颜色空间变换

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1、第 7 章颜色空间变换7.1 彩色色度学模型7.1.1 颜色的三刺激理论7.1.2 CIERGB 彩色模型7.1.3 XYZ 彩色模型7.1.4 均匀色差彩色模型L*U*V*和 L*a*b*87.2 工业彩色模型7.2.1 RGB 彩色显示模型7.2.2 CMYK 彩色印制模型7.2.3 彩色传输模型（YUV YIQ YcrCb）7.3 视觉彩色模型 7.3.1 HVC 彩色视觉型（孟赛尔）7.3.2 HSB 彩色视觉模型（Photoshop）7.3.3 HLS 彩色视觉模型（画图）7.3.4 HSI 彩色视觉模型（图像分割）7.3.5 HSY 彩色视觉模型（电视）7.3.6 各种彩色视觉模型

2、的比较第第 7 章章 彩色空间变换彩色空间变换第 页 共 45 页 1 本节的教学内容：本节要做的不是讲解一个成熟的知识体系，而是提出一个待解决的问题。学习并理解彩色模型的转换方法，例如 HIS。了解彩色模型的多样性和复杂性，例如非线性。使用彩色模型时可能遇到的困难，例如奇异点。2 本节的教学效果：在多媒体技术应用、机器视觉、数字图象处理、计算机图形学、模式识别 领域彩色模型是一个重要的研究内容。理解 Photoshop（HSB）与 Windows 画图（HSL）中输出不同的数据是因 为它们使用了不同的彩色模型。3 本节的教学要求：RGB 是所有电子设备使用的彩色模型，是转换为其它模型的基础。

3、掌握在数字图象处理领域常用模型 HIS 和计算机图形学领域常用模型 HSV 模型与 RGB 的转换方法。问问题题的的提提出出 ：1.在多媒体和数字图象处理领域有多少种彩色模型？常用的是那些？哪个具体领域应该使用哪一种彩色模型？2.各种文献包括计算机科学领域的顶级学术刊物“计算机学报 ”中的各位专家都说自己使用的彩色模型是最佳的，可是现实中又有那么多矛盾和不合理的现象，为什么专家容许彩色模型如此混乱。3.在实际的科研中遇到图象分割问题，经常无所适从，不知应使用哪一种彩色模型。凑合着使用哪一种都能工作，深入研究没有人去做。4.寻找适合某个研究的彩色模型的过程中发现了奇异点问题。无数专家提到它，遇到

4、问题时却回避它，没有见到有人专题研究。（章毓晋 HSI，潘云鹤 HSL，方明如 HIS，石俊生 HSV。 ）5.许多专家回避的原因可能是分割目标较大，即使遇到奇异点也不会发生大的问题，而我们项目中处理的是细线，稍有差错就造成严重错误。6.探索的过程中还发现了Photoshop 的 HSB 和“画图 ”的HSL（？）中存在许多与彩色理论相矛盾的地方。未未解解决决的的问问题题：第第 7 章章 彩色空间变换彩色空间变换第 页 共 45 页 1.Photoshop 的 HSB 与“画图”的 HSL 中的亮度存在非线形问题，如果用于图象分割可能产生严重错误。2.“画图”的 HSL 中的饱和度存在问题，如

5、果用于图象分割可能产生严重错误。3.不是从字面而是从定义考察，Photoshop 使用的是 HSB 吗？4.不是从字面而是从定义考察， “画图” 使用的是 HSL 吗？5.林福宗（清华，多媒体）说HSB 与 HSL（双锥）相同。 P118。倪明田（北大，图形学）说HSB 与 HSI（单锥）相同。 P278。哪个正确？目目标标：1.对于挑出 Photoshop 的毛病并不感兴趣，更大的可能性是我们理解不够，重要的是在研究中应该任何处理。Photoshop 仅仅提供一个可以方便地实验的平台。2.对 HIS，HSV，HSB，HSL，Ohta 有一个清醒的认识，知道如何去很好地利用。3.揭示各种模型的

6、奇异点的特点，在使用中避免错误。4.为图象处理和计算机视觉领域的同人贡献一点儿力量。第第 7 章章 彩色空间变换彩色空间变换第 页 共 45 页 （林 P110）最近 100 多年来，为了满足不同用途的需要，人们开发了许多不同名称的颜色空间， “可以说表示颜色空间的数目是无穷的”，但是，现有的颜色空间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或反光物体的特性。人们还在继续开发各种新的颜色空间。不同的颜色空间有着不同的特性，使用在不同的领域。因此在实际中需要进行不同颜色空间的转换。不同颜色空间的转换可以是直接转换，也可以通过与设备无关的颜色空间进行转换。这时就会遇到选择颜色

7、空间和转换方法的问题。7.1 该用什么颜色空间7.1.1 颜色空间的分类为了使用颜色空间，首先应该了解各种颜色空间的特性。颜色空间的分类有多种方法。1按使用类别分类有 （崔屹） ：彩彩色色色色度度学学模模型型 ：CIE-RGB（见图 6-10）、CIE-XYZ（见图 6-11）、 均匀色差彩色模型CIE 1976L*u*v*（见图 6-21）和 CIE L*a*b*（见图 6-22）工工业业彩彩色色模模型型 ：RGB 彩色显示模型、CMYK 彩色 印制模型、彩色传输模型YUV（PAL） 、YIQ（NTSC） 、YCrCb（数字高清晰度电视）视视觉觉彩彩色色模模型型 ：HVC 彩色视觉型（孟赛尔

8、） 、HSB 彩色视觉模型（Photoshop） 、HLS 彩色视觉模型（ Windows 画图和 Apple Color Picker） 、HSI 彩色视觉模型（图像分割）、 HSY 彩色视觉模型（电视）、 I1I2I3 （图像分割）等。2按颜色感知分类有（ 林福宗 ）混混合合颜颜色色模模型型： 按 3 种基色的比例混合而成的颜色。RGB、CMYK、XYZ 等非非线线形形亮亮度度 /色色度度颜颜色色模模型型： 用一个分量表示非色彩的感知，用两个分量表示色彩的感知，这两个分量都是色差属性。L*a*b、L*u*v、YUV、YIQ 等。强强度度/饱饱和和度度 /色色调调模模型型： 用强度描述亮度或

9、灰度等光强的感知，用饱和度和色调描述色彩的感知，这两个分量接近人眼对颜色的感觉。如第第 7 章章 彩色空间变换彩色空间变换第 页 共 45 页 HIS、HSL、HSV、LCH 等，3按技术分类有（ 林福宗 ）计计算算机机图图形形彩彩色色模模型型： RGB、HIS、HSL、HSV、HSB、HVC（略）。CIE 彩彩色色模模型型： 国际标准，基本度量方法（略）电电视视系系统统彩彩色色模模型型： 广播电视（略）第第 7 章章 彩色空间变换彩色空间变换第 页 共 45 页 7.1.3 什么颜色空间适合我林富宗老师没有回答这个问题。下面是葛老师总结的一个表格，供参考。各 种 模 型 分 类作者书名HIS

10、HSVHSBHSLHVCOhta 章毓晋图象处理和分析p19 章毓晋图象分割p117p118p117 章毓晋基于内容的视觉信息检 索方明如计算机图象处理及其在 农业工程中的应用p107p108p108Kenneth数字图象处理新版p459 阮秋琦数字图象处理学p217 林福宗多媒体技术基础p119p115 HSB 与 HSL 相 同p118p118HV C是蒙 塞尔 p113 钟玉琢多媒体技术（高级） 霍宏涛数字图象处理柱、 六角、 三角、 球 李在铭数字图象处理压缩与识 别技术倪明田计算机图形学p278HSB 与 HSV 相同 P278 孙家广计算机图形学（新版）p492p494 Donol

11、d 计算机图形学p433p437 Photosho p商业软件林福 宗 p112 Wthdow s 画图商业软件？Apple商业软件林福 宗 p112 学术论 文图象分割类311小结： 图象处理 使用 HIS 较多， 图形学 使用 HSV 较多。图象分割使用 HSV 较多， Ohta 较新。第第 7 章章 彩色空间变换彩色空间变换第 页 共 45 页 为了更有效的处理彩色图像，我们必须定量的描述图像的彩色信息，建立彩色模型。彩色图像是由各象素点的彩色决定的，像素点的可能彩色样本形成一个可能彩色集也称彩色空间。人眼对彩色的观察和处理是一种生理和心理过程，现在还没有完全搞清楚其原理，各种彩色模型的

12、提出均是建立在实验的基础上。根据各彩色模型的特点和应用范围，可将彩色模型大致分为三类：彩色色度学模型 、工业彩色模型 和视觉彩色模型 。1. 彩彩色色色色度度学学模模型型1.1 颜颜色色的的三三刺刺激激理理论论 ：纯的单色光在实际生活中是少见的。人们所见到的颜色都是混合色。关于混合的三刺激理论基于下述假设：在眼睛的中央部位有三种类型的对色彩敏感的锥状细胞。其中一种类型的锥状细胞对位于可见光谱中间位置的光波敏感，这种光波经过人的眼-脑视觉系统转换产生绿色感。其它两种锥状细胞对位于可见光谱的上、下端，即较长和较短波长的光波敏感，他们分别识别红色和蓝色。人眼对绿色光最敏感，而对蓝色光最不敏感。若这三

13、种锥状细胞都感受到相同水平的辐射（单位时间内的能量） ，则眼睛看到的是白光。6然而，从生理学角度看，由于眼睛仅包含三种不同类型的锥状细胞，因而对任意三种颜色适当的颜色均可产生白光视觉， 条件是这三种颜色中任意两种的组合都不能生成第三种颜色。这三种颜色成为 三原色 ，也叫 三基色 。Grassman 对于彩色进行了长期的定量测量之后，提出了著名的三色调配公理7，摘要其中部分内容如下：(1) 任一种彩色可又不多于3 种色光的混合度调配而成。(2) 由诸色光生成的混合 ，其分量不能被人眼辨认。(3) 彩色混合物的亮度是其各分量的亮度和。第第 7 章章 彩色空间变换彩色空间变换第 页 共 45 页 1

14、.2 CIERGB 彩色模型彩色模型1931 年，国际照明委员会（ CIE）制定了第一个彩色色度学模型CIERGB 模型。 CIERGB 模型是在三原色学说下建立起来的颜色模型，它把与三种锥状细胞对应的红色、绿色、蓝色作为三种基色，通过改变三原色的数量，混合出其它各种颜色。其中R=700nm (红光波长)，G=546.1 nm (绿光波长 )，B=435.8 nm (蓝光波长 )。CIERGB 彩色匹配模型如图1 所示。1.3 XYZ 彩色模型彩色模型CIERGB 彩色模型并不能产生所有颜色。从图中可以看出，在某些情况下，颜色还会出现负值，这是实际系统无法实现的。为了克服这一缺点， CIE 于

15、 1956 年提出了 XYZ 彩色模型。 CIEXYZ 颜色空间包含了人类能够发觉的所有颜色。其中三刺激值X、Y、Z 是为消除色度坐标中负值而设计的，并不代表真实的物理彩色。它与 CIERGB 彩色模型的转换公式如下 ： X 0.490 0.310 0.200 R Y = 0.177 0.813 0.011 * G Z 0.000 0.010 0.990 B 对于标准白光，有X=Y=Z=1,其彩色匹配图如图2 所示：第第 7 章章 彩色空间变换彩色空间变换第 页 共 45 页 现定义 CIE 三刺激值的色度坐标x ,y ,z 分别为：x= X / (X+Y+Z) y= Y/ (X+Y+Z) z= Z / (X+Y+Z)则总有 x+y+z=1。这样，就可以考察x ,y ,z 总量一定的情况下，各分量对彩色效果的作用。显然，在x ,y ,z 三个变量，其中某个变量可以用另外两个变量来表示，即只需其中任意两个变量就可以表示该彩色。x ,y ,z 三个变量任选两个变量组成直角坐标系，可在二维坐标系中表示任意色彩，相应的坐标系称为色度坐标系，x ,y ,z 成为色度坐标。在色度坐标系中形成的三角形色度图包括了整个可见光谱轨迹。CIE 委员会最后对 XYZ 三角形位置进行调整，使得当三个设想原色XYZ 取相等值时所生成的颜色为白色。下图是对所有可能彩色进行处理得到以色光波长为