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1、多媒体技术教程多媒体技术教程第第6章章 颜色空间变换颜色空间变换 林福宗林福宗清华大学清华大学 计算机科学与技术系计算机科学与技术系2008年年9月月10/28/20221第第6章章 颜色空间变换颜色空间变换第第6章章 颜色空间变换颜色空间变换前言前言颜色科学简史颜色科学简史6.1 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语6.1.1什么是颜色6.1.2色调6.1.3饱和度6.1.4亮度6.1.5颜色空间6.2 该用什么颜色空间该用什么颜色空间6.2.1颜色空间的分类问题6.2.2颜色空间的选择6.3 计算机图形颜色空间计算机图形颜色空间6.3.1RGB,CMY和CMYK6.3.2HSV6.3.3H
2、SL/HSB6.3.4HSI和RGB6.4 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-240MYPbPr练习与思考题练习与思考题参考文献和站点参考文献和站点10/28/20222前言前言最近一百多年来，为满足各种不同用途的需求，人们已经开发了许多不同名称的颜色空间，尽管几乎所有的颜色空间都是从RGB颜色空间导出的，但随着科学和技术的进步，人们还在继续开发形形色色的颜色空间表示颜色
3、的颜色空间的数目是无穷的，现有的颜色空间也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和光反射物体的特性本章选择了几种使用比较普通且与多媒体技术密切相关的颜色空间，介绍它们之间的转换关系，详细推导过程请看2008年清华大学出版社出版的多媒体技术基础(第3版)10/28/20223颜色科学简史颜色科学简史nIsaac Newton(1642-1727)的色园的色园1666年开始研究颜色，把红色和紫色首尾相接形成色圆/色轮(colorcircle/wheel)。也称牛顿色圆(Newtoncolorcircle)，见图5-1度量颜色的一种方法，圆周表示色调，圆的半径表示饱和度为揭
4、示红(R)、绿(G)和蓝(B)相加混色奠定了基础，其互补色是C，M，Y牛顿还揭示了一个重要的事实：白光包含所有可见光谱的波长，并用棱镜演示了这个事实图5-1 牛顿色圆 10/28/20224颜色科学简史颜色科学简史(续续1)nThomas Young(17731829)的假设的假设在1802年，认为人的眼睛有三种不同类型的颜色感知接收器，大体上相当于红、绿和蓝三种基色的接收器nJames Clerk Maxwell(18311879)的色度学的色度学19世纪60年代，探索了三种基色的关系n认为三种基色相加产生的色调不能覆盖整个感知色调的色域，而使用相减混色产生的色调却可以n认为彩色表面的色调和
5、饱和度对眼睛的敏感度比明度低Maxwell的工作被认为是现代色度学的基础nHermann von Helmholtz(1821-1894)的理论的理论认为Young的看法非常重要，使用三种基色相加可产生范围很宽的颜色把这个想法用于定量研究，因此有时把他们的想法称为Young-Helmholtz理论。10/28/20225颜色科学简史颜色科学简史(续续2)n物理科学实验物理科学实验20世纪20年代对科学家们提出的理论进行了实验，表明n红、绿和蓝相加混色的确能产生某个色域里的所有可见颜色，但不能产生所有的光谱色(单一波长的颜色)，尤其是在绿色范围里n如果加入一定量的红光，所有颜色都可呈现，并用三色
6、激励值(tristimulusvalues)表示R，G，B基色，但必须允许红色激励值为负值(即用补色)n国际照明委员会国际照明委员会(CIE)的贡献的贡献1931年定义了标准颜色体系，规定所有的激励值应该为正值，并用x和y两个坐标表示所有可见的颜色绘制的CIE色度图(CIEchromaticitydiagram)是用xy平面表示的马蹄形曲线，为大多数定量的颜色度量方法奠定了基础n生理学实验生理学实验眼睛的不同锥体对颜色吸收性能的猜想直到1965年前后才做详细的生理学实验进行验证，结果表明，在眼睛中的确存在三种不同类型的锥体，ThomasYoung的假设是正确的10/28/202266.1 描述
7、颜色的几个术语描述颜色的几个术语 n6.1.1 什么是颜色什么是颜色颜色是人的视觉系统对可见光的感知结果，感知到的颜色由光波的波长决定n视觉系统能感觉的波长范围为380780nm，感知到的颜色和波长之间的对应关系见图6-1n纯颜色用光的波长定义，称为光谱色(spectralcolor)n用不同波长的光进行组合时可产生相同的颜色感觉区分颜色的三个特性n色调(hue)n饱和度(saturation)n明度(brightness)10/28/202276.1 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语(续续1)图6-1 光谱色 10/28/202286.1 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语(续续2)n
8、6.1.2 色调色调(hue)视觉系统对一个区域呈现的颜色的感觉，即对可见物体辐射或发射的光波波长的感觉n色调是最容易把颜色区分开的属性n色调用红(red)、橙(orange)、黄(yellow)、绿(green)、青(cyan)、蓝(blue)、靛(indigo)、紫(violet)等术语来刻画n用于描述感知色调的术语是色彩(colorfulness)，如浅蓝或深蓝的感觉。黑、灰、白为无色彩色调在颜色圆上用圆周表示n圆周上的颜色具有相同的饱和度和明度，但它们的色调不同，见图6-2色调数目多于1000万种n普通人可区分200种、50种饱和度和500级灰度n颜色专业人士可辨认的色调数大约3004
9、00种10/28/202296.1 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语(续续3)图6-2 色调表示法 10/28/2022106.1 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语(续续4)n饱和度饱和度(saturation)颜色的纯洁性n可用来区别颜色明暗的程度n当一种颜色掺入其他光成分越多时，就说该颜色越不饱和n完全饱和的颜色是指没有渗入白光所呈现的颜色n单一波长的光谱色是完全饱和的颜色半径表示法n见图6-3(a)，沿径向方向上的颜色具有相同的色调和明度，但它们的饱和度不同n图6-3(b)所示的七种颜色具有相同的色调和明度，但具有不同的饱和度，左边的饱和度最浅，右边的饱和度最深(a)半径表示法(
10、b)示例图6-3 饱和度表示法 10/28/2022116.1 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语(续续5)n6.1.4 明度明度中英文术语的差别n在许多中文书籍和英汉词典工具书中ubrightness亮度ulightness亮度uluminance亮度n在本教材中，ubrightness明度uluminance亮度ulightness光亮度10/28/2022126.1 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语(续续6)明度明度(brightness)视觉系统对可见物体辐射光或发射光多少的感知属性n例如。一根点燃的蜡烛在黑暗中看起来要比在白炽光下亮n有色表面的明度取决于亮度和表面的反射率u感知
11、的明度与反射率不成正比，认为是一种对数关系n明度的主观感觉值目前无法用物理设备测量u可用亮度(luminance)即辐射的能量来度量u用一个数值范围表示，例如，01010/28/2022136.1 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语(续续7)u一个极端是黑色(没有光)，另一个极端是白色，在这两个极端之间是灰色明度常用垂直轴表示，见图6-4(a)在图6-4(b)中，七种颜色具有n相同色调和饱和度n不同的明度n底部的明度最小n顶部的明度最大(a)垂直轴表示法 (b)示例图6-4明度表示法 10/28/2022146.1 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语(续续8)亮度亮度(luminance)
12、国际照明委员会定义的物理量辐射功率n用反映视觉特性的光谱敏感函数加权之后得到的辐射功率(radiantpower)，并在555nm处达到了峰值，它的幅度与物理功率成正比可认为“亮度就像光的强度(intensity)”n在CIEXYZ系统中，亮度用Y表示，其含义是单位面积上反射或发射的光的强度明度和亮度的关系不是线性关系，也不是同义词n严格地说，亮度应该使用像烛光/平方米(cd/m2)这样的单位来度量，但实际上是用指定的亮度即白光作参考，并把它标称化为1或者100个单位。例如，监视器用亮度为80cd/m2的白光作参考，并指定Y=1。10/28/2022156.1 描述颜色的几个术语描述颜色的几个
13、术语(续续9)光亮度光亮度(lightness)根据国际照明委员会的定义，光亮度是人的视觉系统对亮度(luminance)的感知响应值，并用L*表示为其中，Y是CIEXYZ系统中定义的辐射亮度，Yn是参考白色光的辐射亮度光亮度也常作为颜色空间的一个维10/28/2022166.1 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语(续续10)n6.1.5 颜色空间颜色空间表示颜色的一种数学方法n对人，可以通过色调、饱和度和明度来定义颜色n对显示设备，用红、绿和蓝磷光体的发光量来描述颜色n对打印或印刷设备，使用青色、品红色、黄色和黑色的反射和吸收来产生指定的颜色通常用三维模型表示n常用代表三个参数的三维坐标来
14、指定，这些参数描述颜色在颜色空间中的位置，但并没有告诉人们是什么颜色，其颜色要取决于使用的坐标10/28/2022176.1 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语(续续11)例：图6-5表示用色调、饱和度和明度构造的HSB(hue,saturation，andbrightness)颜色空间n色调用角度标定，红色标为0,青色标为180n饱和度的深浅用半径大小表示n明度用垂直轴表示图6-5 色调-饱和度-明度颜色空间 10/28/2022186.1 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语(续续12)n颜色空间有设备相关和设备无关之分颜色空间有设备相关和设备无关之分设备相关：指定生成的颜色与生成颜色的
15、设备有关n例如，RGB颜色空间是与显示系统相关的颜色空间，计算机显示器使用RGB来显示颜色，用像素值(例如，R250,G123,B23)生成的颜色将随显示器的亮度和对比度的改变而改变设备无关：指定生成的颜色与生成颜色的设备无关n例如，CIEL*a*b*颜色空间是设备无关的颜色空间，它建筑在HSV(hue,saturationandvalue)颜色空间的基础上，用该空间指定的颜色无论在什么设备上生成的颜色都相同。n“颜色空间颜色空间”与与“颜色模型颜色模型”“颜色空间(colorspace)”和“颜色模型(colormodel)”互为同义词10/28/2022196.2 该用什么颜色空间该用什么
16、颜色空间n6.2.1 颜色空间的分类问题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LCh10/28/202
17、2206.2 该用什么颜色空间该用什么颜色空间(续续1)从技术角度可考虑分成如下3类n(1)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,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
18、播电视需求的推动而开发的颜色空间，如YUV，YIQ，ITU-RBT.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10/28/2022216.2 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。对XYZ型颜色空间的详细介绍可参考多媒体技术基础(第3版)第5章颜色的度量体系类型RGB型XYZ型YUV型混合型(mixture)RGBXYZ-非线性亮度/色度(luma/chroma)-L*a*b*L
19、*u*v*YUVYIQ强度/饱和度/色调(intensity/saturation/hue)HSI,HSLHSVLCh/CHL表6-1 颜色空间的分类 10/28/2022226.2 该用什么颜色空间该用什么颜色空间(续续3)颜色空间的变换n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u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n几乎所有的颜色空间都是从RGB颜色空间导出的u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10/28/2022236.2 该用什么颜色空间该用什么颜色空间(续续4)n6.2.2 颜色空间的选择颜色空间的选择先要了
20、解各种颜色空间的特性1.RGB与与CMY颜色空间颜色空间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(cyanmagentayellowblack)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颜色指定不直观10/28/2022246.2 该用什么颜色空间该用什么颜色空间(续续5)2.计算机图形颜色空间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，satu
21、rationandlightness)uHSI(hue，saturationandintensity)uHSB(hue，saturationandbrightness)uHCI(hue，chroma/colourfulness，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10/28/2022256.2 该用什么颜色空间该用什么颜色空间(续续6)3.电视系统的颜色空间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S
22、ECAM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,在和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10/28/202
23、2266.3 计算机图形颜色空间计算机图形颜色空间n6.3.1 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，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10/28/2022276.3 计算机图形颜色空间计算机图形颜色空间(续续1)n6.3.2 HSVHSV(hue,saturationandvalu
24、e)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)，如图6-6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n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10/28/2022286.3 计算机图形颜色空间计算机图形颜色空间(续续2)图6-6 HSV颜色空间 10/28/2022296.3 计算机图形颜色空间计算机图形颜色空间(续续3)n6.3.3 HSL/HSBHSL/HSB(hue,satu
25、rationandlightness/brightness)的缩写利用三条轴定义颜色，用六角形锥体表示，见图6-7用于台式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，而HSV则为1.0图6-7 HSL颜色空间 10/28/2022306.3 计算机图形颜色空间计算机图形颜色空间(续续4)n6.3.4 HSIHSI(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如红橙黄绿青蓝紫，角度从(红)(绿)(蓝)(红)纯度(
26、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)10/28/2022316.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间n6.4.1 电视系统的颜色空间电视系统的颜色空间图6-4表示电视系统用的颜色空间n表示摄像机的值，表示普通CRT的理论值n在NTSC制中，CRT的指定为；在PAL制中，指定为。实际上，CRT的为线性的XYZ或R1G1B1使用33变换矩阵M
27、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10/28/2022326.4 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 10/28/2022336.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续2)
28、n6.4.2 European YUVEuropeanYUV的简称。用于欧洲的模拟模拟彩色电视(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10/28/2022346.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续3)n6.4.3 American YIQ用于北美的模拟模拟彩色电视系统(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RGB和YIQ颜色空间之间非线性信号的转换关系10/28/2022356.4 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(SM
29、PTE)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SMPTE-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10/28/2022366.4 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
30、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10/28/2022376.4 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.601YCbCr和RGB0,219之间的转换关系10/28/2022386.4 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B
31、T.709RGB0,1之间非线性信号的转换关系10/28/2022396.4 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之间的转换关系10/28/2022406.4 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10/28/2022416.4 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 2401281424
32、458198212114128HDTVY16 23518016814513363512816Cb16 2401284414763193109212128Cr16 240128136445220421212012810/28/2022426.4 电视系统颜色空间电视系统颜色空间(续续11)nSMPTE-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10/28/2022436.4 电视系统颜色空间电视系
33、统颜色空间(续续12)SMPTE-240MRGB和BT.709RGB之间的转换关系为和 10/28/202244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:/2.CharlesPoynton,Frequently Asked Questions about Color,1997,http:/3.AdrianFordandAlanRoberts,Colour Space Conversions,August11,1998(b),http:/.4.Adrian
34、FordandAlanRoberts,Colour Space Conversions5.Color Space Conversions6.DavidBourginsColor spaces FAQ，http:/7.Foley,vanDam,Feiner,andHughes,Computer Graphics,Principles and Practice,AddisonWesley,SecondEdition,1990.8.林福宗，陆达.多媒体与CD-ROM.北京：清华大学出版社，1995.3.p3173289.颜色科学发展历史,10/28/202245ENDEND第第6章章 颜色空间变换颜色空间变换 10/28/202246