多媒体技术基础第3版第6章颜色空间变换课件

1、多媒体技术基础(第3版)第6章 颜色空间变换 张奇复旦大学 计算机科学技术学院qz 2010年4月2022年9月22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6.2.1 RGB, CMY和CMYK6.2.2 HSV和RGB6.2.3 HSL/HSB和RGB6.2.4 HSI和RGB6.3 设备无关的颜色空间6.3.1 CIE XYZ和CIELAB6.3.2 CIE XYZ和CIELUV6.3.3 CIE XYZ和RGB，BT.601，BT.7096

2、.4 电视系统颜色空间6.4.1 电视系统的颜色空间6.4.2 European YUV6.4.3 American YIQ6.4.4 SMPTE-C RGB6.4.5 ITU-R BT.601 YCbCr6.4.6 ITU-R BT.709 YCbCr6.4.7 SMPTE-240M YPbPr6.4.8 Kodak PhotoYCC颜色空间2022年9月22日第6章 颜色空间变换3/436.1 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/

3、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 2022年9月22日第6章 颜色空间变换4/436.1 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

4、技术和印刷技术中，常被称为颜色模型(color mode) 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-R BT.601 YCbCr, ITU-R BT.709 YCbCr和SMPTE-240M YPbPr。主要目的是通过压缩色度信息以有效地播送彩

5、色电视图像2022年9月22日第6章 颜色空间变换6/436.1 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RGB, RGB和YCrCb，CIE XYZ和CIE L*a*b*等 有些颜色空间之间不能直接变换，如，RGB和CIE La*b*,

6、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 2022年9月22日第6章 颜色空间变换7/436.1 该用什么颜色空间(续4)图6-1部分颜色空间的转换关系12022年9月22日第6章 颜色空间变换9/436.1 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，saturation and value)HSL/HLS(hue，saturation and lightness)HSI(hue，saturation and intensity)HSB(hue，saturation and brightness)HCI(

7、hue，chroma/colourfulness，intensity)HVC (hue，value and chroma)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 2022年9月22日第6章 颜色空间变换10/436.1 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YCbCr/YCb Cr ：用于数字电视, 在ITU-

8、R BT.601和BT.709等推荐标准中有明确的定义YPbPr/YPbPr：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(television transmission color spaces)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2022年9月22日第6章 颜色空间变换11/436.2 计算机图形颜色空间6.2.1 RGB, 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

9、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2022年9月22日第6章 颜色空间变换12/436.2 计算机图形颜色空间(续1)6.2.2 HSV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

10、)，如图6-2所示HSV的表示方法色调：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240饱和度：取值范围为0.01.0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2022年9月22日第6章 颜色空间变换13/436.2 计算机图形颜色空间(续2)图6-2 HSV颜色空间 2022年9月22日第6章 颜色空间变换14/436.2 计算机图形颜色空间(续3)6.2.3 HSL/HSB和RGB HSL/HSB (hue, saturation and lightness/brightness)的缩写利用三

11、条轴定义颜色，用六角形锥体表示，见图6-3用于计算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1.0 RGB和HSL之间的转换关系见教材 图6-3 HSL颜色空间 2022年9月22日第6章 颜色空间变换16/436.3 设备无关的颜色空间CIE 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CIELAB即1976 L*a*b*，直接从CIE X

12、YZ导出的颜色空间，企图对色差的感知进行线性化 CIELUV 即CIE 1976 L*u*v*，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2022年9月22日第6章 颜色空间变换17/436.3 设备无关的颜色空间(续1)6.3.1 CIE XYZ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 其中,是参考白光的三色刺激值，而2022年9月22日第6章 颜色空间变换19/

13、436.3 设备无关的颜色空间(续3)6.3.2 CIE XYZ和CIELUVCIE 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 XYZCIELUV其中， 是与光源有关的值在 2观察者和C光源下2022年9月22日第6章 颜色空间变换20/436.3 设备无关的颜色空间(续4)2. CIELUVCIE XYZ 从(u, v)到(x, y)的转换关系如下从CIELUV到CIE XYZ的变换如下 2022年9月22日第6章 颜色空间变换21/436.3 设备无关的颜色空间(续5)6.3.3 CIE XYZ和R

14、GB，BT.601，BT.7091. RGB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 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)2022年9月22日第6章 颜色空间变换22/436.3 设备无关的颜色空间(续6)在CIE xyY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2022年9月22日第6章 颜色空间变换23/436.3 设备无关的颜

15、色空间(续7)2. BT.601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红：绿：蓝：2022年9月22日第6章 颜色空间变换24/436.3 设

16、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CIE xyY空间的变换关系2022年9月22日第6章 颜色空间变换26/436.3 设备无关的颜色空间(续10)3. BT.709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6-2所示rgbwx0.6400.3000.1500.3127y0.3300.6000.0600.3290z0.0300.1000.7900.358

17、2表6-2 基色和白光坐标2022年9月22日第6章 颜色空间变换27/436.3 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CIE xyY空间的转换关系2022年9月22日第6章 颜色空间变换29/436.4 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，G

18、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6-4中所示的从右到左的方向进行变换 2022年9月22日第6章 颜色空间变换30/436.4 电视系统颜色空间(续1)图6-4 电视系统的颜色空间2 2022年9月22日第6章 颜色空间变换31/436.4 电视系统颜色空间(续2)6.4.2 European YUVYUV 是European Y

19、UV 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RGB和YUV颜色空间之间非线性信号的转换关系 2022年9月22日第6章 颜色空间变换32/436.4 电视系统颜色空间(续3)6.4.3 American YIQ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NTSC RGB和NTSC YIQ 颜色空间之间非线性信号的转换关系 2022年9月22日第6章 颜色空间变换33/436.4 电视系统颜色空间(续4)6.4.4 SMPTE-C RGB影视工程师协会(SMPTE)是电影和电视工

20、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9 000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-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2022年9月22日第6章 颜色空间变换34/436.4 电视系统颜色空间(续5)6.4.5 ITU-R BT.601 YCbCr简写为YCbCr 。由YUV派生的颜色空间，用于普通的数字电视Y的数

21、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2022年9月22日第6章 颜色空间变换35/436.4 电视系统颜色空间(续6)BT.601 YCbCr和RGB0, 255之间的转换关系BT.601 YCbCr和RGB0, 219之间的转换关系2022年9月22日第6章 颜色空间变换36/436.4 电视系统颜色空间(续7) Y的取值范围为0, 1，Cb和Cr的取值为-0.5, 0.5 6.4.6 ITU-R BT.709 YCbCr国际无线电咨询委员会(CCIR)于1988年制定的标准，用于高清晰度电视(HDTV)演播室的电视

22、制作BT.709 YCbCr和BT.709 RGB0,1之间非线性信号的转换关系2022年9月22日第6章 颜色空间变换37/436.4 电视系统颜色空间(续8)YCbCr和RGB0, 255之间的转换关系YCbCr和RGB0, 219之间的转换关系2022年9月22日第6章 颜色空间变换38/436.4 电视系统颜色空间(续9)BT.709 RGB和EBU RGB之间的转换关系 和2022年9月22日第6章 颜色空间变换39/436.4 电视系统颜色空间(续10)YCbCr彩条数值范围白黄青绿品红红蓝黑SDTVY16 23518016213111284653516Cb16 240128441

23、5672184100212128Cr16 2401281424458198212114128HDTVY16 23518016814513363512816Cb16 2401284414763193109212128Cr16 24012813644522042121201282022年9月22日第6章 颜色空间变换40/436.4 电视系统颜色空间(续11)6.4.7 SMPTE-240M YPbPrSMPTE-240M是1988制定的高清晰度电视标准YPbPr是从YUV派生的模拟信号的颜色空间表示法SMPTE-YPbPr和SMPTE-RGB之间的非线性信号关系SMPTE-240M RGB和EBU RGB之间的转换关系为2022年9月22日第6章 颜色空间变换41/436.4 电视系统颜色空间(续1