多媒體技術(shù)基礎(chǔ)第3版第6章顏色空間變換課件

1、多媒體技術(shù)基礎(chǔ)(第3版)第6章 顏色空間變換 張奇復(fù)旦大學(xué) 計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院qz 2010年4月2022年9月22日第6章 顏色空間變換2/43第6章 顏色空間變換目錄6.1 該用什么顏色空間6.1.1 顏色空間的分類問題6.1.2 顏色空間的變換問題6.1.3 顏色空間的選擇6.2 計算機圖形顏色空間6.2.1 RGB, CMY和CMYK6.2.2 HSV和RGB6.2.3 HSL/HSB和RGB6.2.4 HSI和RGB6.3 設(shè)備無關(guān)的顏色空間6.3.1 CIE XYZ和CIELAB6.3.2 CIE XYZ和CIELUV6.3.3 CIE XYZ和RGB，BT.601，BT.7096

2、.4 電視系統(tǒng)顏色空間6.4.1 電視系統(tǒng)的顏色空間6.4.2 European 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 YPbPr6.4.8 Kodak PhotoYCC顏色空間2022年9月22日第6章 顏色空間變換3/436.1 該用什么顏色空間6.1.1 顏色空間的分類問題從顏色感知的角度可考慮分成如下3類混合(mixture)型顏色空間：按三種基色的比例合成顏色，如RGB，CMY(K)和XYZ非線性亮度/色度(luma/

3、chroma)型顏色空間：用一個分量表示非色彩的感知，用兩個獨立的分量表示色彩的感知，如L*a*b, L*u*v，YUV和YIQ。當(dāng)需要黑白圖像時，使用這樣的系統(tǒng)就非常方便強度/飽和度/色調(diào)(intensity/saturation/hue)型顏色空間：用飽和度和色調(diào)描述色彩的感知，可使顏色的解釋更直觀，而且對消除光亮度的影響很有用，如HSI, HSL, HSV和LCh 2022年9月22日第6章 顏色空間變換4/436.1 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

4、技術(shù)和印刷技術(shù)中，常被稱為顏色模型(color mode) 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CIE 1931 XYZ，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-R BT.601 YCbCr, ITU-R BT.709 YCbCr和SMPTE-240M YPbPr。主要目的是通過壓縮色度信息以有效地播送彩

5、色電視圖像2022年9月22日第6章 顏色空間變換6/436.1 該用什么顏色空間(續(xù)3)6.1.2 顏色空間的變換問題為滿足不同的應(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)生不同程度的懷疑常見顏色空間之間的變換關(guān)系見圖6-1，可見 有些顏色空間之間可以直接變換，如RGB和HSL，RGB和HSB，RGB和RGB, RGB和YCrCb，CIE XYZ和CIE L*a*b*等 有些顏色空間之間不能直接變換，如，RGB和CIE La*b*,

6、CIE XYZ和HSL，HSL和YCbCr等，它們之間的變換需要借助其他顏色空間進行過渡 2022年9月22日第6章 顏色空間變換7/436.1 該用什么顏色空間(續(xù)4)圖6-1部分顏色空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系12022年9月22日第6章 顏色空間變換9/436.1 該用什么顏色空間(續(xù)6)計算機圖形顏色空間計算機繪圖用的顏色空間包括HSV(hue，saturation and value)HSL/HLS(hue，saturation and lightness)HSI(hue，saturation and intensity)HSB(hue，saturation and brightness)HCI(

7、hue，chroma/colourfulness，intensity)HVC (hue，value and chroma)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 2022年9月22日第6章 顏色空間變換10/436.1 該用什么顏色空間(續(xù)7)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YCbCr/YCb Cr ：用于數(shù)字電視, 在ITU-

8、R BT.601和BT.709等推薦標(biāo)準(zhǔn)中有明確的定義YPbPr/YPbPr：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(television transmission color spaces)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)嚴格2022年9月22日第6章 顏色空間變換11/436.2 計算機圖形顏色空間6.2.1 RGB, CMY和CMYKRGB：使用不同數(shù)量的紅、綠和藍三種基色相加產(chǎn)生顏色，用在

9、顯示系統(tǒng)上 CMY：白光中減去不同數(shù)量的青、品紅和黃三種顏色產(chǎn)生顏色；在印刷設(shè)備中，黑色分量加到CMY空間，形成CMYK (cyan, magenta，yellow and black)為把RGB轉(zhuǎn)換成印刷用的CMY時，最簡單的方法是把RGB轉(zhuǎn)換到CIE XYZ，然后再從CIE XYZ轉(zhuǎn)換到CMY(K)RGB顏色空間2022年9月22日第6章 顏色空間變換12/436.2 計算機圖形顏色空間(續(xù)1)6.2.2 HSV和RGBHSV(hue, saturation and value)的縮寫A. R. Smith根據(jù)顏色的直觀特性于1978年創(chuàng)建的, 也稱六角錐體模型(hexcone model

10、)，如圖6-2所示HSV的表示方法色調(diào)：用角度度量，0360。紅色為0，按逆時針方向計算，綠色為120，藍色為240飽和度：取值范圍為0.01.0亮度值：取值范圍為0.0(黑色)1.0(白色) HSV和RGB之間沒有轉(zhuǎn)換矩陣，但可對它們之間的轉(zhuǎn)換算法進行描述2022年9月22日第6章 顏色空間變換13/436.2 計算機圖形顏色空間(續(xù)2)圖6-2 HSV顏色空間 2022年9月22日第6章 顏色空間變換14/436.2 計算機圖形顏色空間(續(xù)3)6.2.3 HSL/HSB和RGB HSL/HSB (hue, saturation and lightness/brightness)的縮寫利用三

11、條軸定義顏色，用六角形錐體表示，見圖6-3用于計算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 RGB和HSL之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系見教材 圖6-3 HSL顏色空間 2022年9月22日第6章 顏色空間變換16/436.3 設(shè)備無關(guān)的顏色空間CIE XYZ 國際照明委員會(CIE)定義的顏色空間。 X、Y和Z為想象的三種相加基色根據(jù)視覺的數(shù)學(xué)模型和顏色匹配實驗結(jié)果定義的顏色空間，規(guī)定X，Y和Z都用正值匹配所有顏色CIELAB即1976 L*a*b*，直接從CIE X

12、YZ導(dǎo)出的顏色空間，企圖對色差的感知進行線性化 CIELUV 即CIE 1976 L*u*v*，直接從CIE XYZ空間導(dǎo)出的顏色空間，對色差感知進行線性化的另一種努力2022年9月22日第6章 顏色空間變換17/436.3 設(shè)備無關(guān)的顏色空間(續(xù)1)6.3.1 CIE XYZ和CIELAB 1. CIE XYZCIE L*a*b*CIE 1976 L*a*b*是直接從CIE XYZ導(dǎo)出的顏色空間，企圖對色差的感知進行線性化。顏色信息以白光點作參考，用下標(biāo)“n”表示。CIE XYZ到CIE L*a*b*的轉(zhuǎn)換關(guān)系為 其中,是參考白光的三色刺激值，而2022年9月22日第6章 顏色空間變換19/

13、436.3 設(shè)備無關(guān)的顏色空間(續(xù)3)6.3.2 CIE XYZ和CIELUVCIE 1976 L*u*v*(CIELUV)是直接從CIE XYZ空間導(dǎo)出的顏色空間，并且是對色差感知進行線性化的另一種努力 1. CIE XYZCIELUV其中， 是與光源有關(guān)的值在 2觀察者和C光源下2022年9月22日第6章 顏色空間變換20/436.3 設(shè)備無關(guān)的顏色空間(續(xù)4)2. CIELUVCIE XYZ 從(u, v)到(x, y)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下從CIELUV到CIE XYZ的變換如下 2022年9月22日第6章 顏色空間變換21/436.3 設(shè)備無關(guān)的顏色空間(續(xù)5)6.3.3 CIE XYZ和R

14、GB，BT.601，BT.7091. RGB和CIE xyY在RGB顏色空間變換到CIE xyY空間時，CIE xyY色度圖中的紅、綠和藍的坐標(biāo)定義為 對于紅色 對于綠色 對于藍色 定義白光點n坐標(biāo)時使R=G=B=1，于是其中，ar, ag和ab是比例系數(shù)(6-4)2022年9月22日第6章 顏色空間變換22/436.3 設(shè)備無關(guān)的顏色空間(續(xù)6)在CIE xyY色度圖中，Xn, Yn和Zn的坐標(biāo)已定義為(xn, yn)，于是因此，式(6-4)就可變成 都是可提供的已知數(shù)，因此根據(jù)上面的矩陣式就可求得ar, ag和ab。由于2022年9月22日第6章 顏色空間變換23/436.3 設(shè)備無關(guān)的顏

15、色空間(續(xù)7)2. BT.601和CIE xyY國際電信聯(lián)盟(ITU)定義了幾個推薦標(biāo)準(zhǔn)，最流行的是ITU-R BT.601(前稱CCIR 601-1)和ITU-R BT.709(前稱CCIR 709)。BT.601-1是舊的NTSC制使用的標(biāo)準(zhǔn)，它使用CIE定義了一種叫做“光源C(illuminant C)”的標(biāo)準(zhǔn)光源，用鎢絲光源并通過濾波來模擬普通日光，色溫是6774K，波長范圍是380770 nm。白色在CIE xyY色度圖中的坐標(biāo)是(xn, yn)=(0.310063, 0.316158) ，紅、綠和藍的坐標(biāo)分別是紅：綠：藍：2022年9月22日第6章 顏色空間變換24/436.3 設(shè)

16、備無關(guān)的顏色空間(續(xù)8)根據(jù)這些數(shù)據(jù)可計算得到最后，我們可得到BT.601在光源C下由RGB到CIE xyY空間的變換關(guān)系2022年9月22日第6章 顏色空間變換26/436.3 設(shè)備無關(guān)的顏色空間(續(xù)10)3. BT.709和CIE xyY另一個普遍使用的推薦標(biāo)準(zhǔn)是BT.709，它使用的標(biāo)準(zhǔn)光源是D65,下標(biāo)表示相關(guān)的色溫，65表示相關(guān)色溫是6504K，它的坐標(biāo)為(xn,yn)=(0.312713, 0.329016) ，紅、綠和藍的色度坐標(biāo)如表6-2所示rgbwx0.6400.3000.1500.3127y0.3300.6000.0600.3290z0.0300.1000.7900.358

17、2表6-2 基色和白光坐標(biāo)2022年9月22日第6章 顏色空間變換27/436.3 設(shè)備無關(guān)的顏色空間(續(xù)11)也就是紅：綠：藍：根據(jù)上面的數(shù)據(jù)可得到RGB空間到CIE xyY空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系2022年9月22日第6章 顏色空間變換29/436.4 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表示攝像機的值，2.5表示普通CRT的理論值在NTSC制中，CRT的指定為2.2；在PAL制中，指定為2.8。實際上，CRT的為2.35線性的XYZ或R1G1B1使用33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(校正)，把線性的R，G

18、和B變成了非線性的R，G和B信號，再用一個33色差編碼矩陣M得到非線性的色差分量，如YCrCb，YPbPr或Photo YCC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 2022年9月22日第6章 顏色空間變換30/436.4 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 2022年9月22日第6章 顏色空間變換31/436.4 電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)2)6.4.2 European YUVYUV 是European Y

19、UV 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RGB和YUV顏色空間之間非線性信號的轉(zhuǎn)換關(guān)系 2022年9月22日第6章 顏色空間變換32/436.4 電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)3)6.4.3 American YIQ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NTSC RGB和NTSC YIQ 顏色空間之間非線性信號的轉(zhuǎn)換關(guān)系 2022年9月22日第6章 顏色空間變換33/436.4 電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)4)6.4.4 SMPTE-C RGB影視工程師協(xié)會(SMPTE)是電影和電視工

20、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9 000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-C RGB和SMPTE-C YIQ顏色空間之間非線性信號的轉(zhuǎn)換關(guān)系與NTSC RGB和NTSC YIQ之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系相同2022年9月22日第6章 顏色空間變換34/436.4 電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)5)6.4.5 ITU-R BT.601 YCbCr簡寫為YCbCr 。由YUV派生的顏色空間，用于普通的數(shù)字電視Y的數(shù)

21、值為16, 235 ，Cb和Cr的數(shù)值為16, 240BT.601 YCbCr和RGB 0, 1之間間的轉(zhuǎn)換關(guān)系2022年9月22日第6章 顏色空間變換35/436.4 電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)6)BT.601 YCbCr和RGB0, 255之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系BT.601 YCbCr和RGB0, 219之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系2022年9月22日第6章 顏色空間變換36/436.4 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 6.4.6 ITU-R BT.709 YCbCr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

22、制作BT.709 YCbCr和BT.709 RGB0,1之間非線性信號的轉(zhuǎn)換關(guān)系2022年9月22日第6章 顏色空間變換37/436.4 電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)8)YCbCr和RGB0, 255之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系YCbCr和RGB0, 219之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系2022年9月22日第6章 顏色空間變換38/436.4 電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)9)BT.709 RGB和EBU RGB之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 和2022年9月22日第6章 顏色空間變換39/436.4 電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)10)YCbCr彩條數(shù)值范圍白黃青綠品紅紅藍黑SDTVY16 23518016213111284653516Cb16 240128441

23、5672184100212128Cr16 2401281424458198212114128HDTVY16 23518016814513363512816Cb16 2401284414763193109212128Cr16 24012813644522042121201282022年9月22日第6章 顏色空間變換40/436.4 電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)11)6.4.7 SMPTE-240M YPbPrSMPTE-240M是1988制定的高清晰度電視標(biāo)準(zhǔn)YPbPr是從YUV派生的模擬信號的顏色空間表示法SMPTE-YPbPr和SMPTE-RGB之間的非線性信號關(guān)系SMPTE-240M RGB和EBU RGB之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為2022年9月22日第6章 顏色空間變換41/436.4 電視系統(tǒng)顏色空間(續(xù)1