多媒體技術基礎(第3版)第6章 顏色空間變換

多媒體技術基礎(第3版)

第6章顏色空間變換張奇復旦大學計算機科學技術學院qz@

2010年4月2023年2月4日第6章顏色空間變換2/43第6章顏色空間變換目錄6.1該用什么顏色空間6.1.1顏色空間的分類問題6.1.2顏色空間的變換問題6.1.3顏色空間的選擇6.2計算機圖形顏色空間6.2.1RGB,CMY和CMYK6.2.2HSV和RGB6.2.3HSL/HSB和RGB6.2.4HSI和RGB6.3設備無關的顏色空間6.3.1CIEXYZ和CIELAB6.3.2CIEXYZ和CIELUV6.3.3CIEXYZ和RGB，BT.601，BT.7096.4電視系統(tǒng)顏色空間6.4.1電視系統(tǒng)的顏色空間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顏色空間2023年2月4日第6章顏色空間變換3/436.1該用什么顏色空間6.1.1顏色空間的分類問題從顏色感知的角度可考慮分成如下3類混合(mixture)型顏色空間：按三種基色的比例合成顏色，如RGB，CMY(K)和XYZ非線性亮度/色度(luma/chroma)型顏色空間：用一個分量表示非色彩的感知，用兩個獨立的分量表示色彩的感知，如L*a*b,L*u*v，YUV和YIQ。當需要黑白圖像時，使用這樣的系統(tǒng)就非常方便強度/飽和度/色調(intensity/saturation/hue)型顏色空間：用飽和度和色調描述色彩的感知，可使顏色的解釋更直觀，而且對消除光亮度的影響很有用，如HSI,HSL,HSV和LCh2023年2月4日第6章顏色空間變換4/436.1該用什么顏色空間(續(xù)1)從技術角度可考慮分成如下3類RGB型顏色空間/計算機圖形顏色空間：主要用于電視機和計算機的顏色顯示系統(tǒng)，如RGB，HSI,HSL和HSV。在顯示技術和印刷技術中，常被稱為顏色模型(colormode)XYZ型顏色空間/CIE顏色空間：由國際照明委員會(CIE)定義的顏色空間，用作顏色的基本度量方法。該顏色空間是與設備無關的顏色表示法，在科學計算中得到廣泛應用。對不能直接相互轉換的兩個顏色空間，可利用這類顏色空間作為過渡性的顏色空間，如CIE1931XYZ，L*a*b，L*u*v和LCh等YUV型顏色空間/電視系統(tǒng)顏色空間：由廣播電視需求的推動而開發(fā)的顏色空間，如YUV，YIQ，ITU-RBT.601Y'CbCr,ITU-RBT.709Y'CbCr和SMPTE-240MY'PbPr。主要目的是通過壓縮色度信息以有效地播送彩色電視圖像2023年2月4日第6章顏色空間變換5/436.1該用什么顏色空間(續(xù)2)按照上述觀點對顏色空間進行的分類綜合在表6-1中。這樣分類雖然并不很科學，也不是絕對的，但對顏色空間的認識多少會有些幫助。

類型RGB型XYZ型YUV型混合型(mixture)RGBXYZ-非線性亮度/色度(luma/chroma)-L*a*b*L*u*v*YUVYIQ強度/飽和度/色調(intensity/saturation/hue)HSI,HSLHSVLCh/CHL表6-1顏色空間的分類2023年2月4日第6章顏色空間變換6/436.1該用什么顏色空間(續(xù)3)6.1.2顏色空間的變換問題為滿足不同的應用需求，需要在各種不同的顏色空間之間進行轉換如為藝術家選擇顏色的方便、減少圖像的數據量或滿足顯示系統(tǒng)的要求幾乎所有的顏色空間都是從RGB顏色空間導出的因對視覺感知特性還不十分清楚，故對變換的計算模型產生不同程度的懷疑常見顏色空間之間的變換關系見圖6-1，可見有些顏色空間之間可以直接變換，如RGB和HSL，RGB和HSB，RGB和R'G'B',R'G'B'和Y'CrCb，CIEXYZ和CIEL*a*b*等有些顏色空間之間不能直接變換，如，RGB和CIELa*b*,CIEXYZ和HSL，HSL和Y'CbCr等，它們之間的變換需要借助其他顏色空間進行過渡2023年2月4日第6章顏色空間變換7/436.1該用什么顏色空間(續(xù)4)圖6-1部分顏色空間的轉換關系[1]2023年2月4日第6章顏色空間變換8/436.1該用什么顏色空間(續(xù)5)6.1.3顏色空間的選擇RGB與CMY顏色空間RGB(red，greenandblue)：在圖像顯示系統(tǒng)中得到廣泛應用CMY(cyanmagentayellow)：在印刷和打印系統(tǒng)中得到廣泛應用CMYK(cyanmagentayellowblack)中的黑色是為改善打印質量而增加的顏色分量RGB和CMY(K)顏色空間都是與設備相關視覺對顏色的感知是非線性的顏色指定不直觀2023年2月4日第6章顏色空間變換9/436.1該用什么顏色空間(續(xù)6)計算機圖形顏色空間計算機繪圖用的顏色空間包括HSV(hue，saturationandvalue)HSL/HLS(hue，saturationandlightness)HSI(hue，saturationandintensity)HSB(hue，saturationandbrightness)HCI(hue，chroma/colourfulness，intensity)HVC(hue，valueandchroma)這些顏色空間都是從RGB變換來的、與設備相關的類似的顏色空間，特點指定顏色方式非常直觀，很容易選擇所需要的色調把亮度從顏色信息中分離出來2023年2月4日第6章顏色空間變換10/436.1該用什么顏色空間(續(xù)7)電視系統(tǒng)的顏色空間電視系統(tǒng)的顏色空間包括YUV：用在PAL和SECAM模擬彩色電視制式中，Y表示亮度，U和V表示兩個色差分量

YIQ：用在NTSC模擬彩色電視制式中，Y表示亮度，I和Q表示兩個彩色分量Y‘CbCr/Y’Cb‘Cr’：用于數字電視,在ITU-RBT.601和BT.709等推薦標準中有明確的定義Y‘PbPr/Y’Pb‘Pr’：用于高清晰度電視……這些顏色空間是亮度和色度(luminance-chrominance)分離的電視播送顏色空間(televisiontransmissioncolorspaces)數字電視和模擬電視的顏色空間都把RGB顏色空間分離成亮度和色度，目的是為了更有效地壓縮圖像的數據量這些顏色空間都是與設備相關的，而且在閉環(huán)系統(tǒng)中的使用條件也相當嚴格2023年2月4日第6章顏色空間變換11/436.2計算機圖形顏色空間6.2.1RGB,CMY和CMYKRGB：使用不同數量的紅、綠和藍三種基色相加產生顏色，用在顯示系統(tǒng)上CMY：白光中減去不同數量的青、品紅和黃三種顏色產生顏色；在印刷設備中，黑色分量加到CMY空間，形成CMYK(cyan,magenta，yellowandblack)為把RGB轉換成印刷用的CMY時，最簡單的方法是把RGB轉換到CIEXYZ，然后再從CIEXYZ轉換到CMY(K)RGB顏色空間2023年2月4日第6章顏色空間變換12/436.2計算機圖形顏色空間(續(xù)1)6.2.2HSV和RGBHSV(hue,saturationandvalue)的縮寫A.R.Smith根據顏色的直觀特性于1978年創(chuàng)建的,也稱六角錐體模型(hexconemodel)，如圖6-2所示HSV的表示方法色調：用角度度量，0°～360°。紅色為0°，按逆時針方向計算，綠色為120°，藍色為240°飽和度：取值范圍為0.0～1.0亮度值：取值范圍為0.0(黑色)～1.0(白色)

HSV和RGB之間沒有轉換矩陣，但可對它們之間的轉換算法進行描述2023年2月4日第6章顏色空間變換13/436.2計算機圖形顏色空間(續(xù)2)圖6-2HSV顏色空間2023年2月4日第6章顏色空間變換14/436.2計算機圖形顏色空間(續(xù)3)6.2.3HSL/HSB和RGBHSL/HSB(hue,saturationandlightness/brightness)的縮寫利用三條軸定義顏色，用六角形錐體表示，見圖6-3用于計算機圖形程序定義顏色HSL與HSVHSL用光亮度(lightness)作坐標，HSV用亮度(luminance)作坐標HSL顏色飽和度最高時的光亮度L定義為0.5，而HSV則為1.0RGB和HSL之間的轉換關系見教材圖6-3HSL顏色空間2023年2月4日第6章顏色空間變換15/436.2計算機圖形顏色空間(續(xù)4)6.2.4HSI和RGBHSI(Hue,SaturationandIntensity)的縮寫色調(H)也稱為色相，指顏色的外觀色調H用角度表示如紅橙黃綠青藍紫，角度從(紅)→(綠)→(藍)→(紅)純度(S)即飽和度，分成低(0%～20%)，產生灰色而不管色調中(40%～60%)，產生柔和的色調(pastel)高(80%～100%)，產生鮮艷的顏色(vividcolor)強度(I)是顏色的明度取值范圍從0%(黑)～100%(最亮)強度也指亮度(luminance)或光亮度(lightness)2023年2月4日第6章顏色空間變換16/436.3設備無關的顏色空間CIEXYZ國際照明委員會(CIE)定義的顏色空間。X、Y和Z為想象的三種相加基色根據視覺的數學模型和顏色匹配實驗結果定義的顏色空間，規(guī)定X，Y和Z都用正值匹配所有顏色CIELAB即1976L*a*b*，直接從CIEXYZ導出的顏色空間，企圖對色差的感知進行線性化CIELUV即CIE1976L*u*v*，直接從CIEXYZ空間導出的顏色空間，對色差感知進行線性化的另一種努力2023年2月4日第6章顏色空間變換17/436.3設備無關的顏色空間(續(xù)1)6.3.1CIEXYZ和CIELAB1.CIEXYZ→CIEL*a*b*CIE1976L*a*b*是直接從CIEXYZ導出的顏色空間，企圖對色差的感知進行線性化。顏色信息以白光點作參考，用下標“n”表示。CIEXYZ到CIEL*a*b*的轉換關系為

其中,是參考白光的三色刺激值，而2023年2月4日第6章顏色空間變換18/436.3設備無關的顏色空間(續(xù)2)2.CIEL*a*b*→CIEXYZ對于Y/Yn>0.008856，從CIELAB到CIEXYZ空間的變換可用下式計算其中，2023年2月4日第6章顏色空間變換19/436.3設備無關的顏色空間(續(xù)3)6.3.2CIEXYZ和CIELUVCIE1976L*u*v*(CIELUV)是直接從CIEXYZ空間導出的顏色空間，并且是對色差感知進行線性化的另一種努力1.CIEXYZ→CIELUV其中，是與光源有關的值在2°觀察者和C光源下2023年2月4日第6章顏色空間變換20/436.3設備無關的顏色空間(續(xù)4)2.CIELUV→CIEXYZ

從(u',v')到(x,y)的轉換關系如下從CIELUV到CIEXYZ的變換如下2023年2月4日第6章顏色空間變換21/436.3設備無關的顏色空間(續(xù)5)6.3.3CIEXYZ和RGB，BT.601，BT.7091.RGB和CIExyY在RGB顏色空間變換到CIExyY空間時，CIExyY色度圖中的紅、綠和藍的坐標定義為對于紅色對于綠色對于藍色定義白光點n坐標時使R=G=B=1，于是其中，ar,ag和ab是比例系數(6-4)2023年2月4日第6章顏色空間變換22/436.3設備無關的顏色空間(續(xù)6)在CIExyY色度圖中，Xn,Yn和Zn的坐標已定義為(xn,yn)，于是因此，式(6-4)就可變成都是可提供的已知數，因此根據上面的矩陣式就可求得ar,ag和ab。由于2023年2月4日第6章顏色空間變換23/436.3設備無關的顏色空間(續(xù)7)2.BT.601和CIExyY國際電信聯(lián)盟(ITU)定義了幾個推薦標準，最流行的是ITU-RBT.601(前稱CCIR601-1)和ITU-RBT.709(前稱CCIR709)。BT.601-1是舊的NTSC制使用的標準，它使用CIE定義了一種叫做“光源C(illuminantC)”的標準光源，用鎢絲光源并通過濾波來模擬普通日光，色溫是6774°K，波長范圍是380～770nm。白色在CIExyY色度圖中的坐標是(xn,yn)=(0.310063,0.316158)，紅、綠和藍的坐標分別是紅：綠：藍：2023年2月4日第6章顏色空間變換24/436.3設備無關的顏色空間(續(xù)8)根據這些數據可計算得到最后，我們可得到BT.601在光源C下由RGB到CIExyY空間的變換關系2023年2月4日第6章顏色空間變換25/436.3設備無關的顏色空間(續(xù)9)一般情況下精確到小數點后面3位，于是，對上面的變換式進行逆變換，可得到由CIExyY到RGB空間的變換關系，2023年2月4日第6章顏色空間變換26/436.3設備無關的顏色空間(續(xù)10)3.BT.709和CIExyY另一個普遍使用的推薦標準是BT.709，它使用的標準光源是D65,下標表示相關的色溫，65表示相關色溫是6504°K，它的坐標為(xn,yn)=(0.312713,0.329016)，紅、綠和藍的色度坐標如表6-2所示rgbwx0.6400.3000.1500.3127y0.3300.6000.0600.3290z0.0300.1000.7900.3582表6-2基色和白光坐標2023年2月4日第6章顏色空間變換27/436.3設備無關的顏色空間(續(xù)11)也就是紅：綠：藍：根據上面的數據可得到RGB空間到CIExyY空間的轉換關系2023年2月4日第6章顏色空間變換28/436.3設備無關的顏色空間(續(xù)12)一般情況下精確到小數點后面3位，于是對上面的變換式進行逆變換，可得到由CIExyY到RGB空間的變換關系2023年2月4日第6章顏色空間變換29/436.4電視系統(tǒng)顏色空間6.4.1電視系統(tǒng)的顏色空間圖6-4表示電視系統(tǒng)用的顏色空間0.5表示攝像機的γ值，2.5表示普通CRT的γ理論值在NTSC制中，CRT的γ指定為2.2；在PAL制中，γ指定為2.8。實際上，CRT的γ為2.35線性的XYZ或R1G1B1使用3×3變換矩陣M得到一個線性的RGB空間，通過非線性函數對每個顏色分量進行變換(γ校正)，把線性的R，G和B變成了非線性的R'，G'和B'信號，再用一個3×3色差編碼矩陣M得到非線性的色差分量，如Y'CrCb，Y'PbPr或PhotoYCC顏色空間中的非線性色差分量。如果需要，可使用顏色子采樣濾波器得到經過子采樣的色差分量經過各種變換之后的顏色分量通過通信通道傳送到接收方，或者存儲到存儲器中。顯示圖像時，按照圖6-4中所示的從右到左的方向進行變換2023年2月4日第6章顏色空間變換30/436.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)1)圖6-4電視系統(tǒng)的顏色空間[2]2023年2月4日第6章顏色空間變換31/436.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)2)6.4.2EuropeanY'U'V'Y‘U’V‘是EuropeanY‘U’V‘的簡稱。用于歐洲的模擬彩色電視(PAL和SECAM)。Y'與感知亮度類似，U'和V'攜帶顏色和部分亮度信號R'G'B'和Y'U'V'顏色空間之間非線性信號的轉換關系2023年2月4日第6章顏色空間變換32/436.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)3)6.4.3AmericanY'I'Q'用于北美的模擬彩色電視系統(tǒng)(NTSC)，Y'與感知亮度類似，I'和Q'分量信號攜帶顏色信息和部分亮度信息NTSCR'G'B'和NTSCY'I'Q'顏色空間之間非線性信號的轉換關系2023年2月4日第6章顏色空間變換33/436.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)4)6.4.4SMPTE-CRGB影視工程師協(xié)會(SMPTE)是電影和電視工程師的專業(yè)協(xié)會該協(xié)會是一個國際性的研究和標準化組織，在全世界有9000多個成員SMPTE-C是美洲當前使用的廣播電視顏色標準，舊的NTSC顏色空間的基色標準已經不再廣泛使用，因為它的基色標準已經逐步向EBU制定的顏色標準靠攏。但在其他方面，SMPTE-C與NTSC相同SMPTE-CR'G'B'和SMPTE-CY'I'Q'顏色空間之間非線性信號的轉換關系與NTSCR'G'B'和NTSCY'I'Q'之間的轉換關系相同2023年2月4日第6章顏色空間變換34/436.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)5)6.4.5ITU-RBT.601Y'CbCr簡寫為Y'CbCr。由YUV派生的顏色空間，用于普通的數字電視Y'的數值為[16,235]，Cb和Cr的數值為[16,240]BT.601Y'CbCr和R'G'B'[0,1]之間間的轉換關系2023年2月4日第6章顏色空間變換35/436.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)6)BT.601Y'CbCr和R'G'B'[0,255]之間的轉換關系BT.601Y'CbCr和R'G'B'[0,219]之間的轉換關系2023年2月4日第6章顏色空間變換36/436.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)7)Y'的取值范圍為[0,1]，Cb和Cr的取值為[-0.5,0.5]6.4.6ITU-RBT.709Y'CbCr國際無線電咨詢委員會(CCIR)于1988年制定的標準，用于高清晰度電視(HDTV)演播室的電視制作BT.709Y'CbCr和BT.709R'G'B'[0,1]之間非線性信號的轉換關系2023年2月4日第6章顏色空間變換37/436.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)8)Y'CbCr和R'G'B'[0,255]之間的轉換關系Y'CbCr和R'G'B'[0,219]之間的轉換關系2023年2月4日第6章顏色空間變換38/436.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)9)BT.709RGB和EBURGB之間的轉換關系和2023年2月4日第6章顏色空間變換39/436.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)10)Y'CbCr彩條數值范圍白黃青綠品紅紅藍黑SDTVY16～23518016213111284653516Cb16～2401284415672184100212128Cr16～2401281424458198212114128HDTVY16～23518016814513363512816Cb16～2401284414763193109212128Cr16～24012813644522042121201282023年2月4日第6章顏色空間變換40/436.