颜色科学与颜色空间变换.ppt

1、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 ,欢迎您访问“光电迷”网站 ,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,2/46,第6章 颜色空间变换,第6章 颜色空间变换 前言颜色科学简史 6.1 描述颜色的几个术语 6.1.1 什么是颜色 6.1.2 色调 6.1.3 饱和度 6.1.4 亮度 6.1.5 颜色空间 6.2 该用什么颜色空间 6.2.1 颜色空间的分类问题 6.2.2 颜色空间的选择 6.3 计算机图形颜色空间 6.3.1 RGB, CMY和CMYK 6.3.2 HSV 6.3.3 HSL/HSB 6.3.4 HSI和RGB,6.4 电视系统颜色空间 6.4.1

2、 电视系统的颜色空间 6.4.2 European YUV 6.4.3 American YIQ 6.4.4 SMPTE-C RGB 6.4.5 ITU-R BT.601 YCbCr 6.4.6 ITU-R BT.709 YCbCr 6.4.7 SMPTE-240M YPbPr 练习与思考题 参考文献和站点,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,3/46,前言,最近一百多年来，为满足各种不同用途的需求，人们已经开发了许多不同名称的颜色空间，尽管几乎所有的颜色空间都是从RGB颜色空间导出的，但随着科学和技术的进步，人们还在继续开发形形色色的颜色空间 表示颜色的颜色空间的数目是无穷的，现有的颜

3、色空间也还没有一个完全符合人的视觉感知特性、颜色本身的物理特性或发光物体和光反射物体的特性 本章选择了几种使用比较普通且与多媒体技术密切相关的颜色空间，介绍它们之间的转换关系，详细推导过程请看2008年清华大学出版社出版的多媒体技术基础(第3版),2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,4/46,颜色科学简史,Isaac Newton(1642-1727)的色园 1666年开始研究颜色，把红色和紫色首尾相接形成色圆/色轮(color circle /wheel)。也称牛顿色圆(Newton color circle)，见图5-1 度量颜色的一种方法，圆周表示色调，圆的半径表示饱和度 为揭示红

4、(R)、绿(G)和蓝(B)相加混色奠定了基础，其互补色是C，M，Y 牛顿还揭示了一个重要的事实：白光包含所有可见光谱的波长，并用棱镜演示了这个事实,图5-1 牛顿色圆,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,5/46,颜色科学简史(续1),Thomas Young(17731829)的假设 在1802年，认为人的眼睛有三种不同类型的颜色感知接收器，大体上相当于红、绿和蓝三种基色的接收器 James Clerk Maxwell(18311879) 的色度学 19世纪60年代，探索了三种基色的关系 认为三种基色相加产生的色调不能覆盖整个感知色调的色域，而使用相减混色产生的色调却可以 认为彩色表面

5、的色调和饱和度对眼睛的敏感度比明度低 Maxwell的工作被认为是现代色度学的基础 Hermann von Helmholtz(1821-1894)的理论 认为Young的看法非常重要，使用三种基色相加可产生范围很宽的颜色 把这个想法用于定量研究，因此有时把他们的想法称为Young-Helmholtz理论。,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,6/46,颜色科学简史(续2),物理科学实验 20世纪20年代对科学家们提出的理论进行了实验，表明 红、绿和蓝相加混色的确能产生某个色域里的所有可见颜色，但不能产生所有的光谱色(单一波长的颜色)，尤其是在绿色范围里 如果加入一定量的红光，所有颜色都

6、可呈现，并用三色激励值(tristimulus values)表示R，G，B基色，但必须允许红色激励值为负值(即用补色) 国际照明委员会(CIE)的贡献 1931年定义了标准颜色体系，规定所有的激励值应该为正值，并用x和y两个坐标表示所有可见的颜色 绘制的CIE色度图(CIE chromaticity diagram) 是用xy平面表示的马蹄形曲线，为大多数定量的颜色度量方法奠定了基础 生理学实验 眼睛的不同锥体对颜色吸收性能的猜想直到1965年前后才做详细的生理学实验进行验证，结果表明，在眼睛中的确存在三种不同类型的锥体， Thomas Young的假设是正确的,2020年8月9日,第6章

7、颜色空间变换,7/46,6.1 描述颜色的几个术语,6.1.1 什么是颜色 颜色是人的视觉系统对可见光的感知结果，感知到的颜色由光波的波长决定 视觉系统能感觉的波长范围为380780 nm，感知到的颜色和波长之间的对应关系见图6-1 纯颜色用光的波长定义，称为光谱色(spectral color) 用不同波长的光进行组合时可产生相同的颜色感觉 区分颜色的三个特性 色调(hue) 饱和度(saturation) 明度(brightness),2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,8/46,6.1 描述颜色的几个术语(续1),图6-1 光谱色,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,9/46

8、,6.1 描述颜色的几个术语(续2),6.1.2 色调 (hue) 视觉系统对一个区域呈现的颜色的感觉，即对可见物体辐射或发射的光波波长的感觉 色调是最容易把颜色区分开的属性 色调用红(red )、橙(orange)、黄(yellow)、绿(green)、青(cyan)、蓝(blue)、靛(indigo)、紫(violet) 等术语来刻画 用于描述感知色调的术语是色彩(colorfulness)，如浅蓝或深蓝的感觉。黑、灰、白为无色彩 色调在颜色圆上用圆周表示 圆周上的颜色具有相同的饱和度和明度，但它们的色调不同，见图6-2 色调数目多于1000万种 普通人可区分200种、50种饱和度和500

9、级灰度 颜色专业人士可辨认的色调数大约300400种,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,10/46,6.1 描述颜色的几个术语(续3),图6-2 色调表示法,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,11/46,6.1 描述颜色的几个术语(续4),6.1.3饱和度(saturation) 颜色的纯洁性 可用来区别颜色明暗的程度 当一种颜色掺入其他光成分越多时，就说该颜色越不饱和 完全饱和的颜色是指没有渗入白光所呈现的颜色 单一波长的光谱色是完全饱和的颜色 半径表示法 见图6-3(a)，沿径向方向上的颜色具有相同的色调和明度，但它们的饱和度不同 图6-3(b)所示的七种颜色具有相同的色调

10、和明度，但具有不同的饱和度，左边的饱和度最浅，右边的饱和度最深,(a) 半径表示法,(b) 示例 图6-3 饱和度表示法,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,12/46,6.1 描述颜色的几个术语(续5),6.1.4 明度 中英文术语的差别 在许多中文书籍和英汉词典工具书中 brightness 亮度 lightness 亮度 luminance 亮度 在本教材中， brightness明度 luminance亮度 lightness光亮度,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,13/46,6.1 描述颜色的几个术语(续6),明度(brightness) 视觉系统对可见物体辐射光或发

11、射光多少的感知属性 例如。一根点燃的蜡烛在黑暗中看起来要比在白炽光下亮 有色表面的明度取决于亮度和表面的反射率 感知的明度与反射率不成正比，认为是一种对数关系 明度的主观感觉值目前无法用物理设备测量 可用亮度(luminance)即辐射的能量来度量 用一个数值范围表示，例如，010,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,14/46,6.1 描述颜色的几个术语(续7),一个极端是黑色(没有光)，另一个极端是白色，在这两个极端之间是灰色 明度常用垂直轴表示，见图6-4(a) 在图6-4(b)中，七种颜色具有 相同色调和饱和度 不同的明度 底部的明度最小 顶部的明度最大,(a) 垂直轴表示法 (

12、b) 示例,图6-4 明度表示法,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,15/46,6.1 描述颜色的几个术语(续8),亮度(luminance) 国际照明委员会定义的物理量 辐射功率 用反映视觉特性的光谱敏感函数加权之后得到的辐射功率(radiant power)，并在555 nm处达到了峰值，它的幅度与物理功率成正比 可认为“亮度就像光的强度(intensity) ” 在CIE XYZ系统中，亮度用Y表示，其含义是单位面积上反射或发射的光的强度 明度和亮度的关系不是线性关系，也不是同义词 严格地说，亮度应该使用像烛光/平方米(cd/m2)这样的单位来度量，但实际上是用指定的亮度即白光作

13、参考，并把它标称化为1或者100个单位。例如，监视器用亮度为80 cd/m2的白光作参考，并指定Y=1。,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,16/46,6.1 描述颜色的几个术语(续9),光亮度(lightness) 根据国际照明委员会的定义，光亮度是人的视觉系统对亮度(luminance)的感知响应值，并用L*表示为,其中， Y是CIE XYZ系统中定义的辐射亮度，Yn是参考白色光的辐射亮度 光亮度也常作为颜色空间的一个维,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,17/46,6.1 描述颜色的几个术语(续10),6.1.5 颜色空间 表示颜色的一种数学方法 对人，可以通过色调、饱和

14、度和明度来定义颜色 对显示设备，用红、绿和蓝磷光体的发光量来描述颜色 对打印或印刷设备，使用青色、品红色、黄色和黑色的反射和吸收来产生指定的颜色 通常用三维模型表示 常用代表三个参数的三维坐标来指定，这些参数描述颜色在颜色空间中的位置，但并没有告诉人们是什么颜色，其颜色要取决于使用的坐标,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,18/46,6.1 描述颜色的几个术语(续11),例：图6-5表示用色调、饱和度和明度构造的HSB(hue, saturation，and brightness)颜色空间 色调用角度标定，红色标为0,青色标为180 饱和度的深浅用半径大小表示 明度用垂直轴表示,图6-

15、5 色调-饱和度-明度颜色空间,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,19/46,6.1 描述颜色的几个术语(续12),颜色空间有设备相关和设备无关之分 设备相关：指定生成的颜色与生成颜色的设备有关 例如，RGB颜色空间是与显示系统相关的颜色空间，计算机显示器使用RGB来显示颜色，用像素值(例如，R250,G123,B23)生成的颜色将随显示器的亮度和对比度的改变而改变 设备无关：指定生成的颜色与生成颜色的设备无关 例如，CIE L*a*b*颜色空间是设备无关的颜色空间，它建筑在HSV(hue, saturation and value)颜色空间的基础上，用该空间指定的颜色无论在什么设备上

16、生成的颜色都相同。 “颜色空间”与“颜色模型” “颜色空间(color space)”和“颜色模型(color model)”互为同义词,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,20/46,6.2 该用什么颜色空间,6.2.1 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(

17、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8月9日,第6章 颜色空间变换,21/46,6.2 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(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

18、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色电视图像,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,22/46,6.2 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

19、，也不是绝对的，但对颜色空间的认识多少会有些帮助。对XYZ型颜色空间的详细介绍可参考多媒体技术基础(第3版)第5章颜色的度量体系,表6-1 颜色空间的分类,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,23/46,6.2 该用什么颜色空间(续3),颜色空间的变换 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,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,24/46,6.2 该用什么颜色空间(续4),6.2.2 颜

20、色空间的选择 先要了解各种颜色空间的特性 1. RGB与CMY颜色空间 RGB(red，green and blue) ：在图像显示系统中得到广泛应用 CMY(cyan magenta yellow)：在印刷和打印系统中得到广泛应用 CMYK(cyan magenta yellow black)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8月9日,第6章 颜色空间变换,25/46,6.2 该用什么颜色空间(续5),2. 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

21、) HSL/HLS(hue，saturation and lightness) HSI(hue，saturation and intensity) HSB(hue，saturation and brightness) HCI(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,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,26/46,6.2 该用什么颜色空间(续6),3. 电视系统的颜

22、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-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

23、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8月9日,第6章 颜色空间变换,27/46,6.3 计算机图形颜色空间,6.3.1 RGB, CMY和CMYK RGB：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，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,2020

24、年8月9日,第6章 颜色空间变换,28/46,6.3 计算机图形颜色空间(续1),6.3.2 HSV HSV(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)，如图6-6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,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,29/46,6

25、.3 计算机图形颜色空间(续2),图6-6 HSV颜色空间,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,30/46,6.3 计算机图形颜色空间(续3),6.3.3 HSL/HSB 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6-7 用于台式机图形程序定义颜色 HSL 与HSV HSL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,图6-7 HSL颜色空间,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换

26、,31/46,6.3 计算机图形颜色空间(续4),6.3.4 HSI HSI(Hue, Saturation and Intensity)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(vivid color) 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8月9日,第6章 颜色空间变换,

27、32/46,6.4 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

28、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8月9日,第6章 颜色空间变换,33/46,6.4 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8月9日,第6章 颜色空间变换,34/46,6.4 电视系统颜色空间(续2),6.4.2 European YUV European YUV 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,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,35/46,

29、6.4 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 RGB和YIQ颜色空间之间非线性信号的转换关系,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,36/46,6.4 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

30、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,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,37/46,6.4 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的数值为16, 235 ，Cb和Cr的数值为16, 240 BT.601 YCbCr和RGB 0, 1之间间的转换关系,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,38/46,6.4 电视系统颜色空间(

31、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,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,39/46,6.4 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)演播室的电视制作 BT.709 YCbCr和BT.709 RGB0,1之间非线性信号的转换关系,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,40/46,6.4 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,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,41/46,6.4 电视系统颜色空间(续9),BT.709 RGB和EBU RGB之间的转换关系,和,2020年8月9日,第6章 颜色空间变换,42/46,6.4 电视系统颜色空间(续10),YCbCr彩条,2020年8月9日,