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1、多媒体技术教程第6章 颜色空间变换,林福宗清华大学 计算机科学与技术系2008年9月,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,2,第6章 颜色空间变换,第6章 颜色空间变换前言颜色科学简史6.1 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6.3.1 RGB,CMY和CMYK6.3.2 HSV6.3.3 HSL/HSB6.3.4 HSI和RGB,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 Europe
2、an 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 YPbPr练习与思考题参考文献和站点,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,3,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
3、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),2023/11/2,第6章 颜色空间变换,4,颜色科学简史,Isaac Newton(1642-1727)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(color circle/wheel)。也称牛顿色圆(Newton color circle)，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
4、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,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,5,颜色科学简史(续1),Thomas Young(17731829)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James Clerk Maxwell(18311879)的色度学19世纪60年代，探索了三种基色的关系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认为彩色表面的色调和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Hermann von
5、 Helmholtz(1821-1894)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。,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,6,颜色科学简史(续2),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如果加入一定量的红光，所有颜色都可呈现，并用三色激励值(tristimulus values)表示R，G，B基色，但必须允许红色激励值为负值(即用补色)国
6、际照明委员会(CIE)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(CIE chromaticity diagram)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，Thomas Young的假设是正确的,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,7,6.1 描述颜色的几个术语,6.1.1 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视
7、觉系统能感觉的波长范围为380780 nm，感知到的颜色和波长之间的对应关系见图6-1纯颜色用光的波长定义，称为光谱色(spectral color)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色调(hue)饱和度(saturation)明度(brightness),2023/11/2,第6章 颜色空间变换,8,6.1 描述颜色的几个术语(续1),图6-1 光谱色,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,9,6.1 描述颜色的几个术语(续2),6.1.2 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色调是最容易把颜色区分开的属性色
8、调用红(red)、橙(orange)、黄(yellow)、绿(green)、青(cyan)、蓝(blue)、靛(indigo)、紫(violet)等术语来刻画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1000万种普通人可区分200种、50种饱和度和500级灰度颜色专业人士可辨认的色调数大约300400种,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,10,6.1 描述颜色的几个术语(续3),图6-2 色调表示法,2023/11/2,第6章 颜色空
9、间变换,11,6.1 描述颜色的几个术语(续4),饱和度(saturation)颜色的纯洁性可用来区别颜色明暗的程度当一种颜色掺入其他光成分越多时，就说该颜色越不饱和完全饱和的颜色是指没有渗入白光所呈现的颜色单一波长的光谱色是完全饱和的颜色半径表示法见图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,(b)示例图6-3 饱和度表示法,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,12,6.1 描述颜色的几个术语(续5),6.1.4 明度中英文术语的差别
10、在许多中文书籍和英汉词典工具书中brightness 亮度lightness 亮度luminance 亮度在本教材中，brightness明度luminance亮度lightness光亮度,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,13,6.1 描述颜色的几个术语(续6),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例如。一根点燃的蜡烛在黑暗中看起来要比在白炽光下亮有色表面的明度取决于亮度和表面的反射率感知的明度与反射率不成正比，认为是一种对数关系明度的主观感觉值目前无法用物理设备测量可用亮度(luminance)即辐射的能量来度量用一个数值范围表示，例如，010
11、,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,14,6.1 描述颜色的几个术语(续7),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，七种颜色具有相同色调和饱和度不同的明度底部的明度最小顶部的明度最大,(a)垂直轴表示法(b)示例,图6-4 明度表示法,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,15,6.1 描述颜色的几个术语(续8),亮度(luminance)国际照明委员会定义的物理量辐射功率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(radiant power)，并在555 nm处达到了峰值，它的幅度与物理功
12、率成正比可认为“亮度就像光的强度(intensity)”在CIE XYZ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80 cd/m2的白光作参考，并指定Y=1。,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,16,6.1 描述颜色的几个术语(续9),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，
13、Y是CIE XYZ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,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,17,6.1 描述颜色的几个术语(续10),6.1.5 颜色空间表示颜色的一种数学方法对人，可以通过色调、饱和度和明度来定义颜色对显示设备，用红、绿和蓝磷光体的发光量来描述颜色对打印或印刷设备，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常用代表三个参数的三维坐标来指定，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,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,18,6.1 描述颜色的几
14、个术语(续11),例：图6-5表示用色调、饱和度和明度构造的HSB(hue,saturation，and brightness)颜色空间色调用角度标定，红色标为0,青色标为180饱和度的深浅用半径大小表示明度用垂直轴表示,图6-5 色调-饱和度-明度颜色空间,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,19,6.1 描述颜色的几个术语(续12),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设备有关例如，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
15、关：指定生成的颜色与生成颜色的设备无关例如，CIE L*a*b*颜色空间是设备无关的颜色空间，它建筑在HSV(hue,saturation and value)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。“颜色空间”与“颜色模型”“颜色空间(color space)”和“颜色模型(color model)”互为同义词,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,20,6.2 该用什么颜色空间,6.2.1 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/色度(luma
16、/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,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,21,6.2 该用什么颜色空间(续1),从技术角度可考虑分成如下3类(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
17、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。主要目的是通过压缩色度信息以有效地播送彩色
18、电视图像,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,22,6.2 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。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,表6-1 颜色空间的分类,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,23,6.2 该用什么颜色空间(续3),颜色空间的变换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
19、十分清楚，故对变换的计算模型产生不同程度的怀疑,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,24,6.2 该用什么颜色空间(续4),6.2.2 颜色空间的选择先要了解各种颜色空间的特性 1.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颜色指定不直观,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,25,6.2 该用什么颜色空间
20、(续5),2.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，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,2023/
21、11/2,第6章 颜色空间变换,26,6.2 该用什么颜色空间(续6),3.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
22、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件也相当严格,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,27,6.3 计算机图形颜色空间,6.3.1 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
23、 XYZ转换到CMY(K),RGB颜色空间,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,28,6.3 计算机图形颜色空间(续1),6.3.2 HSVHSV(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6-6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,2023/11/2,第6章 颜色
24、空间变换,29,6.3 计算机图形颜色空间(续2),图6-6 HSV颜色空间,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,30,6.3 计算机图形颜色空间(续3),6.3.3 HSL/HSBHSL/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6-7用于台式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,图6-7 HSL颜色空间,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,3
25、1,6.3 计算机图形颜色空间(续4),6.3.4 HSIHSI(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),2023/11/2,第6章 颜色空间变换,32,6.4 电视系统颜色空间,6
26、.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
27、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,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,33,6.4 电视系统颜色空间(续1),图6-4 电视系统的颜色空间2,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,34,6.4 电视系统颜色空间(续2),6.4.2 European YUVEuropean 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,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,35,6.4 电视系统颜色空间(续3),6.4.3 American YIQ用于
28、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RGB和YIQ颜色空间之间非线性信号的转换关系,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,36,6.4 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SMP
29、TE-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,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,37,6.4 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,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,38,6.4 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
30、系,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,39,6.4 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,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,40,6.4 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,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,41,6.4 电视
31、系统颜色空间(续9),BT.709 RGB和EBU RGB之间的转换关系,和,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,42,6.4 电视系统颜色空间(续10),YCbCr彩条,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,43,6.4 电视系统颜色空间(续11),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,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,44,6.4 电视系统颜色空间(续1
32、2),SMPTE-240M RGB和BT.709 RGB之间的转换关系为,和,2023/11/2,第6章 颜色空间变换,45,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 Conversions,August 11,1998(b),http:/.Adrian Ford an
33、d Alan Roberts,Colour Space ConversionsColor Space Conversions:www.f4.fhtw-berlin.de/barthel/ImageJ/ColorInspector/HTMLHelp/FarbRaeume.htmDavid Bourgins Color spaces FAQ，http:/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颜色科学发展历史,END,第6章 颜色空间变换,
