颜色空间(Daguo)

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,*,Click to edit Master title style,Himax Media Solutions Proprietary & Confidential,2010/03/,25,daguo,学习报告,第三章：颜色空间,学习内容提纲,彩色信号的简介,彩色全电视信号的形成及传输,几种常见的颜色空间,2,一、彩色信号简介,3,彩色三要素,亮度：指彩光作用于人眼引起明暗程度的感觉，通常用,Y,表示，亮度与色光的能量及波长的长短有关。,色调：彩色光颜色的类别。,饱和度：颜色的深浅程度，即颜色的浓度。,彩色三要素,亮度,色调,饱和度,色度,4,三基色原理,三基色原理：只要选取自然界三种不同颜色的单色光按照一定的比例混合就能得到自然界中大多数的彩色光，具有这种特性的三个单色光就叫三基色。在彩色电视系统中的三基色就是红、绿、蓝。,三基色原理告诉我们：,三基色必须是相互独立的，即任何一种颜色都不能有另外两种颜色混合产生。,三基色的混合比例决定了混合色的色调和饱和度。,自然界中大多数颜色都能有三基色按照一定的比例混合而得到，或者说自然界中大多数颜色都能分解成三基色。,混合色的亮度等于该混合色各个基色亮度之和。,5,混色方法,概念：把三基色按照不同的比例混合获得彩色的方法成为混色方法。,相减混色法,相加混色法,时间混色法（顺序制彩色电视）,空间混色法（同时制彩色电视）,生理混色法,在彩色电视系统中一般用相加混色法,6,色度三角形,红,绿,蓝,白,7,亮度、色差与,R,、,G,、,B,之间的关系,由亮度方程知：,Y=0.3R+0.59G+0.11B,那么：,R-Y=0.7R-0.59G-0.11B,G-Y=0.41G-0.3R-0.11B,B-Y=0.89B-0.59G-0.3R,通常选用（,R-Y,）和（,B-Y,）作为色差信号代表色度信号这是因为对于大多数彩色来说（,G-Y,）比（,R-Y,）和（,B-Y,）数值要小，如果选择（,G-Y,）对信噪比不利。,注意,8,亮度、色差与,R,、,G,、,B,之间的关系,在彩色电视系统中，就是要选用传送,Y,、（,R-Y,）和（,B-Y,）三个信号代替传送,R,、,G,、,B,，达到传送亮度、色调、色饱和度三个颜色参量的目的。,对于传送黑白电视信号，反映色调与饱和度（即色度）的色差信号为零故,R,、,G,、,B,相等。,在传送彩色电视信号时，三基色,RGB,不相同。如果三个值均不为零，则说明该传送的彩色是非饱和色，因为其中必然包含由相等的三基色组成的白色成分。,在传送彩色电信号是若,RGB,之中有一个或两个为零说明该传送的彩色肯定是饱和色。,9,100%,幅度、,100%,饱和度彩条三基色、亮度、色差电平值,色别,白,黄,青,绿,品,红,蓝,黑,R,G,B,1,1,1,1,1,0,0,1,1,0,1,0,1,0,1,1,0,0,0,1,1,0,0,0,Y,1.00,0.89,0.7,0.59,0.41,0.3,0.11,0.00,R-Y,0.00,0.11,-0.7,0.59,0.59,0.7,-0.11,0.00,B-Y,0.00,-0.89,0.3,-0.59,0.59,-0.3,0.89,0.00,G,-Y,0.00,0.11,0.3,0.41,-0.41,-0.3,-0.11,0.00,彩调亮度信号的特点是：含直流、单极性、亮度递减、非等级差；而彩条色差信号的特点却是：交流、奇对称、不含直流成分。,10,二、彩色全电视信号的形成与传输,11,色度信号的形成,在,NTSC,制中将正交调幅与平衡调幅结合起来，把两个色差信号分别对正交的两个副载波进行平衡调幅得到的已调信号，称其为色度信号。,平衡条幅就是抑制载波的一种调制方式，它与普通的调幅波的不同之处在于平衡调幅不输出载波，这样就节省了发射功率。,12,一般调幅,调幅就是被调制信号的振幅随调制信号而变化。,13,14,平衡调幅,所谓平衡调幅，是指抑制载波的一种调制方式。它与普通调幅不同之处在,于不输出载波， 使得调幅波中没有,UScoswSt,项平衡调幅波为调制信号,与载波信号之积，所以，平衡调制器实质上是一个乘法器，其频谱仅含,(,S,),两个边频分量，不含载波,S,成分。,平衡调幅波形（,a,）调制信号（,b,）载波（,c,）平衡调幅波,15,平衡调制的特点,平衡调幅波的幅度与调制信号幅度的绝对值成正比。当调制信号的绝对值最大时，平衡调幅波幅度最大；当调制信号等于零时，平衡调幅波幅度也为零。,调幅信号为正值时，平衡调幅波与载波同相；调制信号电压为负值时，平衡调幅被与载波反相。当调制信号电平过零而改变其电压极性时，平衡调幅波相位随之变化,180,。,16,正交调幅,将两个调制信号分别对频率相等、相位相差,90,的两个正交载波进行调幅，然后再将这两个调幅信号进行矢量相加（频带宽度没有增加），这一调制方式称正交调幅。如果,两个调制信号分别对正交的两个载波进行平衡调幅,，其合成信号即为正交平衡调幅信号。,彩色电视系统中，为实现色度与亮度信号频谱交错，应用了正交平衡调幅的方式，只用一个副载波便实现对两个色差信号的传输，而且在解调端采用同步解调又很容易分离出红色差与蓝色差分量。,17,色度信号的形成,在将两个色差信号分别对两个正交的副载波进行平衡调幅之前，对其进行适当的幅度压缩，这是不失真传输所需要的。压缩后的色差信号分别用,U,和,V,表示，它们与压缩前的色差信号的关系是：,U = 0.493(B-Y),V = 0.877(R-Y),式中,0.493,和,0.873,称为色差信号的压缩系数。压缩后的色差信号分别对两个正交副载波,sinSCt,和,cosSCt,进行平衡调幅，从而得到两个平衡调幅信号,FU,和,FV,：,FU =,UsinSCt,FV =,VcosSCt,这两个平衡调幅信号,FU,、,FV,（又称蓝色度分量和红色度分量）频率相等，相位相差,90,，保持着正交关系，将两者相加便得到正交平衡调幅的色度信号,F,：,F = FU + FV = U,sinSCt,+ V,cosSCt,F,也可以用矢量表示如下：,18,正交调制的实现框图,由右边两式可见，色度信号,F,的振幅,Fm,取决于,U,、,V,值的大小；色度信号,F,的相角 取决于,V,与,U,的比值，它决定着彩色的色调。这说明色度信号,F,包含着色调和色饱和度信息，是一个既调幅又调相的信号。当色度信号的相位发生变化时，会引起色调变化；当色度信号的振幅发生变化时，会引起饱和度变化。,19,同步检波原理,要从彩色全电视信号中获得两个色差信号，首先必须把色度信号从全电视信号中分离出来，然后送同步检波电路，利用两个色度分量,FV,、,FU,的相位差来解调出色差信号的。其解调原理如图所示。,20,同步检波器可看成两个受副载波控制的开关，如图所示。开关工作特点是，当副载波为正的最大值时，开关闭合，其余时间开关断开。将色度信号,F = U,sinSCt,+ V,cosSCt,送入这两个同步检波开关。在,FU = U,sinSCt,分量出现最大值时，,U,同步解调开关闭合，这时,FV,分量恰好为零，从而把,U,分量解调出来。同理亦可解调出,V,分量。由于控制同步检波的副载波必须与被检波的色度信号相位相同，所以称同步检波。 同步检波可解调出色差信号，还可由数学分析加以证明。,式中,U / 2,是解调输出的色差信号，频带为,0 1.3 MHz,；其余两项为副载波的谐波成分，频率为副载波的二倍，很容易用低通滤波器将其滤,除，从而得到色差信号。 同理，用,cosSCt,与,F,相乘，经低通滤波器提取出,V / 2,色差信号分量。,21,色同步信号,要实现同步解调，需要一个与色差信号调制时的副载波同频、同相的恢复副载波。由于色度信号中副载波已被平衡调制器所抑制，所以在彩色电视接收机中需要设置一个副载波产生电路（副载波恢复电路）。为保证所恢复副载波与发端的副载波同频、同相，需要发端在发送彩色全电视信号的同时发出一个能 反映发端副载波频率与相位信息的,“,色同步信号,”,，以使电视接收机中的副载波恢复电路所产生的恢复副载波与发端的副载波同步。,22,三、几种常见的颜色空间,23,几种常见的颜色空间,HSV,颜色空间,H,SI,颜色空间,RGB,颜色空间,SHL,颜色空间,SHB,颜色空间,Ycc,颜色空间,XYZ,颜色空间,Lab,颜色空间,YUV,颜色空间,24,RGB,颜色空间,RGB(red,green,blue,),颜色空间最常用的用途就是显示器系统，彩色阴极射线管,彩色光栅图形的显示器 都使用,R,、,G,、,B,数值来驱动,R,、,G,、,B,电子枪发射电子，并分别激发荧光屏上的,R,、,G,、,B,三种颜色的荧光粉 发出不同亮度的光线，并通过相加混合产生各种颜色；扫描仪也是通过吸收原稿经反射或透射而发送来 的光线中的,R,、,G,、,B,成分，并用它来表示原稿的颜色。,RGB,色彩空间称为与设备相关的色彩空间,因为不同 的扫描仪扫描同一幅图像，会得到不同色彩的图像数据；不同型号的显示器显示同一幅图像，也会有不同 的色彩显示结果。显示器和扫描仪使用的,RGB,空间与,CIE 1931 RGB,真实三原色表色系统空间是不同的，后者 是与设备无关的颜色空间。,25,26,XYZ,颜色空间,国际照明委员会,(CIE),在进行了大量正常人视觉测量和统计,1931,年建立了,标准色度观察者,， 从而奠定了现代,CIE,标准色度学的定量基础。由于,标准色度观察者,用来标定光谱色时出现负 刺激值，计算不便，也不易理解，因此,1931,年,CIE,在,RGB,系统基础上，改用三个假想的原色,X,、,Y,、,Z,建立了一个新的色度系统。,27,HSV,颜色空间,HSV(hue,saturation,value,),颜色空间的模型对应于圆柱坐标系中的一个圆锥形子集，圆锥的顶面对应于,V=1.,它包含,RGB,模型中的,R=1,，,G=1,，,B=1,三个面，所代表的颜色较亮。色彩,H,由绕,V,轴的旋转角给定。红色对应于 角度,0,，绿色对应于角度,120,，蓝色对应于角度,240,。在,HSV,颜色模型中，每一种颜色和它的补色相差,180,。 饱和度,S,取值从,0,到,1,，所以圆锥顶面的半径为。,HSV,颜色模型所代表的颜色域是,CIE,色度图的一个子集，这个 模型中饱和度为百分之百的颜色，其纯度一般小于百分之百。在圆锥的顶点,(,即原点,),处，,V=0,H,和,S,无定义， 代表黑色。圆锥的顶面中心处,S=0,，,V=1,H,无定义，代表白色。从该点到原点代表亮度渐暗的灰色，即具有不同 灰度的灰色。对于这些点，,S=0,H,的值无定义。可以说，,HSV,模型中的,V,轴对应于,RGB,颜色空间中的主对角线。 在圆锥顶面的圆周上的颜色，,V=1,，,S=1,这种颜色是纯色。,HSV,模型对应于画家配色的方法。画家用改变色浓和 色深的方法从某种纯色获得不同色调的颜色，在一种纯色中加入白色以改变色浓，加入黑色以改变色深，同时 加入不同比例的白色，黑色即可获得各种不同的色调。,28,HSI,颜色空间,HSI,色彩空间是从人的视觉系统出发，用色调,(Hue),、色饱和度,(Saturation,或,Chroma,),和亮度,(Intensity,或,Brightness),来描述色彩。,HSI,色彩空间可以用一个圆锥空间模型来描述。用这种 描述,HIS,色彩空间的圆锥模型相当复杂，但确能把色调、亮度和色饱和度的变化情形表现得很清楚。 通常把色调和饱和度通称为色度，用来表示颜色的类别与深浅程度。由于人的视觉对亮度的敏感 程度远强于对颜色浓淡的敏感程度，为了便于色彩处理和识别，人的视觉系统经常采用,HSI,色彩空间， 它比,RGB,色彩空间更符合人的视觉特性。在图像处理和计算机视觉中大量算法都可在,HSI,色彩空间中 方便地使用，它们可以分开处理而且是相互独立的。因此，在,HSI,色彩空间可以大大简化图像分析 和处理的工作量。,HSI,色彩空间和,RGB,色彩空间只是同一物理量的不同表示法，因而它们之间存在着 转换关系。,29,H,IS,、,HLS,、和,HSV,的颜色空间转换,HIS,（色调、饱和度、亮度）和,HSV,（色调、饱和度、纯度）颜色空间在处理颜色时更加直观，在设计上似的颜色感知和解释的方式与人接近。在需要手动指定颜色值时经常使用它们。,HLS,（色调、亮度、饱和度）类似于,HIS,。,HIS,和,HSV,颜色空间之间的差异在于亮度分量（,I,或,V,）的计算方式，亮度分量同时确定了亮度（,I,或,V,）和饱和度（,S,）的分布和动态取值范围。,30,Ycc,颜色空间,柯达发明的颜色空间,由于,PhotoCd,在存储图像的时候要经过一种模式压缩，所以,PhotoCd,采用了,Ycc,颜色空间，,Ycc,空间将亮度作由它的主要组件，具有两个 单独的颜色通道，采用,Ycc,颜色空间 来保存图像，可以节约存储空间。,31,Lab,颜色空间,Lab,颜色空间是由,CIE(,国际照明委员会,),制定的一种色彩模式。自然界中任何一点色都可以在,Lab,空间 中表达出来，它的色彩空间比,RGB,空间还要大。另外，这种模式是以数字化方式来描述人的视觉感应， 与设备无关，所以它弥补了,RGB,和,CMYK,模式必须依赖于设备色彩特性的不足。 由于,Lab,的色彩空间要 比,RGB,模式和,CMYK,模式的色彩空间大。这就意味着,RGB,以及,CMYK,所能描述的色彩信息在,Lab,空间中都能 得以影射。,Lab,颜色空间取坐标,Lab,，其中,L,亮度；,a,的正数代表红色，负端代表绿色；,b,的正数代表黄色， 负端代表兰色,(,a,b,),有,L=116f(y)-16, a=500f(x/0.982)-f(y), b=200f(y)-f(z/1.183 ),；其中：,f(x,)=7.787x+0.138, x0.008856,32,YUV,颜色空间,YUV,颜色空间,在现代彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄像机或彩色,CCD(,点耦合器件,),摄像机，它把摄得的彩色图像 信号，经分色、分别放大校正得到,RGB,，再经过矩阵变换电路得到亮度信号,Y,和两个色差信号,R,Y,、,B,Y,， 最后发送端将亮度和色差三个信号分别进行编码，用同一信道发送出去。这就是我们常用的,YUV,色彩空间。,33,采用,YUV,颜色空间的重要性,采用,YUV,色彩空间的重要性是它的亮度信号,Y,和色度信号,U,、,V,是分离的。如果只有,Y,信号分量而没有,U,、,V,分量， 那么这样表示的图就是黑白灰度图。彩色电视采用,YUV,空间正是为了用亮度信号,Y,解决彩色电视机与黑白电视机 的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色信号。根据美国国家电视制式委员会，,NTSC,制式的标准，当白光的 亮度用,Y,来表示时，它和红、绿、蓝三色光的关系可用如下式的方程描述：,Y=0.3R+0.59G+0.11B,这就是常用 的亮度公式。色差,U,、,V,是由,B,Y,、,R,Y,按不同比例压缩而成的。如果要由,YUV,空间转化成,RGB,空间，只要进行 相反的逆运算即可。与,YUV,色彩空间类似的还有,Lab,色彩空间，它也是用亮度和色差来描述色彩分量，其中,L,为 亮度、,a,和,b,分别为各色差分量。,34,YIQ,颜色空间,NTSC,是世界上第一个用于彩色电视广播，并在商业上取得成功的彩色电视制式。这一制式在正交平衡调制之前，将压缩的色差信号进行了一定得变换，从而产生了,I,、,Q,信号这样做可以是色差信号频带进行进一步的压缩。,研究表明，人眼对红黄分辨力最强，而对蓝品之间颜色分辨力最弱。在色度图中,I,表示人眼最为敏感的色轴而以与之垂直的,Q,轴表示最不敏感的色轴。这样讲,YUV,信号变换成信号只是进行一下坐标轴的旋转。,35,YCbCr,颜色空间,随着世界上数字分量视频标准的发展，,YCbCr,已经逐渐发展起来了。,YCbCr,颜色空间是,YUV,空间的缩放和偏移版本。,Y,定义为具有,8,位，标称颜色范围为,16235,，,Cb,、,Cr,标称颜色定义范围为,16240.,36,关于非,RGB,颜色空间的注意事项,在处理非,RGB,颜色空间时，必须注意，有些值不能组合在一起，否则就不能产生无效的,RGB,颜色值。,从非,RGB,颜色空间转移到,RGB,颜色空间时，必须注意，要考虑到饱和处理逻辑以确保由于数字电路的有效精度而导致向下或向上溢出的反转条件不会发生。位,RGB,颜色值小于一定要设为，超过,255,的颜色值一定要设为,255.,37,附,1,：几种标准的白光源,A,光源：相当于,2800K,钨丝灯所发的光。其色温为,2854K,。它的光谱能量分布主要集中在波长较长的区域，因而,A,光源的光总带有橙红色。,B,光源：相当于中午直射的太阳光。其色温为,4800K,。在实验室中可由特制的滤色镜从,A,光源中获得。,C,光源：相当于白天的自然光。色温为,6800K,。其波谱成分在,400500nm,处较大，因此 光源偏蓝色，它被选作,NTSC,制彩色电视系统的标准白光源。,D,光源：相当于白天平均照明光。因此色温为,6500K,，故又称,D,光源 。它被选作为,PAL,制彩色电视系统的标准白光源。,E,光源：是一种理想等能量的白光源。其色温为,5500K,。他的光谱能量分布是一条平行于水平横轴的水平直线，在可见光范围之内，各波长具有相同的辐射功率。采用这种光源有利于彩色电视系统中问题的分析与计算。这种光源在实际中是不存在的，是假想的光源。,65,38,附二：,g,amma,校准,大多数,CRT,显示器的变换函数产生的亮度值正比于信号幅度的某种能量（称为,gamma,）。因此高亮度范围扩展了，而低亮度范围被压缩了。在抑制噪声方面，这是一个优点，这是因为人眼对相等的相对亮度变化具有差不多相同的敏感性。在发射之前对视频信号进行,gamma,校准，显示器亮度就大体是线性了，并且在发射过程中产生的噪声也会受到抑制。,为了最大程度的降低图像较暗区域的噪声，现代视频系统对黑色区域的曲线增益做了限制，而对曲线的其他部分做了扩展，以保证函数和正切的连续性。,39,Drive for better vision,