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1、多媒体技术基础多媒体技术基础( (第第3 3版版) )第第6章章 颜色空间变换颜色空间变换 张奇张奇复旦大学复旦大学 计算机科学技术学院计算机科学技术学院 2010年年4月月2024年9月15日第6章 颜色空间变换2/43第第6章章 颜色空间变换目录颜色空间变换目录6.1 该用什么颜色空间该用什么颜色空间6.1.1颜色空间的分类问题6.1.2颜色空间的变换问题6.1.3颜色空间的选择6.2 计算机图形颜色空间计算机图形颜色空间6.2.1RGB,CMY和CMYK6.2.2HSV和RGB6.2.3HSL/HSB和RGB6.2.4HSI和RGB6.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间6.3.1C
2、IEXYZ和CIELAB6.3.2CIEXYZ和CIELUV6.3.3CIEXYZ和RGB，BT.601，BT.7096.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间6.4.1电视系统的颜色空间6.4.2EuropeanYUV6.4.3AmericanYIQ6.4.4SMPTE-CRGB6.4.5ITU-RBT.601YCbCr6.4.6ITU-RBT.709YCbCr6.4.7SMPTE-240MYPbPr6.4.8KodakPhotoYCC颜色空间2024年9月15日第6章 颜色空间变换3/436.1 该用什么颜色空间该用什么颜色空间n6.1.1 颜色空色空间的分的分类问题从颜色感知的角度可考虑分
3、成如下3类n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XYZn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n强度/饱和度/色调(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LCh2024年9月15日第6章 颜色空间变换4/436.1 该用什么颜色空间该用什么颜色空间(续续1)从
4、技术角度可考虑分成如下3类nRGB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(colormode)nXYZ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CIE1931XYZ，L*a*b，L*u*v和LCh等nYUV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-RB
5、T.601YCbCr,ITU-RBT.709YCbCr和SMPTE-240MYPbPr。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2024年9月15日第6章 颜色空间变换5/436.1 该用什么颜色空间该用什么颜色空间(续续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，也不是绝对的，但对颜色空间的认识多少会有些帮助。类型RGB型XYZ型YUV型混合型(mixture)RGBXYZ-非线性亮度/色度(luma/chroma)-L*a*b*L*u*v*YUVYIQ强度/饱和度/色调(intensity/saturation/hue)HSI,HSLHSVLCh
6、/CHL表6-1 颜色空间的分类 2024年9月15日第6章 颜色空间变换6/436.1 该用什么颜色空间该用什么颜色空间(续续3)n6.1.2 颜色空色空间的的变换问题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n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n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常见颜色空间之间的变换关系见图6-1，可见n有些颜色空间之间可以直接变换，如RGB和HSL，RGB和HSB，RGB和RGB,RGB和YCrCb，CIEXYZ和CIEL*a*b*等n有些颜色空间之间
7、不能直接变换，如，RGB和CIELa*b*,CIEXYZ和HSL，HSL和YCbCr等，它们之间的变换需要借助其他颜色空间进行过渡2024年9月15日第6章 颜色空间变换7/436.1 该用什么颜色空间该用什么颜色空间(续续4)图6-1部分颜色空间的转换关系12024年9月15日第6章 颜色空间变换8/436.1 该用什么颜色空间该用什么颜色空间(续续5)n6.1.3 颜色空色空间的的选择 RGB与CMY颜色空间nRGB(red，greenandblue)：在图像显示系统中得到广泛应用nCMY(cyanmagentayellow)：在印刷和打印系统中得到广泛应用uCMYK(cyanmagent
8、ayellowblack)中的黑色是为改善打印质量而增加的颜色分量nRGB和CMY(K)颜色空间u都是与设备相关u视觉对颜色的感知是非线性的u颜色指定不直观2024年9月15日第6章 颜色空间变换9/436.1 该用什么颜色空间该用什么颜色空间(续续6)计算机图形颜色空间n计算机绘图用的颜色空间包括uHSV(hue，saturationandvalue)uHSL/HLS(hue，saturationandlightness)uHSI(hue，saturationandintensity)uHSB(hue，saturationandbrightness)uHCI(hue，chroma/colou
9、rfulness，intensity)uHVC(hue，valueandchroma)n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u指定颜色方式非常直观，很容易选择所需要的色调u把亮度从颜色信息中分离出来2024年9月15日第6章 颜色空间变换10/436.1 该用什么颜色空间该用什么颜色空间(续续7)电视系统的颜色空间n电视系统的颜色空间包括uYUV：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uYIQ：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uYCbCr/YCbCr：用于数字电视,在ITU-RBT.601和B
10、T.709等推荐标准中有明确的定义uYPbPr/YPbPr：用于高清晰度电视un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(televisiontransmissioncolorspaces)n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，目的是为了更有效地压缩图像的数据量n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2024年9月15日第6章 颜色空间变换11/436.2 计算机图形颜色空间计算机图形颜色空间n6.2.1 RGB, CMY和和CMYKRGB：使用不同数量的红、绿和蓝三种基色相加产生颜色，
11、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，yellowandblack)为把RGB转换成印刷用的CMY时，最简单的方法是把RGB转换到CIEXYZ，然后再从CIEXYZ转换到CMY(K)RGB颜色空间2024年9月15日第6章 颜色空间变换12/436.2 计算机图形颜色空间计算机图形颜色空间(续续1)n6.2.2 HSV和和RGBHSV(hue,saturationandvalue)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(hexconemodel
12、)，如图6-2所示HSV的表示方法n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240n饱和度：取值范围为0.01.0n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2024年9月15日第6章 颜色空间变换13/436.2 计算机图形颜色空间计算机图形颜色空间(续续2)图6-2 HSV颜色空间 2024年9月15日第6章 颜色空间变换14/436.2 计算机图形颜色空间计算机图形颜色空间(续续3)n6.2.3 HSL/HSB和和RGB HSL/HSB(hue,saturationandlightne
13、ss/brightness)的缩写利用三条轴定义颜色，用六角形锥体表示，见图6-3用于计算机图形程序定义颜色HSL与HSVnHSL用光亮度(lightness)作坐标，HSV用亮度(luminance)作坐标nHSL颜色饱和度最高时的光亮度L定义为0.5，而HSV则为1.0RGB和HSL之间的转换关系见教材图6-3 HSL颜色空间 2024年9月15日第6章 颜色空间变换15/436.2 计算机图形颜色空间计算机图形颜色空间(续续4)n6.2.4 HSI和和RGB HSI(Hue,SaturationandIntensity)的缩写色调(H)也称为色相，指颜色的外观n色调H用角度表示n如红橙黄
14、绿青蓝紫，角度从(红)(绿)(蓝)(红)纯度(S)即饱和度，分成n低(0%20%)，产生灰色而不管色调n中(40%60%)，产生柔和的色调(pastel)n高(80%100%)，产生鲜艳的颜色(vividcolor)强度(I)是颜色的明度n取值范围从0%(黑)100%(最亮)n强度也指亮度(luminance)或光亮度(lightness)2024年9月15日第6章 颜色空间变换16/436.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间nCIE XYZ 国际照明委员会(CIE)定义的颜色空间。X、Y和Z为想象的三种相加基色根据视觉的数学模型和颜色匹配实验结果定义的颜色空间，规定X，Y和Z都用正值匹
15、配所有颜色nCIELAB即1976L*a*b*，直接从CIEXYZ导出的颜色空间，企图对色差的感知进行线性化nCIELUV 即CIE1976L*u*v*，直接从CIEXYZ空间导出的颜色空间，对色差感知进行线性化的另一种努力2024年9月15日第6章 颜色空间变换17/436.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间(续续1)n6.3.1 CIE XYZ和和CIELAB 1. CIE XYZCIE L*a*b*CIE1976L*a*b*是直接从CIEXYZ导出的颜色空间，企图对色差的感知进行线性化。颜色信息以白光点作参考，用下标“n”表示。CIEXYZ到CIEL*a*b*的转换关系为其中,是参
16、考白光的三色刺激值，而2024年9月15日第6章 颜色空间变换18/436.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间(续续2)2. CIE L*a*b*CIE XYZ对于Y/Yn0.008856，从CIELAB到CIEXYZ空间的变换可用下式计算其中，2024年9月15日第6章 颜色空间变换19/436.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间(续续3)n6.3.2 CIE XYZ和和CIELUVCIE1976L*u*v*(CIELUV)是直接从CIEXYZ空间导出的颜色空间，并且是对色差感知进行线性化的另一种努力1. CIE XYZCIELUV其中， 是与光源有关的值在 2观察者和C光源下2
17、024年9月15日第6章 颜色空间变换20/436.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间(续续4)2. CIELUVCIE XYZ从(u,v)到(x,y)的转换关系如下从CIELUV到CIEXYZ的变换如下2024年9月15日第6章 颜色空间变换21/436.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间(续续5)n6.3.3 CIE XYZ和和RGB，BT.601，BT.7091. RGB和和CIE xyY在RGB颜色空间变换到CIExyY空间时，CIExyY色度图中的红、绿和蓝的坐标定义为对于红色 对于绿色 对于蓝色 定义白光点n坐标时使R=G=B=1，于是其中，ar,ag和ab是比例系数(
18、6-4)2024年9月15日第6章 颜色空间变换22/436.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间(续续6)在CIExyY色度图中，Xn,Yn和Zn的坐标已定义为(xn,yn)，于是因此，式(6-4)就可变成 都是可提供的已知数，因此根据上面的矩阵式就可求得ar,ag和ab。由于2024年9月15日第6章 颜色空间变换23/436.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间(续续7)2. BT.601和和CIE xyY国际电信联盟(ITU)定义了几个推荐标准，最流行的是ITU-RBT.601(前称CCIR601-1)和ITU-RBT.709(前称CCIR709)。BT.601-1是旧的NTS
19、C制使用的标准，它使用CIE定义了一种叫做“光源C(illuminantC)”的标准光源，用钨丝光源并通过滤波来模拟普通日光，色温是6774K，波长范围是380770nm。白色在CIExyY色度图中的坐标是(xn,yn)=(0.310063,0.316158)，红、绿和蓝的坐标分别是红：绿：蓝：2024年9月15日第6章 颜色空间变换24/436.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间(续续8)根据这些数据可计算得到最后，我们可得到BT.601在光源C下由RGB到CIExyY空间的变换关系2024年9月15日第6章 颜色空间变换25/436.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间(续续9)
20、一般情况下精确到小数点后面3位，于是，对上面的变换式进行逆变换，可得到由CIExyY到RGB空间的变换关系，2024年9月15日第6章 颜色空间变换26/436.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间(续续10)3. BT.709和和CIE xyY另一个普遍使用的推荐标准是BT.709，它使用的标准光源是D65,下标表示相关的色温，65表示相关色温是6504K，它的坐标为(xn,yn)=(0.312713,0.329016)，红、绿和蓝的色度坐标如表6-2所示rgbwx0.6400.3000.1500.3127y0.3300.6000.0600.3290z0.0300.1000.7900.3
21、582表6-2 基色和白光坐标2024年9月15日第6章 颜色空间变换27/436.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间(续续11)也就是红：绿：蓝：根据上面的数据可得到RGB空间到CIExyY空间的转换关系2024年9月15日第6章 颜色空间变换28/436.3 设备无关的颜色空间设备无关的颜色空间(续续12)一般情况下精确到小数点后面3位，于是对上面的变换式进行逆变换，可得到由CIExyY到RGB空间的变换关系2024年9月15日第6章 颜色空间变换29/436.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间n6.4.1 电视系系统的的颜色空色空间图6-4表示电视系统用的颜色空间n0.5表示摄像
22、机的值，2.5表示普通CRT的理论值n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PhotoYCC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202
23、4年9月15日第6章 颜色空间变换30/436.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续1)图6-4 电视系统的颜色空间2 2024年9月15日第6章 颜色空间变换31/436.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续2)n6.4.2 European YUVYUV是EuropeanYUV的简称。用于欧洲的模模拟彩色电视(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2024年9月15日第6章 颜色空间变换32/436.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续3)n6.4.3 American YIQ用于北美的模模拟彩色
24、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NTSCRGB和NTSCYIQ颜色空间之间非线性信号的转换关系2024年9月15日第6章 颜色空间变换33/436.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续4)n6.4.4 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n该协会是一个国际性的研究和标准化组织，在全世界有9000多个成员nSMPTE-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制定的颜色标准靠拢。但在其他方面，SMPTE-C与NTSC相同SMPT
25、E-CRGB和SMPTE-CYIQ颜色空间之间非线性信号的转换关系与NTSCRGB和NTSCYIQ之间的转换关系相同2024年9月15日第6章 颜色空间变换34/436.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续5)n6.4.5 ITU-R BT.601 YCbCr简写为YCbCr。由YUV派生的颜色空间，用于普通的数字数字电视Y的数值为16,235，Cb和Cr的数值为16,240BT.601YCbCr和RGB0,1之间间的转换关系2024年9月15日第6章 颜色空间变换35/436.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续6)BT.601YCbCr和RGB0,255之间的转换关系BT.60
26、1YCbCr和RGB0,219之间的转换关系2024年9月15日第6章 颜色空间变换36/436.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续7)Y的取值范围为0,1，Cb和Cr的取值为-0.5,0.5n6.4.6 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.709YCbCr和BT.709RGB0,1之间非线性信号的转换关系2024年9月15日第6章 颜色空间变换37/436.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续8)YCbCr和RGB0,255之间的转换关系YCbCr和RGB0,219之间的转
27、换关系2024年9月15日第6章 颜色空间变换38/436.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续9)BT.709RGB和EBURGB之间的转换关系和2024年9月15日第6章 颜色空间变换39/436.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续10)nYCbCr彩条彩条数值范围白黄青绿品红红蓝黑SDTVY16 23518016213111284653516Cb16 2401284415672184100212128Cr16 2401281424458198212114128HDTVY16 23518016814513363512816Cb16 2401284414763193109212
28、128Cr16 24012813644522042121201282024年9月15日第6章 颜色空间变换40/436.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续11)n6.4.7 SMPTE-240M YPbPrSMPTE-240M是1988制定的高清晰度电视标准nYPbPr是从YUV派生的模拟信号的颜色空间表示法nSMPTE-YPbPr和SMPTE-RGB之间的非线性信号关系SMPTE-240MRGB和EBURGB之间的转换关系为2024年9月15日第6章 颜色空间变换41/436.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续12)SMPTE-240MRGB和BT.709RGB之间的转换关系
29、为和 2024年9月15日第6章 颜色空间变换42/43第第6章章 颜色空间变换参考文献和站点颜色空间变换参考文献和站点1.CharlesPoynton,Feb.1995,A Guided Tour of Color Space,http:/ Asked Questions about Color,1997,http:/3.AdrianFordandAlanRoberts,Colour Space Conversions,August11,1998(b),http:/ Space Conversions,1996,http:/www5.informatik.tu-muenchen.de/leh
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