顏色空間變換

第七章顏色空間變換

7.1該用什么顏色空間

7.2計算機圖形顏色空間

7.3設(shè)備無關(guān)的顏色空間

7.4電視系統(tǒng)顏色空間本章要點本章選擇了幾種使用比較普通且與多媒體技術(shù)密切相關(guān)的顏色空間，介紹它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

各種不同顏色空間之間進行轉(zhuǎn)換的目的各不相同，有的是為了藝術(shù)家選擇顏色的方便，有的是為了減少圖像的數(shù)據(jù)量，有的是為了滿足顯示系統(tǒng)的要求。

7.1該用什么顏色空間一、顏色空間的分類問題從顏色感知的角度來分類，顏色空間可考慮分成如下三類：(1)混合(mixture)型顏色空間：按三種基色的比例合成顏色。例如，RGB，CMY(K)和XYZ等(2)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。當需要黑白圖像時，這樣的系統(tǒng)非常方便。例如，L*a*b,L*u*v，YUV和YIQ等。(3)強度/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，而且對消除光亮度的影響很有用。例如，HSI,HSL,HSV和LCH等。7.1該用什么顏色空間從技術(shù)上角度區(qū)分，顏色空間可考慮分成如下三類：RGB型顏色空間/計算機圖形顏色空間：這類模型主要用于電視機和計算機的顏色顯示系統(tǒng)。例如，RGB，HSI,HSL和HSV等顏色空間。

(2)XYZ型顏色空間/CIE顏色空間：這類顏色空間是由國際照明委員會定義的顏色空間，通常作為國際性的顏色空間標準，用作顏色的基本度量方法。(3)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，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。

7.1該用什么顏色空間

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(diào)(intensity/saturation/hue)HSI,HSL,HSVLCH/CHL

7.1該用什么顏色空間二、顏色空間的變換問題

有些顏色空間之間可以直接變換。

(2)有些顏色空間之間不能直接變換。

7.1該用什么顏色空間三、什么顏色空間適合我RGB與CMY顏色空間

RGB(red，greenandblue)是在三基色理論基礎(chǔ)上開發(fā)的相加混色顏色空間。主要用于圖像顯示系統(tǒng)中。RGB顏色空間是與設(shè)備相關(guān)的。

CMY(cyanmagentayellow)也是在三基色理論基礎(chǔ)上開發(fā)的相減混色顏色空間。該空間主要用在印刷和打印系統(tǒng)。CMY(K)顏色空間是與設(shè)備相關(guān)的。7.1該用什么顏色空間

2.計算機圖形顏色空間

HSV、HSL/HLS、HSI、HSB、HCI、HVC等都是類似的顏色空間，它們都是從RGB顏色空間變換而來的，而且都是與設(shè)備相關(guān)的顏色空間。它們的優(yōu)點是指定顏色方式非常直觀，很容易選擇所需要的色調(diào)(顏色)，稍微調(diào)整它的飽和度和亮度就可改變顏色。它們是一種以色調(diào)為基礎(chǔ)的顏色空間。

7.1該用什么顏色空間3.電視系統(tǒng)顏色空間

YUV,YIQ,Y‘CbCr/Y’Cb‘Cr’,Y‘PbPr/Y’Pb‘Pr’和YCC等顏色空間是為電視系統(tǒng)開發(fā)的。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。

YUV是PAL和SECAM模擬彩色電視制式采用的顏色空間，Y表示亮度，UV用來表示色差，U、V是構(gòu)成彩色的兩個分量。

YIQ是NTSC模擬彩色電視制式采用的顏色空間，其中的Y表示亮度，I、Q是兩個彩色分量。

Y'CbCr和Y'PbPr是數(shù)字電視采用的標準,7.1該用什么顏色空間無論是數(shù)字的還是模擬的顏色空間，這些顏色空間都把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，以便充分利用傳輸通道的帶寬或者節(jié)省存儲容量。這些顏色空間都是與設(shè)備相關(guān)的。7.1該用什么顏色空間

YUV表示法的重要性是它的亮度信號(Y)和色度信號(U，V)是相互獨立的，也就是Y信號分量構(gòu)成的黑白灰度圖與用U，V信號構(gòu)成的兩幅單色圖是相互獨立的。黑白電視能接收彩色電視信號也就是利用了YUV分量之間的獨立性。

YUV表示法的另一個優(yōu)點是可以利用人眼的特性來降低數(shù)字彩色圖像所需要的存儲容量。人眼對彩色細節(jié)的分辨能力遠比對亮度細節(jié)的分辨能力低。

7.2計算機圖形顏色空間

一、RGB,CMY和CMYK

RGB(red，greenandblue)和CMY(cyan,magentaandyellow)是最流行的顏色空間，它們都是與設(shè)備相關(guān)的顏色空間，前者用在顯示器上，后者用在打印設(shè)備上。RGB稱為相加混色是因為它使用不同數(shù)量的紅、綠和藍三種基色相加而產(chǎn)生顏色，而CMY稱為相減混色是因為白光中減去不同數(shù)量的青、品紅和黃三種顏色而產(chǎn)生顏色。在印刷設(shè)備中，黑色分量加到CMY空間，因此，形成另一種顏色空間，叫做CMYK(cyan,magenta，yellowandblack)。7.2計算機圖形顏色空間RGB和CMY

RGB→CMY其中，R、G和B的取值范圍是[0,1]。

7.2計算機圖形顏色空間

(2)CMY→RGB其中，C、M和Y的取值范圍是[0,1]。7.2計算機圖形顏色空間2.CMY和CMYK

(1)CMY→CMYK(2)CMYK→CMY7.2計算機圖形顏色空間3.RGB和CMYK

(1)RGB→CMYK

7.2計算機圖形顏色空間(2)CMYK→RGB

7.2計算機圖形顏色空間二、HSV和RGB色調(diào)H：用角度度量，取值范圍為0o～360o。從紅色開始按逆時針方向計算，紅色為0o，綠色為120o,藍色為240o。它們的補色是：黃色為60o，青色為180o,品紅為300o。飽和度S：取值范圍為0.0～1.0。亮度值V：取值范圍為0.0(黑色)～1.0(白色)。7.2計算機圖形顏色空間1.RGB到HSV的轉(zhuǎn)換(1)RGB→HSV(Travis)算法描述GivenRGBvalues,findthemaxandmin.V=maxS=(max-min)/maxIfS=0,HisundefinedelseR1=(max-R)/(max-min)G1=(max-G)/(max-min)B1=(max-B)/(max-min)ifR=maxandG=min, H=5+B1elseifR=maxandGnot=min,H=1-G1elseifG=maxandB=min,H=R1+1elseifG=maxandBnot=min,H=3-B1elseifR=max, H=3+G1elseH=5-R1H=H*60(convertstodegreessoSandVliebetween0and1,Hbetween0and360)7.2計算機圖形顏色空間(2)RGB→HSV(FoleyandVanDam)算法描述

max=maximumofRGBmin=minimumofRGBV=maxS=(max-min)/maxifS=0,Hisundefined,elsedelta=max-minifR=max,H=(G-b)/deltaifG=max,H=2+(B-R)/deltaifB=max,H=4+(R-G)/deltaH=H*60ifH<0,H=H+3607.2計算機圖形顏色空間2.HSV到RGB的轉(zhuǎn)換

HSV→RGB(Travis)算法描述ConvertHdegreestoahexagonsectionhex=H/360main_colour=int(hex)sub_colour=hex-main_colourvar1=(1-S)*Vvar2=(1-(S*sub_colour))*Vvar3=(1-(S*(1-sub_colour)))*Vthenifmain_colour=0,R=V,G=var3,B=var1ifmain_colour=1,R=var2,G=V,B=var1ifmain_colour=2,R=var1,G=V,B=var3ifmain_colour=3,R=var1,G=var2,B=Vifmain_colour=4,R=var3,G=var1,B=Vifmain_colour=5,R=V,G=var1,B=var2whereint(x)convertsxtoanintegervalue.

7.2計算機圖形顏色空間(2)HSV→RGB(FoleyandVanDam)算法描述

ifS=0andH=undefined,R=G=B=VifH=360,H=0H=H/60i=floor(H)f=H-Ip=V*(1-S)q=V*(1-(S*f))t=V*(1-(S*(1-f)))ifi=0,R=v,G=t,B=pifi=1,R=q,G=v,B=pifi=2,R=p,G=v,B=tifi=3,R=p,G=q,B=vifi=4,R=t,G=p,B=vifi=5,R=v,G=p,B=q

whereflooristheCfloorfunction.7.2計算機圖形顏色空間三、HSL/HSB和RGB

HSL(hue,saturationandlightness)/HSB(hue,saturationandbrightness)顏色空間用于定義臺式機圖形程序中的顏色，而且它們都是利用三條軸定義顏色。7.2計算機圖形顏色空間1.RGB→HSL的算法描述2.HSL→RGB的算法描述

四、HSI和RGB

HSI(Hue,SaturationandIntensity)顏色空間也是一種直觀的顏色模型。色調(diào)H用角度表示，例如紅橙黃綠青藍紫等色調(diào)，角度從0o(紅)→120o(綠)→240o(藍)→360o(紅)；顏色的純度即飽和度分成低(0%-20%)中(40%-60%)和高(80%-100%)，低飽和度產(chǎn)生灰色而不管色調(diào)，中飽和度產(chǎn)生柔和的色調(diào)(pastel)，高飽和度產(chǎn)生鮮艷的顏色(vividcolor)；強度是顏色的明度，取值范圍從0%(黑)～100%(最亮)。7.2計算機圖形顏色空間RGB→HSI(GonzalezandWoods)算法描述I=1/3(R+G+B)S=1-(3/(R+G+B))*a

//其中的a＝min(R,G,B)H=cos^(-1)((0.5*((R-G)+(R-B)))/((R-G)^2+(R-B)*(G-B))^(0.5))IfS=0,H=0 //表示H無意義If(B/I)>(G/I)thenH=360–H //H用角度表示，并用

H=H/360進行標稱化處理

7.2計算機圖形顏色空間7.2計算機圖形顏色空間2.HSI→RGB算法描述首先用H=360*H把H換算成用角度表示。

If0<H<=120then

B=1/3(1-S)R=1/3(1+((ScosH)/(cos(60-H))))G=1-(B+R)

If120<H<=240thenH=H–120R=1/3(1-S)G=1/3(1+((ScosH)/(cos(60-H))))B=1-(R+G)If240<H<=360thenH=H–240G=1/3(1-S)B=1/3(1+((ScosH)/(cos(60-H))))R=1-(G+B)7.3設(shè)備無關(guān)的顏色空間一、CIEXYZ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。

其中，是參考白光的三色刺激值，而

7.3設(shè)備無關(guān)的顏色空間2.CIEL*a*b*→CIEXYZ對于Y/Yn>0.008856，其中，

7.3設(shè)備無關(guān)的顏色空間二、CIEXYZ和CIELUV

CIE1976L*u*v*(CIELUV)是直接從CIEXYZ空間導出的顏色空間。CIEXYZ→CIELUV其中7.3設(shè)備無關(guān)的顏色空間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，

7.3設(shè)備無關(guān)的顏色空間三、CIEXYZ和RGB，BT.601，BT.709

RGB和CIExyY

對于紅色

對于綠色

對于藍色

可求得，因此有：xn,yn,zn為白色坐標，由7.3設(shè)備無關(guān)的顏色空間2.BT.601和CIExyY國際電信聯(lián)盟(InternationalTelecommunicationUnion，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。白色在CIExyY色度圖中的坐標是：因此

7.3設(shè)備無關(guān)的顏色空間

紅、綠和藍的坐標分別是代入前一小節(jié)的式子中求得：

7.3設(shè)備無關(guān)的顏色空間我們可得到BT.601在光源C下由RGB到CIExyY空間的變換關(guān)系：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(guān)系，

7.3設(shè)備無關(guān)的顏色空間3.BT.709和CIExyYBT.709使用的標準光源是D65,它的坐標及紅、綠和藍的色度坐標如表所示：rgbwxyz

0.6400.3000.1500.31270.3300.6000.0600.32900.0300.1000.7900.35827.3設(shè)備無關(guān)的顏色空間根據(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:

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(guān)系，

7.3設(shè)備無關(guān)的顏色空間最近幾年，ITU-R介紹了新的推薦標準，對RGB顏色空間中綠色坐標作了變動，但標準白光電仍然是D65,因此可以得到相應的轉(zhuǎn)換關(guān)系。7.4電視系統(tǒng)顏色空間

一、電視系統(tǒng)的顏色空間

為了更有效地壓縮圖像的數(shù)據(jù)量以充分利用傳輸通道的帶寬或者節(jié)省存儲空間，人們開發(fā)了許多顏色空間。例如，模擬NTSC彩色電視制式采用的YIQ顏色空間，PAL和SECAM彩色電視制式采用的YUV顏色空間，數(shù)字電視系統(tǒng)則采用的YCrCb或者Y‘PbPr顏色空間。

因此在發(fā)送信號前，要把RGB顏色空間表示的電視圖像轉(zhuǎn)換成用其他顏色空間表示的圖像。而在顯示每個像素之前必須把其他顏色模型中的顏色分量值轉(zhuǎn)換成RGB模型中的R，G和B分量。

7.4電視系統(tǒng)顏色空間電視系統(tǒng)的顏色空間

7.4電視系統(tǒng)顏色空間二、EuropeanY'U'V'

歐洲彩色電視(PAL和SECAM)制使用這種顏色空間。Y’的帶寬在歐洲是5MHz，而在英國是5.5MHz。在亮度和色差分離的電視系統(tǒng)中，U’和V’信號分量有相同的帶寬，它們的帶寬可以高達2.5MHz。

Y'U'V'顏色空間采用的光源標準是“光源D”(illuminantsD)，叫做D65。

紅、綠和藍的坐標分別是：紅：

綠：

藍：

7.4電視系統(tǒng)顏色空間7.4電視系統(tǒng)顏色空間1.EBURGB和CIEXYZRGB和CIEXYZ顏色空間之間線性信號的轉(zhuǎn)換關(guān)系:7.4電視系統(tǒng)顏色空間在Y’U’V’顏色空間中，亮度方程為：

Y’＝0．299R’十0．587G’十0．114B’兩個色差信號U‘和V’分別為：R‘G’B‘和Y’U‘V’顏色空間之間非線性信號的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

7.4電視系統(tǒng)顏色空間3.BT.709RGB和EBURGB之間的關(guān)系7.4電視系統(tǒng)顏色空間三、AmericanY'I'Q'

Y’I’Q’顏色空間用在北美的模擬NTSC彩色電視系統(tǒng)中。這個顏色空間中的I’和Q’分量信號與Y’U’V’顏色空間中的U‘和V’分量信號有如下關(guān)系：Y'信號的帶寬為4.2MHz，而I'和Q'信號均為1MHz。7.4電視系統(tǒng)顏色空間1.NTSCRGB和CIEXYZ7.4電視系統(tǒng)顏色空間2.NTSCR'G'B'和NTSCY'I'Q'色差信號：轉(zhuǎn)換方程7.4電視系統(tǒng)顏色空間

3.EBUY'U'V'和NTSCY'I'Q'根據(jù)兩個色差方程可推得7.4電視系統(tǒng)顏色空間4.NTSCRGB和EBURGB7.4電視系統(tǒng)顏色空間5.NTSCRGB和BT.7097.4電視系統(tǒng)顏色空間四、SMPTE-CRGB

影視工程師協(xié)會(SocietyofMotionPictureandTelevisionEngineers，SMPTE)是電影和電視工程師的一種專業(yè)協(xié)會。SMPTE-C是美洲當前使用的廣播電視顏色標準。

使用的光源標準是D65。7.4電視系統(tǒng)顏色空間1.SMPTE-CRGB和CIEXYZ

7.4電視系統(tǒng)顏色空間2.SMPTE-CR'G'B'和SMPTE-CY'I'Q'7.4電視系統(tǒng)顏色空間3.SMPTE-CY'I'Q'和EBUY'U'V'7.4電視系統(tǒng)顏色空間4.SMPTE-CRGB和EBURGB7.4電視系統(tǒng)顏色空間5.SMPTE-CRGB和BT.709RGB7.4電視系統(tǒng)顏色空間五、ITU-RBT.601Y'CbCr

ITU-RBT.601是一個國際性的標準清晰度電視(standarddefinitiontelevision，SDTV)圖像數(shù)字化標準，用于對525條掃描線和625條掃描線的電視圖像進行數(shù)字編碼。

Y'CbCr顏色空間是ITU--RBT-601的一部分，是YUV顏色空間派生的一種顏色空間。

7.4電視系統(tǒng)顏色空間而在BT.601標準中，用4:2:2的采用格式并且用8位二進制數(shù)表示各個分量的數(shù)值時，非線性亮度分量Y':[0,15]作為偏移量，[236,255]保留，信號的取值范圍為[16,235]。16表示黑電平信號值，235表示白電平信號值。非線性色差Cb和Cr：數(shù)值范圍為[16,240]，使用128的偏移量時的取值范圍為[-112，112]。7.4電視系統(tǒng)顏色空間7.4電視系統(tǒng)顏色空間1.BT.601Y'CbCr和R'G'B'[0,1]Y'的數(shù)值范圍為[16,235]，Cb和Cr的數(shù)值范圍為[-112，112]，R',G'和B'的數(shù)值范圍為[0,1]。

7.4電視系統(tǒng)顏色空間2.BT.601Y'CbCr和R'G'B'[0,255]7.4電視系統(tǒng)顏色空間3.Y'CbCr和R'G'B'[0,219]用8位二進制數(shù)表示BT.601Y‘CbCr和8位二進制數(shù)R’G‘B’的轉(zhuǎn)換關(guān)系時，R‘G’B‘顏色空間使用相同數(shù)值范圍[0,219]的分量信號。

7.4電視系統(tǒng)顏色空間六、ITU-RBT.709Y'CbCr

ITU-RBT.709Y'CbCr顏色空間是1988年國際無線電咨詢委員會(CCIR)制定的一個中間標準，用于高清晰度電視(HDTV)演播室的電視制作。它的基色是EBU的R和B，而G是