图像颜色空间变换

第1.4章颜色空间变换2020年4月25日第6章颜色空间变换2/43第1.4章颜色空间变换目录1.4.1该用什么颜色空间1.4.1.1颜色空间的分类问题1.4.1.2颜色空间的变换问题1.4.1.3颜色空间的选择1.4.2计算机图形颜色空间1.4.2.1RGB,CMY和CMYK1.4.2.2HSV和RGB1.4.2.3HSL/HSB和RGB1.4.2.4HSI和RGB1.4.3设备无关的颜色空间1.4.3.1CIEXYZ和CIELAB1.4.3.2CIEXYZ和CIELUV1.4.3.3CIEXYZ和RGB，BT.601，BT.7091.4.4电视系统颜色空间1.4.4.1电视系统的颜色空间1.4.4.2EuropeanY'U'V'1.4.4.3AmericanY'I'Q'1.4.4.4SMPTE-CRGB1.4.4.5ITU-RBT.601Y'CbCr1.4.4.6ITU-RBT.709Y'CbCr1.4.4.7SMPTE-240MY'PbPr1.4.4.8KodakPhotoYCC颜色空间2020年4月25日第6章颜色空间变换3/431.4.1该用什么颜色空间1.4.1.1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LCh2020年4月25日第6章颜色空间变换4/431.4.1该用什么颜色空间(续1)从技术角度可考虑分成如下3类(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)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CIE1931XYZ，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-RBT.601Y'CbCr,ITU-RBT.709Y'CbCr和SMPTE-240MY'PbPr。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2020年4月25日第6章颜色空间变换5/431.4.1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。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*u*v*YUVYIQ强度/饱和度/色调(intensity/saturation/hue)HSI,HSLHSVLCh/CHL表1颜色空间的分类2020年4月25日第6章颜色空间变换6/431.4.1该用什么颜色空间(续3)1.4.1.2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R'G'B',R'G'B'和Y'CrCb，CIEXYZ和CIEL*a*b*等有些颜色空间之间不能直接变换，如，RGB和CIELa*b*,CIEXYZ和HSL，HSL和Y'CbCr等，它们之间的变换需要借助其他颜色空间进行过渡2020年4月25日第6章颜色空间变换7/431.4.1该用什么颜色空间(续4)图1部分颜色空间的转换关系[1]2020年4月25日第6章颜色空间变换8/431.4.1该用什么颜色空间(续5)1.4.1.3颜色空间的选择RGB与CMY颜色空间RGB(red，greenandblue)：在图像显示系统中得到广泛应用CMY(cyanmagentayellow)：在印刷和打印系统中得到广泛应用CMYK(cyanmagentayellowblack)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2020年4月25日第6章颜色空间变换9/431.4.1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HSV(hue，saturationandvalue)HSL/HLS(hue，saturationandlightness)HSI(hue，saturationandintensity)HSB(hue，saturationandbrightness)HCI(hue，chroma/colourfulness，intensity)HVC(hue，valueandchroma)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2020年4月25日第6章颜色空间变换10/431.4.1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Y‘CbCr/Y’Cb‘Cr’：用于数字电视,在ITU-RBT.601和BT.709等推荐标准中有明确的定义Y‘PbPr/Y’Pb‘Pr’：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(televisiontransmissioncolorspaces)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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2020年4月25日第6章颜色空间变换11/431.4.2计算机图形颜色空间1.4.2.1RGB,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，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2020年4月25日第6章颜色空间变换12/431.4.2计算机图形颜色空间(续1)1.4.2.2HSV和RGBHSV(hue,saturationandvalue)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6-2所示HSV的表示方法色调：用角度度量，0°～360°。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0.0～1.0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2020年4月25日第6章颜色空间变换13/431.4.2计算机图形颜色空间(续2)图6-2HSV颜色空间2020年4月25日第6章颜色空间变换14/431.4.2计算机图形颜色空间(续3)1.4.2.3HSL/HSB和RGBHSL/HSB(hue,saturationandlightness/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用于台式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，而HSV则为1.0RGB和HSL之间的转换关系见教材图6-3HSL颜色空间2020年4月25日第6章颜色空间变换15/431.4.2计算机图形颜色空间(续4)1.4.2.4HSI和RGBHSI(Hue,SaturationandIntensity)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(vividcolor)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)2020年4月25日第6章颜色空间变换16/431.4.3设备无关的颜色空间CIEXYZ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1976L*a*b*，直接从CIEXYZ导出的颜色空间，企图对色差的感知进行线性化CIELUV即CIE1976L*u*v*，直接从CIEXYZ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2020年4月25日第6章颜色空间变换17/431.4.3设备无关的颜色空间(续1)6.3.1CIEXYZ和CIELAB1.CIEXYZ→CIEL*a*b*CIE1976L*a*b*是直接从CIEXYZ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。CIEXYZ到CIEL*a*b*的转换关系为1/3166*(/)16/*903.3*(/)/0.0088560.008856nnnnYYYYLYYYY如果如果*500*((/)(/))nnafXXfYY*200*((/)(/))nnbfYYfZZ其中,,nnnXYZ和是参考白光的三色刺激值，而2020年4月25日第6章颜色空间变换18/431.4.3设备无关的颜色空间(续2)2.CIEL*a*b*→CIEXYZ对于Y/Yn0.008856，从CIELAB到CIEXYZ空间的变换可用下式计算333*(*/500)**(-*/200)nnnXXPaYYPZZPb其中，(*16)/116PL其中，1/30.008856()7.78716/1160.008856ttfttt如果如果2020年4月25日第6章颜色空间变换19/431.4.3设备无关的颜色空间(续3)1.4.3.2CIEXYZ和CIELUVCIE1976L*u*v*(CIELUV)是直接从CIEXYZ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.CIEXYZ→CIELUV1/3116(/)16/0.008856*903.3(/)/0.008856nnnnYYYYLYYYY如果如果)''(*13*)''(*13*nnvvLvuuLu其中，是与光源有关的值''nnuv和在2°观察者和C光源下'4/(153)4/(2123)'9/(153)9/(2123)uXXYZxxyvYXYZyxy'0.2009'0.4610nnuv