颜色空间变换ppt课件.ppt

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1、第七章 颜色空间变换,7.1 该用什么颜色空间 7.2 计算机图形颜色空间 7.3 设备无关的颜色空间 7.4 电视系统颜色空间,本章要点,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。 各种不同颜色空间之间进行转换的目的各不相同，有的是为了艺术家选择颜色的方便，有的是为了减少图像的数据量，有的是为了满足显示系统的要求。,7.1 该用什么颜色空间,一、颜色空间的分类问题从颜色感知的角度来分类，颜色空间可考虑分成如下三类：(1) 混合(mixture)型颜色空间：按三种基色的比例合成颜色。例如，RGB，CMY(K)和XYZ等 (2) 非线性亮度/色度(lum

2、a/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。当需要黑白图像时，这样的系统非常方便。例如，L*a*b, L*u*v，YUV和YIQ等。(3) 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。例如，HSI, HSL, HSV和LCH等。,7.1 该用什么颜色空间,从技术上角度区分，颜色空间可考虑分成如下三类：RGB型颜色空间/计算机图形颜色空间：这类模型主要用于电视机和计算机的颜色显示系统。例如，RGB，HSI, HSL和HSV等颜色空间

3、。 (2) XYZ型颜色空间/CIE颜色空间：这类颜色空间是由国际照明委员会定义的颜色空间，通常作为国际性的颜色空间标准，用作颜色的基本度量方法。(3) 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，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。,7.1 该用什么颜色空间,7.1 该用什么颜色空间,二、颜色空间的变换问题,有些颜色空间之间可以直接变换。 (2) 有些颜色空间之间不能直接变换。,7.1 该用什么颜色空间,三、什么颜色空间适合我RGB与CMY颜色空间 RGB(red，green and blue)是在三基色理论基础上开发的相加混色颜色空间。主要用于

4、图像显示系统中。RGB颜色空间是与设备相关的。 CMY(cyan magenta yellow)也是在三基色理论基础上开发的相减混色颜色空间。该空间主要用在印刷和打印系统。CMY(K)颜色空间是与设备相关的。,7.1 该用什么颜色空间,2. 计算机图形颜色空间 HSV 、HSL/HLS 、HSI 、HSB 、HCI 、HVC等都是类似的颜色空间，它们都是从RGB颜色空间变换而来的，而且都是与设备相关的颜色空间。它们的优点是指定颜色方式非常直观，很容易选择所需要的色调(颜色)，稍微调整它的饱和度和亮度就可改变颜色。它们是一种以色调为基础的颜色空间。,7.1 该用什么颜色空间,3. 电视系统颜色空

5、间 YUV, YIQ, YCbCr/YCbCr, YPbPr/YPbPr和YCC等颜色空间是为电视系统开发的。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。 YUV是PAL和SECAM模拟彩色电视制式采用的颜色空间，Y表示亮度，UV用来表示色差，U、V是构成彩色的两个分量。 YIQ是NTSC模拟彩色电视制式采用的颜色空间，其中的Y表示亮度，I、Q是两个彩色分量。 YCbCr和YPbPr是数字电视采用的标准,7.1 该用什么颜色空间,无论是数字的还是模拟的颜色空间，这些颜色空间都把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，

6、以便充分利用传输通道的带宽或者节省存储容量。这些颜色空间都是与设备相关的。,7.1 该用什么颜色空间,YUV表示法的重要性是它的亮度信号(Y)和色度信号(U，V)是相互独立的，也就是Y信号分量构成的黑白灰度图与用U，V信号构成的两幅单色图是相互独立的。黑白电视能接收彩色电视信号也就是利用了YUV分量之间的独立性。 YUV表示法的另一个优点是可以利用人眼的特性来降低数字彩色图像所需要的存储容量。人眼对彩色细节的分辨能力远比对亮度细节的分辨能力低。,7.2 计算机图形颜色空间,一、RGB, CMY和CMYK RGB(red，green and blue)和CMY(cyan, magenta and

7、 yellow)是最流行的颜色空间，它们都是与设备相关的颜色空间，前者用在显示器上，后者用在打印设备上。RGB称为相加混色是因为它使用不同数量的红、绿和蓝三种基色相加而产生颜色，而CMY称为相减混色是因为白光中减去不同数量的青、品红和黄三种颜色而产生颜色。在印刷设备中，黑色分量加到CMY空间，因此，形成另一种颜色空间，叫做CMYK(cyan, magenta，yellow and black)。,7.2 计算机图形颜色空间,RGB和CMY RGBCMY 其中，R、G和B的取值范围是0,1。,7.2 计算机图形颜色空间,(2) CMYRGB其中，C、M和Y的取值范围是0,1。,7.2 计算机图形

8、颜色空间,2. CMY和CMYK (1) CMYCMYK(2) CMYKCMY,7.2 计算机图形颜色空间,3. RGB和CMYK (1) RGBCMYK,7.2 计算机图形颜色空间,(2) CMYKRGB,7.2 计算机图形颜色空间,二、HSV和RGB色调H：用角度度量，取值范围为0o360o。从红色开始按逆时针方向计算，红色为0o，绿色为120o,蓝色为240o。它们的补色是：黄色为60o，青色为180o,品红为300o。饱和度S：取值范围为0.01.0。亮度值V：取值范围为,0.0(黑色)1.0(白色)。,7.2 计算机图形颜色空间,1. RGB到HSV的转换(1) RGBHSV (Tr

9、avis)算法描述Given RGB values, find the max and min. V = maxS = (max-min) / max If S = 0, H is undefined else R1 = (max-R) / (max-min) G1 = (max-G) / (max-min) B1 = (max-B) / (max-min) if R = max and G = min, H = 5 + B1 else if R = max and G not= min, H = 1 - G1 else if G = max and B = min, H = R1 + 1 e

10、lse if G = max and B not=min, H = 3 - B1 else if R = max, H = 3 + G1 else H = 5 - R1 H = H*60 (converts to degrees so S and V lie between 0 and 1, H between 0 and 360),7.2 计算机图形颜色空间,(2) RGBHSV(Foley and VanDam)算法描述 max = maximum of RGBmin = minimum of RGB V = maxS = (max - min) / max if S = 0, H is

11、undefined, else delta = max-min if R = max, H = (G-b)/delta if G = max, H = 2 + (B-R)/delta if B = max, H = 4 + (R-G)/delta H = H*60 if H 0, H = H + 360,7.2 计算机图形颜色空间,2. HSV到RGB的转换 HSVRGB (Travis)算法描述Convert H degrees to a hexagon sectionhex = H / 360 main_colour = int(hex)sub_colour = hex - main_co

12、lourvar1 = (1-S)*Vvar2 = (1 -(S * sub_colour) * Vvar3 = (1 -(S * (1 - sub_colour) * V then if main_colour = 0, R = V, G = var3, B = var1 if main_colour = 1, R = var2, G = V, B = var1 if main_colour = 2, R = var1, G = V, B = var3 if main_colour = 3, R = var1, G = var2, B = V if main_colour = 4, R = v

13、ar3, G = var1, B = V if main_colour = 5, R = V, G = var1, B = var2 where int(x) converts x to an integer value.,7.2 计算机图形颜色空间,(2) HSVRGB (Foley and VanDam)算法描述 if S = 0 and H = undefined, R = G = B = V if H = 360, H = 0H = H / 60i = floor(H)f = H - Ip = V*(1-S)q = V*(1-(S*f)t = V*(1 - (S * (1-f) if

14、i = 0, R = v, G = t, B = pif i = 1, R = q, G = v, B = pif i = 2, R = p, G = v, B = tif i = 3, R = p, G = q, B = vif i = 4, R = t, G = p, B = vif i = 5, R = v, G = p, B = q where floor is the C floor function.,7.2 计算机图形颜色空间,三、HSL/HSB和RGB HSL(hue,saturation and lightness)/HSB(hue, saturation and brigh

15、tness)颜色空间用于定义台式机图形程序中的颜色，而且它们都是利用三条轴定义颜色。,7.2 计算机图形颜色空间,1.RGBHSL的算法描述2.HSLRGB的算法描述,四、HSI和RGB HSI(Hue, Saturation and Intensity)颜色空间也是一种直观的颜色模型。色调H用角度表示，例如红橙黄绿青蓝紫等色调，角度从0o(红) 120o(绿) 240o(蓝) 360o(红)；颜色的纯度即饱和度分成低(0%-20%)中(40%-60%)和高(80%-100%)，低饱和度产生灰色而不管色调，中饱和度产生柔和的色调(pastel)，高饱和度产生鲜艳的颜色(vivid color)

16、；强度是颜色的明度，取值范围从0%(黑)100%(最亮)。,7.2 计算机图形颜色空间,RGBHSI (Gonzalez and Woods)算法描述I = 1/3(R+G+B)S = 1 - (3/(R+G+B)*a /其中的amin(R, G, B)H = cos(-1)(0.5*(R-G)+(R-B) / (R-G)2 + (R-B)*(G-B)(0.5)If S = 0, H=0 /表示H无意义If (B/I) (G/I) thenH = 360H /H用角度表示，并用 H=H/360进行标称化处理,7.2 计算机图形颜色空间,7.2 计算机图形颜色空间,2. HSIRGB算法描述首先

17、用H=360*H把H换算成用角度表示。If 0 H = 120 thenB = 1/3(1-S)R = 1/3(1+ (S cos H) / (cos(60 - H)G = 1 - (B+R)If 120 H = 240 thenH = H 120R = 1/3(1-S)G = 1/3(1+ (S cos H) / (cos(60 - H)B = 1 - (R+G)If 240 H = 360 thenH = H 240G = 1/3(1-S)B = 1/3(1+ (S cos H) / (cos(60 - H)R = 1 - (G+B),7.3 设备无关的颜色空间,一、CIE XYZ和CIE

18、LAB1.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。,其中， 是参考白光的三色刺激值，而,7.3 设备无关的颜色空间,2. CIE L*a*b*CIE XYZ对于Y/Yn 0.008856， 其中，,7.3 设备无关的颜色空间,二、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。CIE XYZCIELUV 其中,7.3 设备无关的颜色空间,2. CIELUVCIE XYZ从(u,v)到(x,y)的转换关系如下：从CIELUV到CIE X

19、YZ的变换如下，,7.3 设备无关的颜色空间,三、CIE XYZ和RGB，BT.601，BT.709 RGB和CIE xyY 对于红色 对于绿色 对于蓝色,可求得 ，因此有：,xn,yn,zn为白色坐标，由,7.3 设备无关的颜色空间,2. BT.601和CIE xyY 国际电信联盟(International Telecommunication Union，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。白色在CIE xyY色度图中的坐标是：因此,7.3

20、 设备无关的颜色空间,红、绿和蓝的坐标分别是代入前一小节的式子中求得：,7.3 设备无关的颜色空间,我们可得到BT.601在光源C下由RGB到CIE xyY空间的变换关系 ：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，,7.3 设备无关的颜色空间,3. BT.709和CIE xyY BT.709使用的标准光源是D65,它的坐标及红、绿和蓝的色度坐标如表所示：,r,g,b,w,x,y,z,7.3 设备无关的颜色空间,根据上面的数据可得到RGB空间到CIE xyY空间的转换关系: 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，,7.3 设备无关

21、的颜色空间,最近几年，ITU-R介绍了新的推荐标准，对RGB颜色空间中绿色坐标作了变动，但标准白光电仍然是D65,因此可以得到相应的转换关系。,7.4 电视系统颜色空间,一、电视系统的颜色空间 为了更有效地压缩图像的数据量以充分利用传输通道的带宽或者节省存储空间，人们开发了许多颜色空间。例如，模拟NTSC彩色电视制式采用的YIQ颜色空间，PAL和SECAM彩色电视制式采用的YUV颜色空间，数字电视系统则采用的YCrCb或者YPbPr颜色空间。 因此在发送信号前，要把RGB颜色空间表示的电视图像转换成用其他颜色空间表示的图像。而在显示每个像素之前必须把其他颜色模型中的颜色分量值转换成RGB模型中

22、的R，G和B分量。,7.4 电视系统颜色空间,电视系统的颜色空间,7.4 电视系统颜色空间,二、European YUV 欧洲彩色电视(PAL和SECAM)制使用这种颜色空间。Y的带宽在欧洲是5 MHz，而在英国是5.5 MHz。在亮度和色差分离的电视系统中，U和V信号分量有相同的带宽，它们的带宽可以高达2.5 MHz。 YUV颜色空间采用的光源标准是“光源D”(illuminants D)，叫做D65。,红、绿和蓝的坐标分别是 ：红： 绿： 蓝：,7.4 电视系统颜色空间,7.4 电视系统颜色空间,1.EBU RGB和CIEXYZ RGB和CIE XYZ颜色空间之间线性信号的转换关系:,7.

23、4 电视系统颜色空间,在YUV颜色空间中，亮度方程为： Y0299R十0587G十0114B两个色差信号U和V分别为 ：RGB和YUV颜色空间之间非线性信号的转换关系为：,7.4 电视系统颜色空间,3. BT.709 RGB和EBU RGB之间的关系,7.4 电视系统颜色空间,三、American YIQ YIQ颜色空间用在北美的模拟NTSC彩色电视系统中。这个颜色空间中的I和Q分量信号与YUV颜色空间中的U和V分量信号有如下关系：Y信号的带宽为4.2 MHz，而I和Q信号均为1 MHz。,7.4 电视系统颜色空间,1. NTSC RGB和CIE XYZ,7.4 电视系统颜色空间,2. NTS

24、C RGB和NTSC YIQ 色差信号：,转换方程,7.4 电视系统颜色空间,3. EBU YUV和NTSC YIQ,根据两个色差方程可推得,7.4 电视系统颜色空间,4. NTSC RGB和EBU RGB,7.4 电视系统颜色空间,5. NTSC RGB和BT.709,7.4 电视系统颜色空间,四、SMPTE-C RGB 影视工程师协会(Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE)是电影和电视工程师的一种专业协会。SMPTE-C是美洲当前使用的广播电视颜色标准。 使用的光源标准是D65。,7.4 电视系统颜色空间,1.SM

25、PTE-C RGB和CIE XYZ,7.4 电视系统颜色空间,2. SMPTE-C RGB和SMPTE-C YIQ,7.4 电视系统颜色空间,3. SMPTE-C YIQ和EBU YUV,7.4 电视系统颜色空间,4. SMPTE-C RGB和EBU RGB,7.4 电视系统颜色空间,5. SMPTE-C RGB和BT.709 RGB,7.4 电视系统颜色空间,五、ITU-R BT.601 YCbCr ITU-R BT.601是一个国际性的标准清晰度电视(standard definition television ，SDTV)图像数字化标准，用于对525条扫描线和625条扫描线的电视图像进行

26、数字编码。 YCbCr颜色空间是ITU-R BT-601的一部分，是YUV颜色空间派生的一种颜色空间。,7.4 电视系统颜色空间,而在BT.601标准中，用4:2:2的采用格式并且用8位二进制数表示各个分量的数值时，非线性亮度分量Y: 0, 15作为偏移量，236, 255保留，信号的取值范围为16, 235。16表示黑电平信号值，235表示白电平信号值。非线性色差Cb和Cr：数值范围为16, 240，使用128的偏移量时的取值范围为-112，112。,7.4 电视系统颜色空间,7.4 电视系统颜色空间,1.BT.601 YCbCr和RGB0, 1,Y的数值范围为16, 235，Cb和Cr的数

27、值范围为-112，112，R,G和B的数值范围为0, 1。,7.4 电视系统颜色空间,2. BT.601 YCbCr和RGB0, 255,7.4 电视系统颜色空间,3. YCbCr和RGB0, 219 用8位二进制数表示BT.601 YCbCr和8位二进制数RGB的转换关系时，RGB颜色空间使用相同数值范围0, 219的分量信号。,7.4 电视系统颜色空间,六、ITU-R BT.709 YCbCr ITU-R BT.709 YCbCr颜色空间是1988年国际无线电咨询委员会(CCIR)制定的一个中间标准，用于高清晰度电视(HDTV)演播室的电视制作。它的基色是EBU的R和B，而G是SMPTE-

28、C和EBU之间的一种基色。使用的光源标准是D65 。,7.4 电视系统颜色空间,1. BT.709 RGB和CIE XYZ,7.4 电视系统颜色空间,2. BT.709 YCbCr和BT.709 RGBYCbCr和RGB0,1 Y的取值范围为0, 1，而Cb和Cr的取值为-0.5, 0.5,7.4 电视系统颜色空间,(2) YCbCr和RGB0, 255YCbCr和RGB空间中的分量通常是用8位二进制数表示的，它们的数值范围均为0, 255。,7.4 电视系统颜色空间,(3) YCbCr和RGB0,219,7.4 电视系统颜色空间,3. BT.709 RGB和EBU RGB,7.4 电视系统颜

29、色空间,七、SMPTE-240M YPbPr SMPTE 240M (1988)是为高清晰度电视进行标准化而开发的一种标准。YPbPr是YUV颜色空间的一种形式，这个颜色空间对B基色和白色点的坐标作了修改。,7.4 电视系统颜色空间,1. SMPTE-240M RGB和CIE XYZ,7.4 电视系统颜色空间,2. SMPTE-240M YPbPr和SMPTE-240M RGB,7.4 电视系统颜色空间,3. SMPTE-240M RGB和EBU RGB,7.4 电视系统颜色空间,4. SMPTE-240M RGB和BT.709 RGB,7.4 电视系统颜色空间,八、Kodak PhotoYC

30、C颜色空间 Kodak PhotoYCC颜色空间是为PhotoCD图像数据进行编码而开发的一种与显示设备关系不大的颜色空间。 这个颜色空间既适合用于RGB相加混色模型又适合用于CMY(K)相减混色模型。,7.4 电视系统颜色空间,1. RGBPhotoYCC 首先进行校正,-,7.4 电视系统颜色空间,7.4 电视系统颜色空间,2. PhotoYCCRGB 为在显示设备上显示图像数据，需要把Kodak YCC颜色空间的数据转换成用24位表示的RGB数据，这种转换不是一种简单的变换，而要依赖图像的显示系统。,7.4 电视系统颜色空间,(1)计算机显示系统,7.4 电视系统颜色空间,(2) 电视显示系统,