多媒體技術(shù)教程第6章顏色空間變換課件

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第6章顏色空間變換2008年9月2/6/20231第6章顏色空間變換第6章顏色空間變換前言——顏色科學(xué)簡史6.1描述顏色的幾個術(shù)語6.1.1什么是顏色6.1.2色調(diào)6.1.3飽和度6.1.4亮度6.1.5顏色空間6.2該用什么顏色空間6.2.1顏色空間的分類問題6.2.2顏色空間的選擇6.3計算機圖形顏色空間6.3.1RGB,CMY和CMYK6.3.2HSV6.3.3HSL/HSB6.3.4HSI和RGB6.4電視系統(tǒng)顏色空間6.4.1電視系統(tǒng)的顏色空間6.4.2EuropeanY'U'V'6.4.3AmericanY'I'Q'6.4.4SMPTE-CRGB6.4.5ITU-RBT.601Y'CbCr6.4.6ITU-RBT.709Y'CbCr6.4.7SMPTE-240MY'PbPr練習(xí)與思考題參考文獻和站點2/6/20232第6章顏色空間變換前言最近一百多年來，為滿足各種不同用途的需求，人們已經(jīng)開發(fā)了許多不同名稱的顏色空間，盡管幾乎所有的顏色空間都是從RGB顏色空間導(dǎo)出的，但隨著科學(xué)和技術(shù)的進步，人們還在繼續(xù)開發(fā)形形色色的顏色空間表示顏色的顏色空間的數(shù)目是無窮的，現(xiàn)有的顏色空間也還沒有一個完全符合人的視覺感知特性、顏色本身的物理特性或發(fā)光物體和光反射物體的特性本章選擇了幾種使用比較普通且與多媒體技術(shù)密切相關(guān)的顏色空間，介紹它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，詳細推導(dǎo)過程請看2008年清華大學(xué)出版社出版的《多媒體技術(shù)基礎(chǔ)》(第3版)2/6/20233第6章顏色空間變換顏色科學(xué)簡史(續(xù)1)ThomasYoung(1773–1829)的假設(shè)在1802年，認為人的眼睛有三種不同類型的顏色感知接收器，大體上相當(dāng)于紅、綠和藍三種基色的接收器JamesClerkMaxwell(1831–1879)的色度學(xué)19世紀(jì)60年代，探索了三種基色的關(guān)系認為三種基色相加產(chǎn)生的色調(diào)不能覆蓋整個感知色調(diào)的色域，而使用相減混色產(chǎn)生的色調(diào)卻可以認為彩色表面的色調(diào)和飽和度對眼睛的敏感度比明度低Maxwell的工作被認為是現(xiàn)代色度學(xué)的基礎(chǔ)HermannvonHelmholtz(1821-1894)的理論認為Young的看法非常重要，使用三種基色相加可產(chǎn)生范圍很寬的顏色把這個想法用于定量研究，因此有時把他們的想法稱為Young-Helmholtz理論。2/6/20235第6章顏色空間變換顏色科學(xué)簡史(續(xù)2)物理科學(xué)實驗20世紀(jì)20年代對科學(xué)家們提出的理論進行了實驗，表明紅、綠和藍相加混色的確能產(chǎn)生某個色域里的所有可見顏色，但不能產(chǎn)生所有的光譜色(單一波長的顏色)，尤其是在綠色范圍里如果加入一定量的紅光，所有顏色都可呈現(xiàn)，并用三色激勵值(tristimulusvalues)表示R，G，B基色，但必須允許紅色激勵值為負值(即用補色)國際照明委員會(CIE)的貢獻1931年定義了標(biāo)準(zhǔn)顏色體系，規(guī)定所有的激勵值應(yīng)該為正值，并用x和y兩個坐標(biāo)表示所有可見的顏色繪制的CIE色度圖(CIEchromaticitydiagram)是用xy平面表示的馬蹄形曲線，為大多數(shù)定量的顏色度量方法奠定了基礎(chǔ)生理學(xué)實驗眼睛的不同錐體對顏色吸收性能的猜想直到1965年前后才做詳細的生理學(xué)實驗進行驗證，結(jié)果表明，在眼睛中的確存在三種不同類型的錐體，ThomasYoung的假設(shè)是正確的2/6/20236第6章顏色空間變換6.1描述顏色的幾個術(shù)語6.1.1什么是顏色顏色是人的視覺系統(tǒng)對可見光的感知結(jié)果，感知到的顏色由光波的波長決定視覺系統(tǒng)能感覺的波長范圍為380～780nm，感知到的顏色和波長之間的對應(yīng)關(guān)系見圖6-1純顏色用光的波長定義，稱為光譜色(spectralcolor)用不同波長的光進行組合時可產(chǎn)生相同的顏色感覺區(qū)分顏色的三個特性色調(diào)(hue)飽和度(saturation)明度(brightness)2/6/20237第6章顏色空間變換6.1描述顏色的幾個術(shù)語(續(xù)2)6.1.2色調(diào)(hue)視覺系統(tǒng)對一個區(qū)域呈現(xiàn)的顏色的感覺，即對可見物體輻射或發(fā)射的光波波長的感覺色調(diào)是最容易把顏色區(qū)分開的屬性色調(diào)用紅(red)、橙(orange)、黃(yellow)、綠(green)、青(cyan)、藍(blue)、靛(indigo)、紫(violet)等術(shù)語來刻畫用于描述感知色調(diào)的術(shù)語是色彩(colorfulness)，如淺藍或深藍的感覺。黑、灰、白為無色彩色調(diào)在顏色圓上用圓周表示圓周上的顏色具有相同的飽和度和明度，但它們的色調(diào)不同，見圖6-2色調(diào)數(shù)目多于1000萬種普通人可區(qū)分200種、50種飽和度和500級灰度顏色專業(yè)人士可辨認的色調(diào)數(shù)大約300～400種2/6/20239第6章顏色空間變換6.1描述顏色的幾個術(shù)語(續(xù)3)圖6-2色調(diào)表示法2/6/202310第6章顏色空間變換6.1描述顏色的幾個術(shù)語(續(xù)4)6.1.3飽和度(saturation)顏色的純潔性可用來區(qū)別顏色明暗的程度當(dāng)一種顏色摻入其他光成分越多時，就說該顏色越不飽和完全飽和的顏色是指沒有滲入白光所呈現(xiàn)的顏色單一波長的光譜色是完全飽和的顏色半徑表示法見圖6-3(a)，沿徑向方向上的顏色具有相同的色調(diào)和明度，但它們的飽和度不同圖6-3(b)所示的七種顏色具有相同的色調(diào)和明度，但具有不同的飽和度，左邊的飽和度最淺，右邊的飽和度最深

(a)半徑表示法(b)示例圖6-3飽和度表示法2/6/202311第6章顏色空間變換6.1描述顏色的幾個術(shù)語(續(xù)6)明度(brightness)視覺系統(tǒng)對可見物體輻射光或發(fā)射光多少的感知屬性例如。一根點燃的蠟燭在黑暗中看起來要比在白熾光下亮有色表面的明度取決于亮度和表面的反射率感知的明度與反射率不成正比，認為是一種對數(shù)關(guān)系明度的主觀感覺值目前無法用物理設(shè)備測量可用亮度(luminance)即輻射的能量來度量用一個數(shù)值范圍表示，例如，0～102/6/202313第6章顏色空間變換6.1描述顏色的幾個術(shù)語(續(xù)7)一個極端是黑色(沒有光)，另一個極端是白色，在這兩個極端之間是灰色明度常用垂直軸表示，見圖6-4(a)在圖6-4(b)中，七種顏色具有相同色調(diào)和飽和度不同的明度底部的明度最小頂部的明度最大

(a)垂直軸表示法(b)示例圖6-4明度表示法

2/6/202314第6章顏色空間變換6.1描述顏色的幾個術(shù)語(續(xù)8)亮度(luminance)國際照明委員會定義的物理量輻射功率用反映視覺特性的光譜敏感函數(shù)加權(quán)之后得到的輻射功率(radiantpower)，并在555nm處達到了峰值，它的幅度與物理功率成正比可認為“亮度就像光的強度(intensity)”在CIEXYZ系統(tǒng)中，亮度用Y表示，其含義是單位面積上反射或發(fā)射的光的強度明度和亮度的關(guān)系不是線性關(guān)系，也不是同義詞嚴(yán)格地說，亮度應(yīng)該使用像燭光/平方米(cd/m2)這樣的單位來度量，但實際上是用指定的亮度即白光作參考，并把它標(biāo)稱化為1或者100個單位。例如，監(jiān)視器用亮度為80cd/m2的白光作參考，并指定Y=1。2/6/202315第6章顏色空間變換6.1描述顏色的幾個術(shù)語(續(xù)10)6.1.5顏色空間表示顏色的一種數(shù)學(xué)方法對人，可以通過色調(diào)、飽和度和明度來定義顏色對顯示設(shè)備，用紅、綠和藍磷光體的發(fā)光量來描述顏色對打印或印刷設(shè)備，使用青色、品紅色、黃色和黑色的反射和吸收來產(chǎn)生指定的顏色通常用三維模型表示常用代表三個參數(shù)的三維坐標(biāo)來指定，這些參數(shù)描述顏色在顏色空間中的位置，但并沒有告訴人們是什么顏色，其顏色要取決于使用的坐標(biāo)2/6/202317第6章顏色空間變換6.1描述顏色的幾個術(shù)語(續(xù)11)例：圖6-5表示用色調(diào)、飽和度和明度構(gòu)造的HSB(hue,saturation，andbrightness)顏色空間色調(diào)用角度標(biāo)定，紅色標(biāo)為0°,青色標(biāo)為180°飽和度的深淺用半徑大小表示明度用垂直軸表示圖6-5色調(diào)-飽和度-明度顏色空間2/6/202318第6章顏色空間變換6.1描述顏色的幾個術(shù)語(續(xù)12)顏色空間有設(shè)備相關(guān)和設(shè)備無關(guān)之分設(shè)備相關(guān)：指定生成的顏色與生成顏色的設(shè)備有關(guān)例如，RGB顏色空間是與顯示系統(tǒng)相關(guān)的顏色空間，計算機顯示器使用RGB來顯示顏色，用像素值(例如，R＝250,G＝123,B＝23)生成的顏色將隨顯示器的亮度和對比度的改變而改變設(shè)備無關(guān)：指定生成的顏色與生成顏色的設(shè)備無關(guān)例如，CIEL*a*b*顏色空間是設(shè)備無關(guān)的顏色空間，它建筑在HSV(hue,saturationandvalue)顏色空間的基礎(chǔ)上，用該空間指定的顏色無論在什么設(shè)備上生成的顏色都相同?！邦伾臻g”與“顏色模型”“顏色空間(colorspace)”和“顏色模型(colormodel)”互為同義詞2/6/202319第6章顏色空間變換6.2該用什么顏色空間(續(xù)1)從技術(shù)角度可考慮分成如下3類(1)RGB型顏色空間/計算機圖形顏色空間：主要用于電視機和計算機的顏色顯示系統(tǒng)，如RGB，HSI,HSL和HSV。在顯示技術(shù)和印刷技術(shù)中，常被稱為顏色模型(colormode)XYZ型顏色空間/CIE顏色空間：由國際照明委員會(CIE)定義的顏色空間，用作顏色的基本度量方法。該顏色空間是與設(shè)備無關(guān)的顏色表示法，在科學(xué)計算中得到廣泛應(yīng)用。對不能直接相互轉(zhuǎn)換的兩個顏色空間，可利用這類顏色空間作為過渡性的顏色空間，如CIE1931XYZ，L*a*b，L*u*v和LCh等YUV型顏色空間/電視系統(tǒng)顏色空間：由廣播電視需求的推動而開發(fā)的顏色空間，如YUV，YIQ，ITU-RBT.601Y'CbCr,ITU-RBT.709Y'CbCr和SMPTE-240MY'PbPr。主要目的是通過壓縮色度信息以有效地播送彩色電視圖像2/6/202321第6章顏色空間變換6.2該用什么顏色空間(續(xù)2)按照上述觀點對顏色空間進行的分類綜合在表6-1中。這樣分類雖然并不很科學(xué)，也不是絕對的，但對顏色空間的認識多少會有些幫助。對XYZ型顏色空間的詳細介紹可參考《多媒體技術(shù)基礎(chǔ)》(第3版)第5章—顏色的度量體系

類型RGB型XYZ型YUV型混合型(mixture)RGBXYZ-非線性亮度/色度(luma/chroma)-L*a*b*L*u*v*YUVYIQ強度/飽和度/色調(diào)(intensity/saturation/hue)HSI,HSLHSVLCh/CHL表6-1顏色空間的分類2/6/202322第6章顏色空間變換6.2該用什么顏色空間(續(xù)3)顏色空間的變換為滿足不同的應(yīng)用需求，需要在各種不同的顏色空間之間進行轉(zhuǎn)換如為藝術(shù)家選擇顏色的方便、減少圖像的數(shù)據(jù)量或滿足顯示系統(tǒng)的要求幾乎所有的顏色空間都是從RGB顏色空間導(dǎo)出的因?qū)σ曈X感知特性還不十分清楚，故對變換的計算模型產(chǎn)生不同程度的懷疑2/6/202323第6章顏色空間變換6.2該用什么顏色空間(續(xù)5)2.計算機圖形顏色空間計算機繪圖用的顏色空間包括HSV(hue，saturationandvalue)HSL/HLS(hue，saturationandlightness)HSI(hue，saturationandintensity)HSB(hue，saturationandbrightness)HCI(hue，chroma/colourfulness，intensity)HVC(hue，valueandchroma)這些顏色空間都是從RGB變換來的、與設(shè)備相關(guān)的類似的顏色空間，特點指定顏色方式非常直觀，很容易選擇所需要的色調(diào)把亮度從顏色信息中分離出來2/6/202325第6章顏色空間變換6.2該用什么顏色空間(續(xù)6)3.電視系統(tǒng)的顏色空間電視系統(tǒng)的顏色空間包括YUV：用在PAL和SECAM模擬彩色電視制式中，Y表示亮度，U和V表示兩個色差分量YIQ：用在NTSC模擬彩色電視制式中，Y表示亮度，I和Q表示兩個彩色分量Y‘CbCr/Y’Cb‘Cr’：用于數(shù)字電視,在ITU-RBT.601和BT.709等推薦標(biāo)準(zhǔn)中有明確的定義Y‘PbPr/Y’Pb‘Pr’：用于高清晰度電視……這些顏色空間是亮度和色度(luminance-chrominance)分離的電視播送顏色空間(televisiontransmissioncolorspaces)數(shù)字電視和模擬電視的顏色空間都把RGB顏色空間分離成亮度和色度，目的是為了更有效地壓縮圖像的數(shù)據(jù)量這些顏色空間都是與設(shè)備相關(guān)的，而且在閉環(huán)系統(tǒng)中的使用條件也相當(dāng)嚴(yán)格2/6/202326第6章顏色空間變換6.3計算機圖形顏色空間(續(xù)2)圖6-6HSV顏色空間2/6/202329第6章顏色空間變換6.3計算機圖形顏色空間(續(xù)3)6.3.3HSL/HSBHSL/HSB(hue,saturationandlightness/brightness)的縮寫利用三條軸定義顏色，用六角形錐體表示，見圖6-7用于臺式機圖形程序定義顏色HSL與HSVHSL用光亮度(lightness)作坐標(biāo)，HSV用亮度(luminance)作坐標(biāo)HSL顏色飽和度最高時的光亮度L定義為0.5，而HSV則為1.0圖6-7HSL顏色空間2/6/202330第6章顏色空間變換6.3計算機圖形顏色空間(續(xù)4)6.3.4HSIHSI(Hue,SaturationandIntensity)的縮寫色調(diào)(H)也稱為色相，指顏色的外觀色調(diào)H用角度表示如紅橙黃綠青藍紫，角度從(紅)→(綠)→(藍)→(紅)純度(S)即飽和度，分成低(0%～20%)，產(chǎn)生灰色而不管色調(diào)中(40%～60%)，產(chǎn)生柔和的色調(diào)(pastel)高(80%～100%)，產(chǎn)生鮮艷的顏色(vividcolor)強度(I)是顏色的明度取值范圍從0%(黑)～100%(最亮)強度也指亮度(luminance)或光亮度(lightness)2/6/202331第6章顏色空間變換6.4電視系統(tǒng)顏色空間6.4.1電視系統(tǒng)的顏色空間圖6-4表示電視系統(tǒng)用的顏色空間0.5表示攝像機的γ值，2.5表示普通CRT的γ理論值在NTSC制中，CRT的γ指定為2.2；在PAL制中，γ指定為2.8。實際上，CRT的γ為2.35線性的XYZ或R1G1B1使用3×3變換矩陣M得到一個線性的RGB空間，通過非線性函數(shù)對每個顏色分量進行變換(γ校正)，把線性的R，G和B變成了非線性的R'，G'和B'信號，再用一個3×3色差編碼矩陣M得到非線性的色差分量，如Y'CrCb，Y'PbPr或PhotoYCC顏色空間中的非線性色差分量。如果需要，可使用顏色子采樣濾波器得到經(jīng)過子采樣的色差分量經(jīng)過各種變換之后的顏色分量通過通信通道傳送到接收方，或者存儲到存儲器中。顯示圖像時，按照圖6-4中所示的從右到左的方向進行變換2/6/202332第6章顏色空間變換6.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)1)圖6-4電視系統(tǒng)的顏色空間[2]2/6/202333第6章顏色空間變換6.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)2)6.4.2EuropeanY'U'V'EuropeanY‘U’V‘的簡稱。用于歐洲的模擬彩色電視(PAL和SECAM)。Y'與感知亮度類似，U'和V'攜帶顏色和部分亮度信號R'G'B'和Y'U'V'顏色空間之間非線性信號的轉(zhuǎn)換關(guān)系2/6/202334第6章顏色空間變換6.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)3)6.4.3AmericanY'I'Q'用于北美的模擬彩色電視系統(tǒng)(NTSC)，Y'與感知亮度類似，I'和Q'分量信號攜帶顏色信息和部分亮度信息R'G'B'和Y'I'Q'顏色空間之間非線性信號的轉(zhuǎn)換關(guān)系2/6/202335第6章顏色空間變換6.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)4)6.4.4SMPTE-CRGB影視工程師協(xié)會(SMPTE)是電影和電視工程師的專業(yè)協(xié)會該協(xié)會是一個國際性的研究和標(biāo)準(zhǔn)化組織，在全世界有9000多個成員SMPTE-C是美洲當(dāng)前使用的廣播電視顏色標(biāo)準(zhǔn)，舊的NTSC顏色空間的基色標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不再廣泛使用，因為它的基色標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)逐步向EBU制定的顏色標(biāo)準(zhǔn)靠攏。但在其他方面，SMPTE-C與NTSC相同SMPTE-CR'G'B'和SMPTE-CY'I'Q'顏色空間之間非線性信號的轉(zhuǎn)換關(guān)系與NTSCR'G'B'和NTSCY'I'Q'之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系相同2/6/202336第6章顏色空間變換6.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)5)6.4.5ITU-RBT-601Y'CbCr簡寫為Y'CbCr。由YUV派生的顏色空間，用于普通的數(shù)字電視Y'的數(shù)值為[16,235]，Cb和Cr的數(shù)值為[16,240]BT.601Y'CbCr和R'G'B'[0,1]之間間的轉(zhuǎn)換關(guān)系2/6/202337第6章顏色空間變換6.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)6)BT.601Y'CbCr和R'G'B'[0,255]之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系BT.601Y'CbCr和R'G'B'[0,219]之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系2/6/202338第6章顏色空間變換6.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)7)Y'的取值范圍為[0,1]，Cb和Cr的取值為[-0.5,0.5]6.4.6ITU-RBT.709Y'CbCr國際無線電咨詢委員會(CCIR)于1988年制定的標(biāo)準(zhǔn)，用于高清晰度電視(HDTV)演播室的電視制作BT.709Y'CbCr和BT.709R'G'B'[0,1]之間非線性信號的轉(zhuǎn)換關(guān)系2/6/202339第6章顏色空間變換6.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)8)Y'CbCr和R'G'B'[0,255]之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系Y'CbCr和R'G'B'[0,219]之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系2/6/202340第6章顏色空間變換6.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)9)BT.709RGB和EBURGB之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系和2/6/202341第6章顏色空間變換6.4電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)10)Y'CbCr彩條數(shù)值范圍白黃青綠品紅紅藍黑SDTVY16～23518016213111284653516Cb16～2401284415672184100212128Cr16～2401281424458198212114128HDTVY16～23518016814513363512816Cb16～2401284414763193109212128Cr16～24012813644522042121201282/