chp06-顏色空間變換

多媒體技術(shù)主講人:張煒Tel:3987569Email:zw76@第6章顏色空間變換6.1該用什么顏色空間6.1.1顏色空間的分類問(wèn)題6.1.2顏色空間的變換問(wèn)題6.1.3顏色空間的選擇6.2計(jì)算機(jī)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(shè)備無(wú)關(guān)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6.1該用什么顏色空間6.1.1顏色空間的分類問(wèn)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(gè)分量表示非色彩的感知，用兩個(gè)獨(dú)立的分量表示色彩的感知，如L*a*b,L*u*v，YUV和YIQ。當(dāng)需要黑白圖像時(shí)，使用這樣的系統(tǒng)就非常方便強(qiáng)度/飽和度/色調(diào)(intensity/saturation/hue)型顏色空間：用飽和度和色調(diào)描述色彩的感知，可使顏色的解釋更直觀，而且對(duì)消除光亮度的影響很有用，如HSI,HSL,HSV和LCh6.1該用什么顏色空間(續(xù)1)從技術(shù)角度可考慮分成如下3類(1)RGB型顏色空間/計(jì)算機(jī)圖形顏色空間：主要用于電視機(jī)和計(jì)算機(jī)的顏色顯示系統(tǒng)，如RGB，HSI,HSL和HSV。在顯示技術(shù)和印刷技術(shù)中，常被稱為顏色模型(colormode)XYZ型顏色空間/CIE顏色空間：由國(guó)際照明委員會(huì)(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(shè)備無(wú)關(guān)的顏色表示法，在科學(xué)計(jì)算中得到廣泛應(yīng)用。對(duì)不能直接相互轉(zhuǎn)換的兩個(gè)顏色空間，可利用這類顏色空間作為過(guò)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(dòng)而開(kāi)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(guò)壓縮色度信息以有效地播送彩色電視圖像6.1該用什么顏色空間(續(xù)2)按照上述觀點(diǎn)對(duì)顏色空間進(jìn)行的分類綜合在表6-1中。這樣分類雖然并不很科學(xué)，也不是絕對(duì)的，但對(duì)顏色空間的認(rèn)識(shí)多少會(huì)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(qiáng)度/飽和度/色調(diào)(intensity/saturation/hue)HSI,HSLHSVLCh/CHL表6-1顏色空間的分類6.1該用什么顏色空間(續(xù)3)6.1.2顏色空間的變換問(wèn)題為滿足不同的應(yīng)用需求，需要在各種不同的顏色空間之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換如為藝術(shù)家選擇顏色的方便、減少圖像的數(shù)據(jù)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(dǎo)出的因?qū)σ曈X(jué)感知特性還不十分清楚，故對(duì)變換的計(jì)算模型產(chǎn)生不同程度的懷疑常見(jiàn)顏色空間之間的變換關(guān)系見(jiàn)圖6-1，可見(jiàn)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(jìn)行過(guò)渡6.1該用什么顏色空間(續(xù)4)圖6-1部分顏色空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[1]6.1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(yīng)用CMY(cyanmagentayellow)：在印刷和打印系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用CMYK(cyanmagentayellowblack)中的黑色是為改善打印質(zhì)量而增加的顏色分量RGB和CMY(K)顏色空間都是與設(shè)備相關(guān)顏色指定不直觀6.1該用什么顏色空間(續(xù)6)計(jì)算機(jī)圖形顏色空間計(jì)算機(jī)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(lái)的、與設(shè)備相關(guān)的類似的顏色空間，特點(diǎn)指定顏色方式非常直觀，很容易選擇所需要的色調(diào)把亮度從顏色信息中分離出來(lái)6.1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(gè)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(gè)彩色分量Y‘CbCr/Y’Cb‘Cr’：用于數(shù)字電視,在ITU-RBT.601和BT.709等推薦標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(shù)據(jù)量這些顏色空間都是與設(shè)備相關(guān)的，而且在閉環(huán)系統(tǒng)中的使用條件也相當(dāng)嚴(yán)格6.2計(jì)算機(jī)圖形顏色空間6.2.1RGB,CMY和CMYKRGB：使用不同數(shù)量的紅、綠和藍(lán)三種基色相加產(chǎn)生顏色，用在顯示系統(tǒng)上CMY：白光中減去不同數(shù)量的青、品紅和黃三種顏色產(chǎn)生顏色；在印刷設(shè)備中，黑色分量加到CMY空間，形成CMYK(cyan,magenta，yellowandblack)為把RGB轉(zhuǎn)換成印刷用的CMY時(shí)，最簡(jiǎn)單的方法是把RGB轉(zhuǎn)換到CIEXYZ，然后再?gòu)腃IEXYZ轉(zhuǎn)換到CMY(K)RGB顏色空間6.2計(jì)算機(jī)圖形顏色空間(續(xù)1)6.2.2HSV和RGBHSV(hue,saturationandvalue)的縮寫A.R.Smith根據(jù)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(diào)：用角度度量，0°～360°。紅色為0°，按逆時(shí)針?lè)较蛴?jì)算，綠色為120°，藍(lán)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(méi)有轉(zhuǎn)換矩陣，但可對(duì)它們之間的轉(zhuǎn)換算法進(jìn)行描述6.2計(jì)算機(jī)圖形顏色空間(續(xù)2)圖6-2HSV顏色空間6.2計(jì)算機(jī)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(jiàn)圖6-3用于臺(tái)式機(jī)圖形程序定義顏色HSL與HSVHSL用光亮度(lightness)作坐標(biāo)，HSV用亮度(luminance)作坐標(biāo)HSL顏色飽和度最高時(shí)的光亮度L定義為0.5，而HSV則為1.0RGB和HSL之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系見(jiàn)教材圖6-3HSL顏色空間6.2計(jì)算機(jī)圖形顏色空間(續(xù)4)6.2.4HSI和RGBHSI(Hue,SaturationandIntensity)的縮寫色調(diào)(H)也稱為色相，指顏色的外觀色調(diào)H用角度表示如紅橙黃綠青藍(lán)紫，角度從(紅)→(綠)→(藍(lán))→(紅)純度(S)即飽和度，分成低(0%～20%)，產(chǎn)生灰色而不管色調(diào)中(40%～60%)，產(chǎn)生柔和的色調(diào)(pastel)高(80%～100%)，產(chǎn)生鮮艷的顏色(vividcolor)強(qiáng)度(I)是顏色的明度取值范圍從0%(黑)～100%(最亮)強(qiáng)度也指亮度(luminance)或光亮度(lightness)6.3設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色空間CIEXYZ國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)定義的顏色空間。X、Y和Z為想象的三種相加基色根據(jù)視覺(jué)的數(shù)學(xué)模型和顏色匹配實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dǎo)出的顏色空間，企圖對(duì)色差的感知進(jìn)行線性化CIELUV即CIE1976L*u*v*，直接從CIEXYZ空間導(dǎo)出的顏色空間，對(duì)色差感知進(jìn)行線性化的另一種努力6.3設(shè)備無(wú)關(guān)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(dǎo)出的顏色空間，企圖對(duì)色差的感知進(jìn)行線性化。顏色信息以白光點(diǎn)作參考，用下標(biāo)“n”表示。CIEXYZ到CIEL*a*b*的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

其中,是參考白光的三色刺激值，而6.3設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色空間(續(xù)2)2.CIEL*a*b*→CIEXYZ對(duì)于Y/Yn>0.008856，從CIELAB到CIEXYZ空間的變換可用下式計(jì)算其中，其中，6.3設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色空間(續(xù)3)6.3.2CIEXYZ和CIELUVCIE1976L*u*v*(CIELUV)是直接從CIEXYZ空間導(dǎo)出的顏色空間，并且是對(duì)色差感知進(jìn)行線性化的另一種努力1.CIEXYZ→CIELUV其中，是與光源有關(guān)的值在2°觀察者和C光源下6.3設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色空間(續(xù)4)2.CIELUV→CIEXYZ

從(u',v')到(x,y)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下從CIELUV到CIEXYZ的變換如下6.3設(shè)備無(wú)關(guān)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(shí)，CIExyY色度圖中的紅、綠和藍(lán)的坐標(biāo)定義為對(duì)于紅色對(duì)于綠色對(duì)于藍(lán)色定義白光點(diǎn)n坐標(biāo)時(shí)使R=G=B=1，于是其中，ar,ag和ab是比例系數(shù)(6-4)6.3設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色空間(續(xù)6)在CIExyY色度圖中，Xn,Yn和Zn的坐標(biāo)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(shù)，因此根據(jù)上面的矩陣式就可求得ar,ag和ab。由于6.3設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色空間(續(xù)7)2.BT.601和CIExyY國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)定義了幾個(gè)推薦標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)，它使用CIE定義了一種叫做“光源C(illuminantC)”的標(biāo)準(zhǔn)光源，用鎢絲光源并通過(guò)濾波來(lái)模擬普通日光，色溫是6774°K，波長(zhǎng)范圍是380～770nm。白色在CIExyY色度圖中的坐標(biāo)是(xn,yn)=(0.310063,0.316158)，紅、綠和藍(lán)的坐標(biāo)分別是紅：綠：藍(lán)：6.3設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色空間(續(xù)8)根據(jù)這些數(shù)據(jù)可計(jì)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(guān)系6.3設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色空間(續(xù)9)一般情況下精確到小數(shù)點(diǎn)后面3位，于是，對(duì)上面的變換式進(jìn)行逆變換，可得到由CIExyY到RGB空間的變換關(guān)系，6.3設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色空間(續(xù)10)3.BT.709和CIExyY另一個(gè)普遍使用的推薦標(biāo)準(zhǔn)是BT.709，它使用的標(biāo)準(zhǔn)光源是D65,下標(biāo)表示相關(guān)的色溫，65表示相關(guān)色溫是6504°K，它的坐標(biāo)為(xn,yn)=(0.312713,0.329016)，紅、綠和藍(lán)的色度坐標(biāo)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(biāo)6.3設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色空間(續(xù)11)也就是紅：綠：藍(lán)：根據(jù)上面的數(shù)據(jù)可得到RGB空間到CIExyY空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系6.3設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色空間(續(xù)12)一般情況下精確到小數(shù)點(diǎn)后面3位，于是對(duì)上面的變換式進(jìn)行逆變換，可得到由CIExyY到RGB空間的變換關(guān)系6.4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(jī)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(shí)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(gè)線性的RGB空間，通過(guò)非線性函數(shù)對(duì)每個(gè)顏色分量進(jìn)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(hào)，再用一個(gè)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(jīng)過(guò)子采樣的色差分量經(jīng)過(guò)各種變換之后的顏色分量通過(guò)通信通道傳送到接收方，或者存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中。顯示圖像時(shí)，按照?qǐng)D6-4中所示的從右到左的方向進(jìn)行變換6.4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]6.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)2)6.4.2EuropeanY'U'V'EuropeanY‘U’V‘的簡(jiǎn)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(hào)R'G'B'和Y'U'V'顏色空間之間非線性信號(hào)的轉(zhuǎn)換關(guān)系6.4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(hào)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(hào)的轉(zhuǎn)換關(guān)系6.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)4)6.4.4SMPTE-CRGB影視工程師協(xié)會(huì)(SMPTE)是電影和電視工程師的專業(yè)協(xié)會(huì)該協(xié)會(huì)是一個(gè)國(guó)際性的研究和標(biāo)準(zhǔn)化組織，在全世界有9000多個(gè)成員SMPTE-C是美洲當(dāng)前使用的廣播電視顏色標(biāo)準(zhǔn)，舊的NTSC顏色空間的基色標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不再?gòu)V泛使用，因?yàn)樗幕珮?biāo)準(zhǔn)已經(jīng)逐步向EBU制定的顏色標(biāo)準(zhǔn)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(hào)的轉(zhuǎn)換關(guān)系與NTSCR'G'B'和NTSCY'I'Q'之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系相同6.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)5)6.4.5ITU-RBT.601Y'CbCr簡(jiǎn)寫為Y'CbCr。由YUV派生的顏色空間，用于普通的數(shù)字電視Y'的數(shù)值為[16,235]，Cb和Cr的數(shù)值為[16,240]BT.601Y'CbCr和R'G'B'[0,1]之間間的轉(zhuǎn)換關(guān)系6.4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(zhuǎn)換關(guān)系BT.601Y'CbCr和R'G'B'[0,219]之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系6.4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(guó)際無(wú)線電咨詢委員會(huì)(CCIR)于1988年制定的標(biāo)準(zhǔn)，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(hào)的轉(zhuǎn)換關(guān)系6.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)8)Y'CbCr和R'G'B'[0,255]之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系Y'CbCr和R'G'B'[0,219]之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系6.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)9)BT.709RGB和EBURGB之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系和6.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)10)Y'CbCr彩條數(shù)值范圍白黃青綠品紅紅藍(lán)黑SDTVY16～23518016213111284653516Cb16～2401284415672184100212128Cr16～2401281424458198212114128HDTVY16～23518016814513363512816Cb16～2401284414763193109212128Cr16～24012813644522042121201286.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)11)6.4.7SMPTE-240MY'PbPrSMPTE-2