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10月10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CMYK 6.2.2 HSV和RGB 6.2.3 HSL/HSB和RGB 6.2.4 HSI和RGB 6.3 设备无关的颜色空间 6.3.1 CIE XYZ和CIELAB 6.3.2 CIE XYZ和CIELUV 6.3.3 CIE XYZ
2、和RGB，BT.601，BT.709,6.4 电视系统颜色空间 6.4.1 电视系统的颜色空间 6.4.2 European YUV 6.4.3 American YIQ 6.4.4 SMPTE-C RGB 6.4.5 ITU-R BT.601 YCbCr 6.4.6 ITU-R BT.709 YCbCr 6.4.7 SMPTE-240M YPbPr 6.4.8 Kodak PhotoYCC颜色空间,2018年10月10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
3、比例合成颜色，如RGB，CMY(K)和XYZ 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 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10月10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
4、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(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
5、 YCbCr和SMPTE-240M YPbPr。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,2018年10月10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10月10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
6、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10月10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10月10日,第6章 颜色
7、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 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10月10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
8、 HSV(hue，saturation and value) HSL/HLS(hue，saturation 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10月10日,第6章 颜色空间变换,1
9、0/43,6.1 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
10、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件也相当严格,2018年10月10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CMYK RGB：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
11、CIE XYZ转换到CMY(K),RGB颜色空间,2018年10月10日,第6章 颜色空间变换,12/43,6.2 计算机图形颜色空间(续1),6.2.2 HSV和RGB HSV(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
12、算法进行描述,2018年10月10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10月10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HSV HSL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，
13、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10月10日,第6章 颜色空间变换,15/43,6.2 计算机图形颜色空间(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
14、%(黑)100%(最亮) 强度也指亮度(luminance)或光亮度(lightness),2018年10月10日,第6章 颜色空间变换,16/43,6.3 设备无关的颜色空间,CIE 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10月1
15、0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10月10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
16、算,其中，,2018年10月10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CIELUV CIE 1976 L*u*v*(CIELUV)是直接从CIE 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10月10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10月10日,第6
17、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.709 1. RGB和CIE xyY 在RGB颜色空间变换到CIE xyY空间时，CIE 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10月10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
18、根据上面的矩阵式就可求得ar, ag和ab。,由于,2018年10月10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
19、.310063, 0.316158) ，红、绿和蓝的坐标分别是,红：,绿：,蓝：,2018年10月10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BT.601在光源C下由RGB到CIE xyY空间的变换关系,2018年10月10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10月10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
20、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,表6-2 基色和白光坐标,2018年10月10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10月10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
21、行逆变换，可得到由CIE xyY到RGB空间的变换关系,2018年10月10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，2.5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Phot
22、o 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10月10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10月10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 YUV YUV 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
23、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10月10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，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10月10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
24、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10月10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1
25、6, 240 BT.601 YCbCr和RGB 0, 1之间间的转换关系,2018年10月10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之间的转换关系,2018年10月10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.7
26、09 YCbCr和BT.709 RGB0,1之间非线性信号的转换关系,2018年10月10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10月10日,第6章 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10月10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10月10日,第6章 颜色空间变换,40/43,6.4 电视系统颜色空间(续1
27、1),6.4.7 SMPTE-240M YPbPr SMPTE-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10月10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10月10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,
28、A Guided Tour of Color Space, http:/ Charles Poynton, Frequently Asked Questions about Color, 1997, http:/ Adrian Ford and Alan Roberts, Colour Space Conversions, August 11, 1998(b), http:/ Adrian Ford and Alan Roberts, Colour Space Conversions, 1996, http:/www5.informatik.tu-muenchen.de/lehre/vorle
29、sungen/graphik/info/csc/COL_.htm Color Space Conversions: www.f4.fhtw-berlin.de/barthel/ImageJ/ColorInspector/HTMLHelp/FarbRaeume.htm David Bourgins Color spaces FAQ，http:/www.scarse.org/docs/color_faq.html Foley, 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,
