4) - )( 9 -15 - )/3 nnuuLuvvLvYLXYuuv u vZYv Y v Xv214.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间(续续5)n4.3.3 CIE XYZ和和RGB，BT.601，BT.7091. RGB和和CIE xyY在RGB颜色空间变换到CIE xyY空间时，CIE xyY色度图中的红、绿和蓝的坐标定义为 对于红色

18、对于绿色 对于蓝色 : (,1 ()rrrrrRxy zxy : (,1()gggggGxyzxy : (,1 ()bbbbbBxy zxy 定义白光点n坐标时使R=G=B=1，于是bgrbgrbgrbgrbbggrrbbggrrbbggrrnnnaaazzzyyyxxxBGRzazazayayayaxaxaxaZYX 其中，ar, ag和ab是比例系数(4-4)224.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间(续续6)在CIE xyY色度图中，Xn, Yn和Zn的坐标已定义为(xn, yn)，于是1 ()1 ()nnnnnnnnnnnnnnnnzxyYxXxyyYYzZzyy 白光 / 1

19、/ rgbnnrrgbgnnrgbbx x xxyay y yazyz z za因此，式(4-4)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,nnnrrrgggbbbxyzxy zxyzx yz234.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间(续续7)2. BT.601和和CIE xyY国际电信联盟(ITU)定义了几个推荐标准，最流行的是ITU-R BT.601(前称CCIR 601-1)和ITU-R BT.709(前称CCIR 709)。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(illuminant C)”的标准光

20、源，用钨丝光源并通过滤波来模拟普通日光，色温是6774K，波长范围是380770 nm。白色在CIE xyY色度图中的坐标是(xn, yn)=(0.310063, 0.316158) ，红、绿和蓝的坐标分别是01,33. 0670rrrrryxzy.x,08. 01,71. 0210gggggyxzy.x,78. 01,08. 0,14. 0rbbbbyxzyx红：绿：蓝：244.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间(续续8)根据这些数据可计算得到37377903161580310063011.yxznnn980722031615803100630.=.yxXnnn1nY182254131

21、615803737790.=.yzXnnn最后，我们可得到BT.601在光源C下由RGB到CIE xyY空间的变换关系0 606881 0 173505 0 2003360 298912 0 586611 0 1144780 000000 0 066097 1 116157. . .R. . .G. . .BX Y Z 254.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间(续续9)一般情况下精确到小数点后面3位，于是，BGR. . . . . . .116106600000114058702990200017406070 ZYX 对上面的变换式进行逆变换，可得到由CIE xyY到RGB空间的变换关

22、系，1 9100 5320 2880 985 1 9990 0280 0580 118 0 898 R. - . - .XG- . . - .YB. - . .Z264.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间(续续10)3. BT.709和和CIE xyY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6504K，它的坐标为(xn,yn)=(0.312713, 0.329016) ，红、绿和蓝的色度坐标如表4-2所示表4-2 基色和白光坐标274.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间(续续11)也就是03. 01,33. 0640r

23、rrrryxzy.x,10. 01,60. 0300gggggyxzy.x,79. 01,06. 0,15. 0rbbbbyxzyx红：绿：蓝：根据上面的数据可得到RGB空间到CIE xyY空间的转换关系0 412411 0 357585 0 1804540 212649 0 715169 0 0721820 019332 0 119195 0 950390X. . .RY. . .GZ. . .B284.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间(续续12)一般情况下精确到小数点后面3位，于是BGR. . . . . . .ZYX95001190019007207150213018003580

24、4120 对上面的变换式进行逆变换，可得到由CIE xyY到RGB空间的变换关系ZYX. . -. . .-. -.-.BGR057120400560042087619690499053712413 294.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间n4.4.1 电视系统的颜色空间电视系统的颜色空间图4-4 表示电视系统用的颜色空间n0.5表示摄像机的值，2.5表示普通CRT的理论值n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33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

25、，G和B变成了非线性的R，G和B信号，再用一个33色差编码矩阵M得到非线性的色差分量，如YCrCb，YPbPr或Photo YCC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4-4中所示的从右到左的方向进行变换 304.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续1)图4-4 电视系统的颜色空间2 314.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续2)n4.4.2 European YUVEuropean YUV 的简称。用于欧洲的模拟模拟彩色电视(PAL和SECAM

26、) 。Y与感知亮度类似，U和V携带颜色和部分亮度信号RGB和YUV颜色空间之间非线性信号的转换关系 0.2990.5870.114-0.1470.2890.4360.6150.5150.100 - - -YRUGVB324.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续3)n4.4.3 American YIQ用于北美的模拟模拟彩色电视系统(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NTSC RGB和NTSC YIQ 颜色空间之间非线性信号的转换关系 0.2990.5870.1140.596-0.2740.3220.212-0.5230.311YRIGQB 334.4

27、电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续4)n4.4.4 SMPTE-C RGB影视工程师协会(SMPTE)是电影和电视工程师的专业协会n该协会是一个国际性的研究和标准化组织，在全世界有9 000多个成员nSMPTE-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-C RGB和SMPTE-C YIQ颜色空间之间非线性信号的转换关系与NTSC RGB和NTSC YIQ之间的转换关系相同344.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续5)n4.4.5 ITU

28、-R BT.601 YCbCr简写为YCbCr 。由YUV派生的颜色空间，用于普通的数字数字电视Y的数值为16, 235 ，Cb和Cr的数值为16, 240BT.601 YCbCr和RGB 0, 1之间间的转换关系6010.2990.5870.114-0.169-0.3310.5000.500-0.419-0.081 YRCbGCrB354.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续6)BT.601 YCbCr和RGB0, 255之间的转换关系6012552552550.25680.50410.097916-0.1482-0.29100.43921280.4392-0.3678 -0.0714

29、128 YRCbGCrBBT.601 YCbCr和RGB0, 219之间的转换关系6012192192190.29900.58700.1140160.17260.33880.51141280.51140.42820.0832128 YRCbGCrB 364.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续7) Y的取值范围为0, 1，Cb和Cr的取值为-0.5, 0.5 7090.21300.71500.0720-0.1144-0.38520.49960.4996-0.4536-0.0460 YRCbGCrBn4.4.6 ITU-R BT.709 YCbCr国际无线电咨询委员会(CCIR)于1988

30、年制定的标准，用于高清晰度电视(HDTV)演播室的电视制作BT.709 YCbCr和BT.709 RGB0,1之间非线性信号的转换关系374.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续8)YCbCr和RGB0, 255之间的转换关系7092552552550.18290.61410.061816-0.1005-0.33840.43891280.4389-0.3985-0.0404128YRCbGCrB YCbCr和RGB0, 219之间的转换关系7092192192190.2130.7150.07216-0.117-0.3940.5111280.511 - 0.464- 0.047128 YRCbGCrB384.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续9)BT.709 RGB和EBU RGB之间的转换关系 7097097090.95780.04220.00000.00001.00000.00000.00000.01180.9882 ebuebuebuRRGGBB7097097091.0441-0.04410.00000.00001.00000.00000.0000-0.01191.0119 ebuebuebuRRGGBB和394.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续10)nYCbCr彩条彩条404.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续11)n4.4.7 SM