1、多媒体技术基础(第3版)第6章 颜色空间变换,张奇复旦大学 计算机科学技术学院 2010年4月,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,2/43,第6章 颜色空间变换目录,6.1 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6.2.1 RGB, CMY和CMYK6.2.2 HSV和RGB6.2.3 HSL/HSB和RGB6.2.4 HSI和RGB6.3 设备无关的颜色空间6.3.1 CIE XYZ和CIELAB6.3.2 CIE XYZ和CIELUV6.3.3 CIE XYZ和RGB，BT.601，BT.7
2、09,6.4 电视系统颜色空间6.4.1 电视系统的颜色空间6.4.2 European YUV6.4.3 American YIQ6.4.4 SMPTE-C RGB6.4.5 ITU-R BT.601 YCbCr6.4.6 ITU-R BT.709 YCbCr6.4.7 SMPTE-240M YPbPr6.4.8 Kodak PhotoYCC颜色空间,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,3/43,6.1 该用什么颜色空间,6.1.1 颜色空间的分类问题从颜色感知的角度可考虑分成如下3类混合(mixture)型颜色空间：按三种基色的比例合成颜色，如RGB，CMY(K)和XYZ非线性亮度
3、/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LCh,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,4/43,6.1 该用什么颜色空间(续1),从技术角度可考虑分成如下3类RGB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
4、, HSL和HSV。在显示技术和印刷技术中，常被称为颜色模型(color mode) XYZ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CIE 1931 XYZ，L*a*b，L*u*v和LCh等YUV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-R BT.601 YCbCr, ITU-R BT.709 YCbCr和SMPTE-240M YPbPr。主要目的是通过
5、压缩色度信息以有效地播送彩色电视图像,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,5/43,6.1 该用什么颜色空间(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。,表6-1 颜色空间的分类,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,6/43,6.1 该用什么颜色空间(续3),6.1.2 颜色空间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颜色空间导出的因对视觉感知特性还不十分清楚，故对变换的计
6、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 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，CIE XYZ和CIE L*a*b*等 有些颜色空间之间不能直接变换，如，RGB和CIE La*b*, CIE XYZ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,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,7/43,6.1 该用什么颜色空间(续4),图6-1部分颜色空间的转换关系1,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,8/43,6.1 该用什么颜色空间(续5),6.1.3 颜色空间的选择
7、 RGB与CMY颜色空间RGB(red，green and blue) ：在图像显示系统中得到广泛应用CMY(cyan magenta yellow)：在印刷和打印系统中得到广泛应用CMYK(cyan magenta yellow black)中的黑色是为改善打印质量而增加的颜色分量RGB 和CMY(K)颜色空间都是与设备相关视觉对颜色的感知是非线性的颜色指定不直观,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,9/43,6.1 该用什么颜色空间(续6),计算机图形颜色空间计算机绘图用的颜色空间包括HSV(hue，saturation and value)HSL/HLS(hue，saturati
8、on and lightness)HSI(hue，saturation and intensity)HSB(hue，saturation and brightness)HCI(hue，chroma/colourfulness，intensity)HVC (hue，value and chroma)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，特点指定颜色方式非常直观，很容易选择所需要的色调把亮度从颜色信息中分离出来,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,10/43,6.1 该用什么颜色空间(续7),电视系统的颜色空间电视系统的颜色空间包括YUV：用在PAL和SECAM模拟
9、彩色电视制式中， Y表示亮度，U和V表示两个色差分量 YIQ：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YCbCr/YCb Cr ：用于数字电视, 在ITU-R BT.601和BT.709等推荐标准中有明确的定义YPbPr/YPbPr：用于高清晰度电视 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(television transmission color spaces)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
10、件也相当严格,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,11/43,6.2 计算机图形颜色空间,6.2.1 RGB, CMY和CMYKRGB：使用不同数量的红、绿和蓝三种基色相加产生颜色，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，yellow and black)为把RGB转换成印刷用的CMY时，最简单的方法是把RGB转换到CIE XYZ，然后再从CIE XYZ转换到CMY(K),RGB颜色空间,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,12/43,6.2 计算机图形颜色空间(
11、续1),6.2.2 HSV和RGBHSV(hue, saturation and value)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(hexcone model)，如图6-2所示HSV的表示方法色调：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240饱和度：取值范围为0.01.0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,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,13/43,6.2 计算机图形颜色空间(续2),图6-2 HSV颜色空间,2018年9月2
12、8日,第6章 颜色空间变换,14/43,6.2 计算机图形颜色空间(续3),6.2.3 HSL/HSB和RGB HSL/HSB (hue, saturation and lightness/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HSVHSL用光亮度(lightness)作坐标，HSV用亮度(luminance)作坐标HSL颜色饱和度最高时的光亮度L定义为0.5，而HSV则为1.0 RGB和HSL之间的转换关系见教材,图6-3 HSL颜色空间,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,15/43,6.2 计算机图形颜色空
13、间(续4),6.2.4 HSI和RGB HSI(Hue, Saturation and Intensity)的缩写色调(H)也称为色相，指颜色的外观色调H用角度表示如红橙黄绿青蓝紫，角度从(红)(绿)(蓝)(红)纯度(S)即饱和度，分成低(0%20%)，产生灰色而不管色调中(40%60%)，产生柔和的色调(pastel)高(80%100%)，产生鲜艳的颜色(vivid color)强度(I)是颜色的明度取值范围从0%(黑)100%(最亮)强度也指亮度(luminance)或光亮度(lightness),2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,16/43,6.3 设备无关的颜色空间,CIE
14、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都用正值匹配所有颜色CIELAB即1976 L*a*b*，直接从CIE XYZ导出的颜色空间，企图对色差的感知进行线性化 CIELUV 即CIE 1976 L*u*v*，直接从CIE XYZ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,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,17/43,6.3 设备无关的颜色空间(续1),6.3.1 CIE XYZ和CIELAB 1. CIE XYZCIE L*a*b*CIE 1976 L*a*b*是直接
15、从CIE XYZ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。CIE XYZ到CIE L*a*b*的转换关系为,其中,是参考白光的三色刺激值，而,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,18/43,6.3 设备无关的颜色空间(续2),2. CIE L*a*b*CIE XYZ对于Y/Yn 0.008856，从CIELAB到CIE XYZ空间的变换可用下式计算,其中，,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,19/43,6.3 设备无关的颜色空间(续3),6.3.2 CIE XYZ和CIELUVCIE 1976 L*u*v*(CIELUV)是直接从C
16、IE XYZ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,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,20/43,6.3 设备无关的颜色空间(续4),2. CIELUVCIE XYZ 从(u, v)到(x, y)的转换关系如下,从CIELUV到CIE XYZ的变换如下,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,21/43,6.3 设备无关的颜色空间(续5),6.3.3 CIE XYZ和RGB，BT.601，BT.7091. RGB和CIE xyY在RGB颜色空间变换到CIE xyY空间时，CIE
17、 xyY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,(6-4),2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,22/43,6.3 设备无关的颜色空间(续6),在CIE xyY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,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,23/43,6.3 设备无关的颜色空间(续7),2. BT.601和CIE xyY国际电信联盟(ITU)定义了几个推
18、荐标准，最流行的是ITU-R BT.601(前称CCIR 601-1)和ITU-R BT.709(前称CCIR 709)。BT.601-1是旧的NTSC制使用的标准，它使用CIE定义了一种叫做“光源C(illuminant C)”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380770 nm。白色在CIE xyY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：,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,24/43,6.3 设备无关的颜色空间(续8),根据这些数据可计算得到,最后，我们可得到B
19、T.601在光源C下由RGB到CIE xyY空间的变换关系,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,25/43,6.3 设备无关的颜色空间(续9),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CIE xyY到RGB空间的变换关系，,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,26/43,6.3 设备无关的颜色空间(续10),3. BT.709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
20、如表6-2所示,表6-2 基色和白光坐标,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,27/43,6.3 设备无关的颜色空间(续11),也就是,红：,绿：,蓝：,根据上面的数据可得到RGB空间到CIE xyY空间的转换关系,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,28/43,6.3 设备无关的颜色空间(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CIE xyY到RGB空间的变换关系,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,29/43,6.4 电视系统颜色空间,6.4.1 电视系统的颜色空间图6-4 表示电视系统用的颜色空间0.5表示摄像机的值，2.
21、5表示普通CRT的理论值在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Photo YCC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,2018年9月2
22、8日,第6章 颜色空间变换,30/43,6.4 电视系统颜色空间(续1),图6-4 电视系统的颜色空间2,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,31/43,6.4 电视系统颜色空间(续2),6.4.2 European YUVYUV 是European YUV 的简称。用于欧洲的模拟彩色电视(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,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,32/43,6.4 电视系统颜色空间(续3),6.4.3 American YIQ用于北美的模拟彩色电视系统(NTSC)，Y与感知亮度类似
23、，I和Q分量信号携带颜色信息和部分亮度信息NTSC RGB和NTSC YIQ 颜色空间之间非线性信号的转换关系,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,33/43,6.4 电视系统颜色空间(续4),6.4.4 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该协会是一个国际性的研究和标准化组织，在全世界有9 000多个成员SMPTE-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SMPTE-C RGB和SMPTE-C YIQ颜色空
24、间之间非线性信号的转换关系与NTSC RGB和NTSC YIQ之间的转换关系相同,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,34/43,6.4 电视系统颜色空间(续5),6.4.5 ITU-R BT.601 YCbCr简写为YCbCr 。由YUV派生的颜色空间，用于普通的数字电视Y的数值为16, 235 ，Cb和Cr的数值为16, 240BT.601 YCbCr和RGB 0, 1之间间的转换关系,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,35/43,6.4 电视系统颜色空间(续6),BT.601 YCbCr和RGB0, 255之间的转换关系,BT.601 YCbCr和RGB0, 219之间
25、的转换关系,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,36/43,6.4 电视系统颜色空间(续7),Y的取值范围为0, 1，Cb和Cr的取值为-0.5, 0.5,6.4.6 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.709 YCbCr和BT.709 RGB0,1之间非线性信号的转换关系,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,37/43,6.4 电视系统颜色空间(续8),YCbCr和RGB0, 255之间的转换关系,YCbCr和RGB0, 219之间的转换关系,2018年9月28日,第6章
26、 颜色空间变换,38/43,6.4 电视系统颜色空间(续9),BT.709 RGB和EBU RGB之间的转换关系,和,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,39/43,6.4 电视系统颜色空间(续10),YCbCr彩条,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,40/43,6.4 电视系统颜色空间(续11),6.4.7 SMPTE-240M YPbPrSMPTE-240M是1988制定的高清晰度电视标准YPbPr是从YUV派生的模拟信号的颜色空间表示法SMPTE-YPbPr和SMPTE-RGB之间的非线性信号关系,SMPTE-240M RGB和EBU RGB之间的转换关系为,2018年
27、9月28日,第6章 颜色空间变换,41/43,6.4 电视系统颜色空间(续12),SMPTE-240M RGB和BT.709 RGB之间的转换关系为,和,2018年9月28日,第6章 颜色空间变换,42/43,第6章 颜色空间变换参考文献和站点,Charles Poynton, Feb. 1995, A Guided Tour of Color Space, http:/ Charles Poynton, Frequently Asked Questions about Color, 1997, http:/Adrian Ford and Alan Roberts, Colour Space
28、Conversions, August 11, 1998(b), http:/ Ford and Alan Roberts, Colour Space Conversions, 1996, http:/www5.informatik.tu-muenchen.de/lehre/vorlesungen/graphik/info/csc/COL_.htmColor Space Conversions: www.f4.fhtw-berlin.de/barthel/ImageJ/ColorInspector/HTMLHelp/FarbRaeume.htmDavid Bourgins Color spaces FAQ，http:/www.scarse.org/docs/color_faq.htmlFoley, van Dam, Feiner, and Hughes, Computer Graphics, Principles and Practice, Addison Wesley, Second Edition, 1990.林福宗，陆达. 多媒体与CD-ROM. 北京：清华大学出版社，1995.3，p317328,END,第6章 颜色空间变换,
