第7章颜色空间变换.docx

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第7章颜色空间变换

第7章颜色空间变换

7.1彩色色度学模型

7.1.1颜色的三刺激理论

7.1.2CIE—RGB彩色模型

7.1.3XYZ彩色模型

7.1.4均匀色差彩色模型L*U*V*和L*a*b*8

7.2工业彩色模型

7.2.1RGB彩色显示模型

7.2.2CMYK彩色印制模型

7.2.3彩色传输模型（YUVYIQYcrCb）

7.3视觉彩色模型

7.3.1HVC彩色视觉型（孟赛尔）

7.3.2HSB彩色视觉模型（Photoshop）

7.3.3HLS彩色视觉模型（画图）

7.3.4HSI彩色视觉模型（图像分割）

7.3.5HSY彩色视觉模型（电视）

7.3.6各种彩色视觉模型的比较

1本节的教学内容：

本节要做的不是讲解一个成熟的知识体系，而是提出一个待解决的问题。

学习并理解彩色模型的转换方法，例如HIS。

了解彩色模型的多样性和复杂性，例如非线性。

使用彩色模型时可能遇到的困难，例如奇异点。

2本节的教学效果：

在多媒体技术应用、机器视觉、数字图象处理、计算机图形学、模式识别领域彩色模型是一个重要的研究内容。

理解Photoshop（HSB）与Windows画图（HSL）中输出不同的数据是因为它们使用了不同的彩色模型。

3本节的教学要求：

RGB是所有电子设备使用的彩色模型，是转换为其它模型的基础。

掌握在数字图象处理领域常用模型HIS和计算机图形学领域常用模型HSV模型与RGB的转换方法。

问题的提出：

1.在多媒体和数字图象处理领域有多少种彩色模型？

常用的是那些？

哪个具体领域应该使用哪一种彩色模型？

2.各种文献包括计算机科学领域的顶级学术刊物“计算机学报”中的各位专家都说自己使用的彩色模型是最佳的，可是现实中又有那么多矛盾和不合理的现象，为什么专家容许彩色模型如此混乱。

3.在实际的科研中遇到图象分割问题，经常无所适从，不知应使用哪一种彩色模型。

凑合着使用哪一种都能工作，深入研究没有人去做。

4.寻找适合某个研究的彩色模型的过程中发现了奇异点问题。

无数专家提到它，遇到问题时却回避它，没有见到有人专题研究。

（章毓晋HSI，潘云鹤HSL，方明如HIS，石俊生HSV。

）

5.许多专家回避的原因可能是分割目标较大，即使遇到奇异点也不会发生大的问题，而我们项目中处理的是细线，稍有差错就造成严重错误。

6.探索的过程中还发现了Photoshop的HSB和“画图”的HSL（？

）中存在许多与彩色理论相矛盾的地方。

未解决的问题：

1.Photoshop的HSB与“画图”的HSL中的亮度存在非线形问题，如果用于图象分割可能产生严重错误。

2.“画图”的HSL中的饱和度存在问题，如果用于图象分割可能产生严重错误。

3.不是从字面而是从定义考察，Photoshop使用的是HSB吗？

4.不是从字面而是从定义考察，“画图”使用的是HSL吗？

5.林福宗（清华，多媒体）说HSB与HSL（双锥）相同。

P118。

倪明田（北大，图形学）说HSB与HSI（单锥）相同。

P278。

哪个正确？

目标：

1.对于挑出Photoshop的毛病并不感兴趣，更大的可能性是我们理解不够，重要的是在研究中应该任何处理。

Photoshop仅仅提供一个可以方便地实验的平台。

2.对HIS，HSV，HSB，HSL，Ohta有一个清醒的认识，知道如何去很好地利用。

3.揭示各种模型的奇异点的特点，在使用中避免错误。

4.为图象处理和计算机视觉领域的同人贡献一点儿力量。

（林P110）最近100多年来，为了满足不同用途的需要，人们开发了许多不同名称的颜色空间，“可以说表示颜色空间的数目是无穷的”，但是，现有的颜色空间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物体或反光物体的特性。

人们还在继续开发各种新的颜色空间。

不同的颜色空间有着不同的特性，使用在不同的领域。

因此在实际中需要进行不同颜色空间的转换。

不同颜色空间的转换可以是直接转换，也可以通过与设备无关的颜色空间进行转换。

这时就会遇到选择颜色空间和转换方法的问题。

7.1该用什么颜色空间

7.1.1颜色空间的分类

为了使用颜色空间，首先应该了解各种颜色空间的特性。

颜色空间的分类有多种方法。

1．按使用类别分类有（崔屹）：

彩色色度学模型：

CIE-RGB（见图6-10）、CIE-XYZ（见图6-11）、均匀色差彩色模型CIE1976L*u*v*（见图6-21）和CIEL*a*b*（见图6-22）

工业彩色模型：

RGB彩色显示模型、CMYK彩色印制模型、彩色传输模型YUV（PAL）、YIQ（NTSC）、YCrCb（数字高清晰度电视）

视觉彩色模型：

HVC彩色视觉型（孟赛尔）、HSB彩色视觉模型（Photoshop）、HLS彩色视觉模型（Windows画图和AppleColorPicker）、HSI彩色视觉模型（图像分割）、HSY彩色视觉模型（电视）、I1I2I3（图像分割）等。

2．按颜色感知分类有（林福宗）

混合颜色模型：

按3种基色的比例混合而成的颜色。

RGB、CMYK、XYZ等

非线形亮度/色度颜色模型：

用一个分量表示非色彩的感知，用两个分量表示色彩的感知，这两个分量都是色差属性。

L*a*b、L*u*v、YUV、YIQ等。

强度/饱和度/色调模型：

用强度描述亮度或灰度等光强的感知，用饱和度和色调描述色彩的感知，这两个分量接近人眼对颜色的感觉。

如HIS、HSL、HSV、LCH等，

3．按技术分类有（林福宗）

计算机图形彩色模型：

RGB、HIS、HSL、HSV、HSB、HVC（略）。

CIE彩色模型：

国际标准，基本度量方法（略）

电视系统彩色模型：

广播电视（略）

7.1.3什么颜色空间适合我

林富宗老师没有回答这个问题。

下面是葛老师总结的一个表格，供参考。

各种模型分类

作者

书名

HIS

HSV

HSB

HSL

HVC

Ohta

章毓晋

图象处理和分析

√p19

章毓晋

图象分割

√p117

√p118

√p117

章毓晋

基于内容的视觉信息检索

√

√

√

√

方明如

计算机图象处理及其在农业工程中的应用

√p107

√p108

√p108

Kenneth

数字图象处理新版

√p459

阮秋琦

数字图象处理学

√p217

林福宗

多媒体技术基础

√p119

√p115

√

HSB与HSL相同p118

√p118

√HVC是蒙塞尔p113

钟玉琢

多媒体技术（高级）

√

霍宏涛

数字图象处理

√柱、六角、三角、球

李在铭

数字图象处理压缩与识别技术

√

√

倪明田

计算机图形学

√p278

√HSB与HSV相同P278

孙家广

计算机图形学（新版）

√p492

√p494

Donold

计算机图形学

√p433

√p437

Photoshop

商业软件

√林福宗p112

Wthdows画图

商业软件

？

Apple

商业软件

√林福宗p112

学术论文

图象分割类

√3

√1

√1

小结：

图象处理使用HIS较多，图形学使用HSV较多。

图象分割使用HSV较多，Ohta较新。

为了更有效的处理彩色图像，我们必须定量的描述图像的彩色信息，建立彩色模型。

彩色图像是由各象素点的彩色决定的，像素点的可能彩色样本形成一个可能彩色集也称彩色空间。

人眼对彩色的观察和处理是一种生理和心理过程，现在还没有完全搞清楚其原理，各种彩色模型的提出均是建立在实验的基础上。

根据各彩色模型的特点和应用范围，可将彩色模型大致分为三类：

彩色色度学模型、工业彩色模型和视觉彩色模型。

1.彩色色度学模型

1.1颜色的三刺激理论：

纯的单色光在实际生活中是少见的。

人们所见到的颜色都是混合色。

关于混合的三刺激理论基于下述假设：

在眼睛的中央部位有三种类型的对色彩敏感的锥状细胞。

其中一种类型的锥状细胞对位于可见光谱中间位置的光波敏感，这种光波经过人的眼-脑视觉系统转换产生绿色感。

其它两种锥状细胞对位于可见光谱的上、下端，即较长和较短波长的光波敏感，他们分别识别红色和蓝色。

人眼对绿色光最敏感，而对蓝色光最不敏感。

若这三种锥状细胞都感受到相同水平的辐射（单位时间内的能量），则眼睛看到的是白光。

[6]然而，从生理学角度看，由于眼睛仅包含三种不同类型的锥状细胞，因而对任意三种颜色适当的颜色均可产生白光视觉，条件是这三种颜色中任意两种的组合都不能生成第三种颜色。

这三种颜色成为三原色，也叫三基色。

Grassman对于彩色进行了长期的定量测量之后，提出了著名的三色调配公理[7]，摘要其中部分内容如下：

（1）任一种彩色可又不多于3种色光的混合度调配而成。

（2）由诸色光生成的混合，其分量不能被人眼辨认。

（3）彩色混合物的亮度是其各分量的亮度和。

1.2CIE—RGB彩色模型

1931年，国际照明委员会（CIE）制定了第一个彩色色度学模型CIE—RGB模型。

CIE—RGB模型是在三原色学说下建立起来的颜色模型，它把与三种锥状细胞对应的红色、绿色、蓝色作为三种基色，通过改变三原色的数量，混合出其它各种颜色。

其中λ[R]=700nm（红光波长），λ[G]=546.1nm（绿光波长），λ[B]=435.8nm（蓝光波长）。

CIE—RGB彩色匹配模型如图1所示。

1.3XYZ彩色模型

CIE—RGB彩色模型并不能产生所有颜色。

从图中可以看出，在某些情况下，颜色还会出现负值，这是实际系统无法实现的。

为了克服这一缺点，CIE于1956年提出了XYZ彩色模型。

CIE—XYZ颜色空间包含了人类能够发觉的所有颜色。

其中三刺激值X、Y、Z是为消除色度坐标中负值而设计的，并不代表真实的物理彩色。

它与CIE—RGB彩色模型的转换公式如下：

X0.4900.3100.200R

Y=0.1770.8130.011*G

Z0.0000.0100.990B

对于标准白光，有X=Y=Z=1,其彩色匹配图如图2所示：

现定义CIE三刺激值的色度坐标x,y,z分别为：

x=X/（X+Y+Z）

y=Y/（X+Y+Z）

z=Z/（X+Y+Z）

则总有x+y+z=1。

这样，就可以考察x,y,z总量一定的情况下，各分量对彩色效果的作用。

显然，在x,y,z三个变量，其中某个变量可以用另外两个变量来表示，即只需其中任意两个变量就可以表示该彩色。

x,y,z三个变量任选两个变量组成直角坐标系，可在二维坐标系中表示任意色彩，相应的坐标系称为色度坐标系，x,y,z成为色度坐标。

在色度坐标系中形成的三角形色度图包括了整个可见光谱轨迹。

CIE委员会最后对XYZ三角形位置进行调整，使得当三个设想原色XYZ取相等值时所生成的颜色为白色。

下图是对所有可能彩色进行处理得到以色光波长为参变量的色度变化图（如图3所示）和色差变化图（如图4所示）

在图中，舌形图的外形轮廓线是灰度线，连接舌形图两极的直线为紫色线，可实现的彩色色度位于舌形封闭曲线内部。

从图（3）中可以看出，人眼对绿光最敏感，可以感受到的绿光光谱范围最宽。

在图（4）中，椭圆区域表示人眼不能分辨彩色差别的区域，在该区域内的彩色均被视为同一种彩色，即该椭圆区域内的各种彩色均可用同一种彩色表示，这实际就是彩色图像彩色空间的一个潜在压缩因素。

1.4均匀色差彩色模型

从图中可以看出，XYZ彩色模型的色差（两个颜色点的距离表示两种颜色的差别）的分布是不均匀的，色度图中两种颜色的色差与人眼感觉到的色差不一致。

也就是说，色度图中距离大的，并不对应视觉上两个颜色的差别就大。

这个特点使人们应用CIE--XYZ模型甚感不便。

为此，1976年，CIE在XYZ彩色模型的基础上又提出两种视觉均匀色差彩色模型L*U*V*和L*a*b*。

在这两个彩色空间模型中L*分量和XYZ彩色模型中的Y分量一样都是表示图像亮度的分量。

1.4.1L*U*V*彩色模型

L*U*V*与XYZ彩色模型的转换

L*=116f（Y/Yn）-16

U*=13L*（U´–U´n）式

（1）

V*=13L*（V´–V´n）

式中：

Xn,Yn,Zn为标准白光所对应的XYZ值。

在L*U*V*彩色空间中，测量两种彩色的色距可以用欧式距离来定义，如式

（2）所示，相同距离的彩色色差与人眼的主观感觉基本一致。

正如我们开始提到的，L*分量与图像的亮度有关；而在U*V*平面中U*V*向量的模

与色差相关，而U*V*向量的相角arctg（U*/V*）则与图像的色调有关。

在这个公式中：

C表示两种彩色Va和Vb的距离。

当C约等于2.9时，人眼刚好能辨认这两种颜色，换句话说，当距离C<2.9时，两中彩色的色差是不可辨认的，被视为同一种颜色。

1.4.2L*a*b*彩色模型

L*a*b*与XYZ彩色模型的转换：

式中，Xn,Yn,Zn为标准白光对应的值。

在L*a*b*彩色空间中，两种彩色的色距C可以用欧式距离来定义，如式（4）所示。

相同距离的彩色色差与人眼的主观感觉基本一致，当C约等于2.1时，两中彩色的色差人眼刚好能辨认。

正如在L*U*V*彩色空间，L*a*b*彩色模型中L*分量与图像亮度有关,并且在a*b*平面中a*b*向量的模与色差有关，向量的相角arctg（a/b）与图像的色调有关。

2.工业彩色模型

除了前面讨论的彩色色度学模型外，在实际应用中为了和实际硬件将结合，人们提出了各种在工业上用的彩色模型，其中最常用的是RGB工业模型、CMYK彩色印制模型、彩色传输模型等。

2.1RGB彩色显示模式

该模型广泛用于CRT显示器、数字扫描仪、数字摄像机和显示设备上，它是当前应用最广泛的一种彩色模型。

RGB彩色模型可用一个三维空间第一象限的立方体来表示，如图5所示。

彩色立方体中有三个角对应于红、绿、蓝三种基色，分别对应三种基色的补色黄、青、品红。

从立方体的原点（黑色）到白色顶点的主对角线被称为灰度线，线上所有点具有相等三分量，产生灰色影调。

RGB模型与CIE-RGB模型间有线性关系：

Rcie1.167-0.146-0.151R

Gcie=0.1440.7530.159G

Bcie-0.0070.0591.128B

X0.6070.1740.201R

Y=0.2990.5870.114G

Z0.0000.0660.117B

RGB模型是一种加色系统，如图6所示，主要应用于发光体，几乎大部分的监视器都采用这种彩色模型。

因而，他在真实感图形绘制系统中得到广泛应用。

在此系统中计算的任何颜色都落在RGB彩色立方体内。

RGB系统的优点:

（1）简单。

（2）其它表色系统必须最后转化成RGB系统才能在彩色显示器上显示。

RGB系统的缺点:

（1）RGB空间用红、绿、蓝三原色的混合比例定义不同的色彩,使不同的色彩难以让人用准确的数值来表示,并进行定量分析;

（2）在RGB系统中,由于彩色合成图像信道之间相关性很高,使合成图像的饱和度偏低,色调变化不大,图像视觉效果差;

（3）人眼不能直接感觉红、绿、蓝三色的比例,而只能通过感知颜色的亮度、色调以及饱和度来区分物体,而色调和饱和度与红、绿、蓝的关系是非线性的.

因此,在RGB空间中对图像进行增强处理结果难以控制。

2.2CMYK彩色印制模型

它主要适用于印刷油墨和调色剂等实体物质产生颜色的场合,广泛用于彩色印刷领域。

ＣＭＹＫ彩色模型是一种减色模型,色彩来源于青、品红、黄3种基色。

这3种基色从照射纸上的白光中吸收一些颜色,从而改变光波产生颜色,即从白光中减去一些颜色而产生颜色,如青色是从白光中减去红色得到的；黄光是从白光中减去绿光得到的。

从白色中减去所有的红色、蓝色、绿色就得到黑色，故彩色印刷设备无法产生白色，白色只能由白纸产生。

CMY与RGB的转换公式如下：

C=1–R

M=1-G式（3）

Y=1-B

在ＣＭＹ颜色模式中,理论上,白纸会100%反射入射光,把ＣＭＹ三种100%颜色混合则会吸收所有的光，产生黑色。

在实际印刷中,纸总是吸收一些光,青、洋红、黄3原色油墨难免有些杂质,因而100%的3原色组合形成的黑色往往呈现混浊的灰色,黑度不够,为了弥补这一缺陷,印刷中加入了黑色颜料,即Ｋ色,称此为ＣＭＹＫ模型。

ＣＭＹ模型也修正为ＣＭＹＫ模型。

K=Min（C,M,Y）

C=C–K

M=M–K式（4）

Y=Y–K

在该模型中,彩色图像的每个像素值用青、品红、黄、和黑4种油墨的百分比来度量颜色,浅颜色像素的油墨百分比较低,深颜色像素油墨的百分比较高,没有油墨的情况为白色。

ＲＧＢ和ＣＭＹＫ彩色模型,看上去相差甚远,实质上两者是互补关系。

可用颜色轮来描述这种关系,如图7所示。

2.3彩色传输模型

彩色传输模型主要用于彩色电视机信号传输标准，主要有YUV、YIQ和YCrCb模型。

他们的共同特点是都能向下兼容黑白显示器，即在黑白显示器上也能显示彩色图像，只不过显示为灰度图像。

三种彩色传输模型中，Y分量均表示黑白亮度分量，其余分量用于显示彩色信息。

2.3.1YUV彩色传输模型

Y分量代表黑白亮度信号，而U和V分别表示彩色信息用以显示彩色图像。

对于黑白显示器而言，只需利用Y分量进行图形显示,彩色图像转为灰度图像。

YUV彩色模型适用于PAL、SECAM彩色电视系统。

好处如下：

（1）亮度信号解决了彩色电视机与黑白电视机兼容的问题。

（2）大量实验表明：

人眼对彩色图像细节的分辨本领比对黑白图像要低得多。

因此，用Y信号传递细节，用色差信号U、V进行大面积彩色涂抹。

YUV彩色模型和RGB工业模型转换公式如下：

Y0.2990.5870.114R

U=-0.147-0.2870.436G式（5）

V0.615-0.515-0.100B

2.3.2YIQ彩色传输模型

1953年，YIQ模型被美国国家电视标准委员会（NTSC）采用为电视广播标准，它是经YUV模型旋转色差分量而形成的彩色空间。

在该模型中Y轴指定为亮度的近似；余下两轴为彩色信息，I轴作为蓝—红色信号形成的橙色向量；Q轴作为黄--绿形成的品红向量，他们尽可能的被安排选择占用很小的带宽，因此传输速率高。

且I、Q两个向量中任一个都不能对应心理学上感知的量，人眼不能直接分辨。

根据CIE定义，YIQ和RGB模型的相互转化如下式：

Y=0.299R+0.587G+0.114B

I=0.596R–0.275G–0.321B=0.736（R-Y）–0.268（B-Y）式（6）

Q=0.212R–0.523G+0.311B=0.478（R-Y）+0.413（B-Y）

Icos33sin33U

=式（7）

Q-sin33cos33V

2.3.3YCrCb彩色传输模型

YCrCb彩色模型是由国际电联（ITU—RBT.601[898]）制定的一个全球的数字视频标准。

它主要用于两种不同电视制式（彩色和黑白）的兼容。

YCrCb模型是YUV彩色模型的离散形式，适用于计算机用的显示器型[19]。

其中Y分量的范围为[16，235]，Cr、Cb分量的范围为[16，245]。

与RGB工业模型的转换公式为[19]：

Y0.2290.5870.114R0

Cr=0.500-0.1487-0.0813G+128式（8）

Cb-0.1687-0.33130.500B128

3.彩色视觉模型

前面讨论的彩色模型是从色度学和硬件实现的角度提出的，用户难以用他们来描述视知觉的颜色。

从人眼视觉特性来看，用色调（Hue）、饱和度（Saturation）、亮度（Illumination）来描述彩色空间能更好的与人的视觉特性相匹配。

人眼彩色视觉主要包括色调、饱和度、亮度三要素。

色调指的是颜色的种类，主要由光的波长决定，不同的波长呈现不同的颜色，色调也就不同；饱和度的概念可以描述如下：

假如你有一桶纯红色的颜料，它对应的色度为0，饱和度为1，混入白色颜料后红色变得不在强烈，就减少了它的饱和度，但它并没有变暗，粉红色对应的饱和度约为0.5左右。

随着更多的白色染料加入到混合物中，红色变得越来越淡，饱和度降低，最后接近于零（白色）。

相反，将黑色染料加入到纯红色染料中，它的亮度将降低（变黑），它的色度和饱和度将保持不变。

纯色光中没有白色，饱和度最高，随着掺入的白光的增加，纯色光的饱和度将降低，若只有白光，饱和度为零。

亮度指人眼感受到的光的明暗程度，光的能量越大，则亮度越高；反之，亮度越暗。

基于人眼视觉的三要素，人们建立了多种彩色模型，如HVC模型、HIS模型、HLS模型和HSB模型等。

彩色视觉模型的优点在于：

（1）彩色视觉模型的三个要素相对于人的视觉分量，彼此之间相互独立（视觉心理和物理两方面），能够获得对彩色的直观表示；

（2）视觉彩色模型空间均为彩色空间，各彩色指根据主干评价均匀量化、彩色距离的大小与人眼的感觉一致。

（3）由于彩色激励均匀分布，很容易建立误差优化准则，将量化误差控制在要求的范围内。

3.1HVC彩色视觉模型

孟赛尔颜色系统是比较经典的表面色系统。

它从心理学的角度，根据视觉特点制定颜色分类、定标系统。

它一个三维立体模型把各表面色的三种基本特性：

明度、色调、饱和度全部表示出来（如图）。

立方体中每一个小方块代表一种颜色，中央轴线代表非彩色的黑白系列表面色的10个等级，且后来编排出了10个和CIE—XYZ系统的色度坐标（x,y）相对应的色品图，称为孟赛尔色品卡的CIE色品图。

离开中央轴的水平距离代表饱和度的变化。

每一个水平剖面表示在某一亮度下，色调和饱和度的分布。

和其它理想的视觉彩色模型相比，蒙赛尔系统中饱和度最大的颜色并不在一个圆周上。

如图（13）：

蒙塞尔颜色系统的每一个水平剖面上有10个等角度分布的色调，主要色调和中间色调各5种，分别是红（R）、黄（Y）、绿（G）、蓝（B）、紫（P）、黄红（YR）、绿黄（GY）、蓝绿（BG）、紫蓝（PB）、红紫（RP），更细致的划分结果是将每一种色调有分成10个等级，并规定主要色调和中间色调的等级都为5，剖面图中每一块小面积的颜色都可以用色调、亮度、饱和度这三个指标来表示，形式如下：

HV/C=色调亮度/饱和度

NV/=中性色亮度

其中，色调亮度/饱和度就是我们提到的HVC彩色模型。

HVC彩色模型是最早通过主观评价测试建立的均匀视觉彩色空间。

在该模型中。

任意两种颜色的欧式距离正比与人眼感到的