色彩空间转换原理介绍

色彩空间转换原理介绍1 彩色空间基本概念2常用彩色空间1RGB彩色空间2CMYK彩色空间3HSI彩色空间4.YUV色彩空间3 RGB与YCrCb相互转换1 彩色空间基本概念色彩空间一词源于英语Color Space，也叫色域。实际上就是各种色彩的集合范围。色彩的种类越多，色彩空间越大，能够表现的色彩范围（即色域）就越广。对于具体的图像设备而言，其色彩空间就是这个图像设备所能表现的色彩的总和。要表述这些色彩，就要按一定的规律把这些色彩组织起来，人们建立了多种类型的色彩模型，以一维、二维、三维甚至四维空间坐标来规范表示这些色彩，系统化的色彩空间就是某种坐标系统所能定义的色彩范围。经常用到的色彩空间类型有RGB、CMYK、Lab YUV等。它们各自又可以细分出很多类型的色彩空间标准， RGB色彩空间又可以分为：AdobeRGB、AppleRGB、sRGB、prophoto RGB、ColorMatch RGB等几种，这些色彩空间都是基于某些硬件设备的用途而专门设置的，多用于各自的显示设备（显示器、投影仪）、输入设备（数码相机、扫描仪）、输出设备（打印机、数字扩印）等。CMYK色彩空间是专门针对印刷制版和打印输出制定的。它描述的实际就是不同颜色墨水的配比，与具体的设备、耗材密切相关。正如前面所提到的，虽然配比相同，不同的墨水在不同的纸张上所呈现的色彩也会有所不同。在CMYK色彩空间模式中，描述的是正常视力范围内的所有颜色。在所有的色彩空间标准中，它的色彩空间最广，是一种常用的色彩模式。其中，“L”代表亮度，“a”代表从绿色到红色，“b”代表从蓝色到黄色。 YCrCb格式的色彩空间用一个亮度信号和两个色彩信号表现色彩，易于实现压缩，方便传输和处理，它被广泛用于广播、电视。正是由于这一点，它也被广泛应用于计算机视频和图像处理中，广播、视频和成像标准使用YCrCb色彩空间还有一个重要原因，就是与人的视觉系统很有关系，人的眼镜对低频信号比高频信号更敏感，对明视度的改变也比对色彩的改变敏感的多。在计算机视频和图像处理中，使用液晶显示器（LCD）在色彩调整时会受到多种因素的影响。2常用彩色空间256种颜色，例如一个像素，当它的红、绿、蓝成分分别为255、0、255时显示为紫色。而对于灰度图像的像素，该像素的红、绿、蓝成分是相等的，只不过随着这三个分量数值的增大，像素颜色从黑色变成白色。自然界中的所有颜色都可以由红、绿、蓝（R、G、B）三种颜色合成，数字图像也是如此。针对红（绿/蓝）分量的多少，人为地划分为0255共256个等级，0表示不含红色（绿/蓝）成分，255表示含有100%红色（绿/蓝）成分。根据红、绿、蓝各种不同的组合就能表示各种颜色。从上面介绍可知，彩色数字图像可以由RGB彩色空间表示。彩色空间是用来表示彩色的数学模型，又被称为彩色模型。RGB彩色空间是最常用的一种彩色空间，但在计算机系统中表达颜色信息的空间不止这一种，此处介绍4种最常用的彩色空间。1RGB彩色空间几乎所有的彩色成像设备和彩色显示设备都采用RGB（Red / Green / Blue，红绿蓝）三基色，不仅如此，数字图像文件的常用存储形式，也以RGB三基色为主，由RGB三基色为坐标形成的空间称为RGB彩色空间。根据色度学原理，自然界的各种颜色光都可由红、绿、蓝三种颜色的光按不同比例混合而成，同样，自然界的各种颜色光都可分解成红、绿、蓝三种颜色光，所以将红、绿、蓝三种颜色称为三基色。图1所示是RGB三基色合成其他颜色的典型例子和RGB彩色空间以及基色间的关系。由图可以看出，青色可以由绿色和蓝色合成，洋红（或品红）可以由红色和蓝色合成，黄色可以由红色和绿色合成，而青色、洋红和黄色恰好是CMY（Cyan/Magenta/Yellow）三基色。当RGB三基色以等比例或等量进行混合时，可以得到黑、灰或白色，而采用不同比例进行混合时，就得到千变万化的颜色。 图1 RGB三基色原理图在RGB彩色空间中，任意彩色光L的配色方程参见公式：其中，rR、gG、bB为彩色光L的三基色分量或百分比。2CMYK彩色空间自然界物体颜色光的形成方式将物体划分为两类发光物体和不发光物体，发光物体称为有源物体，不发光物体称为无源物体。有源物体是自身发出光波的物体，其颜色由物体发出的光波决定，因此采用RGB三基色相加模型和RGB彩色空间描述。有源物体的例子包括彩色电视、彩色显示器等。无源物体是不发出光波的物体，其颜色由该物体吸收或反射哪些光波来决定，因此采用CMY三基色相减模型和CMY彩色空间描述。例如，在彩色印刷和彩色打印时，纸张是不能发射光线而只能反射光线的，因此，彩色印刷机和彩色打印机只能通过一些能够吸收特定光波和反射其他光波的油墨和颜料以及它们的不同比例的混合来印出千变万化的颜色。油墨和颜料的三基色是CMY（Cyan / Magenta / Yellow，青/洋红/黄）而不是RGB，CMY三基色的特点是油墨和颜料用得越多，颜色越暗（或越黑），所以将CMY称为三减色，而RGB称为三加色。理论上讲，等量的CMY可以合成黑色，但实际上纯黑色是很难合成出来的，所以彩色印刷机和彩色打印机要提供专门的黑色油墨，被人们称为四色印刷，四色印刷的彩色模型为CMYK模型。3HSI彩色空间另一种常见的彩色模型是HSI（Hue / Saturation / Intensity，色调/饱和度/强度）模型。采用色调和饱和度来描述颜色，是从人类的色视觉机理出发提出的。色调Hue表示颜色，颜色与彩色光的波长有关，将颜色按红橙黄绿青蓝紫顺序排列定义色调值，并且用角度值（0360）来表示。例如红、黄、绿、青、蓝、洋红的角度值分别为0、60、120、180、240和300。饱和度Saturation表示色的纯度，也就是彩色光中搀杂白光的程度。白光越多饱和度越低，白光越少饱和度越高且颜色越纯。饱和度的取值采用百分数（0%100%），0%表示灰色光或白光，100%表示纯色光。强度Intensity表示人眼感受到彩色光的颜色的强弱程度，它与彩色光的能量大小（或彩色光的亮度）有关，因此有时也用亮度Brightness来表示。通常把色调和饱和度统称为色度，用来表示颜色的类别与深浅程度。人类的视觉系统对亮度的敏感程度远强于对颜色浓淡的敏感程度，对比RGB彩色空间，人类的视觉系统的这种特性采用HSI彩色空间来解释更为适合。HSI彩色描述对人来说是自然的、直观的，符合人的视觉特性，HSI模型对于开发基于彩色描述的图像处理方法也是一个较为理想的工具，例如在HSI彩色空间中，可以通过算法直接对色调、饱和度和亮度独立地进行操作。采用HSI彩色空间有时可以减少彩色图像处理的复杂性，提高处理的快速性，同时更接近人对彩色的认识和解释。4.YUV色彩空间YUV（亦称YCrCb）是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法（属于PAL），是PAL和SECAM模拟彩色电视制式采用的颜色空间。其中的Y,U,V几个字母不是英文单词的组合词，Y代表亮度，UV代表色差，U和V是构成彩色的两个分量。在现代彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄影机或彩色CCD摄影机进行取像，然后把取得的彩色图像信号经分色、分别放大校正后得到RGB，再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y和两个色差信号BY（即U）、RY（即V），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。这种色彩的表示方法就是所谓的YUV色彩空间表示。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信号分量，那么这样表示的图像就是黑白灰度图像。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相容问题，使黑白电视机也能接收彩色电视信号。YUV主要用于优化彩色视频信号的传输，使其向后相容老式黑白电视。与RGB视频信号传输相比，它最大的优点在于只需占用极少的频宽（RGB要求三个独立的视频信号同时传输）。其中“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰阶值；而“U”和“V” 表示的则是色度（Chrominance或Chroma），作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。“亮度”是透过RGB输入信号来建立的，方法是将RGB信号的特定部分叠加到一起。“色度”则定义了颜色的两个方面色调与饱和度，分别用Cr和Cb来表示。其中，Cr反映了GB输入信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异。而Cb反映的是RGB输入信号蓝色部分与RGB信号亮度值之同的差异。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，那么这样表示的图像就是黑白灰度图像。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电视信号。YUV的部分取样，广播、视频和成像标准使用YUV色彩空间还有一个重要的原因，就是与人的视觉系统很有关系。人类的眼睛对低频信号比对高频信号具有更高的敏感度。事实上，人类的眼睛对明视度的改变也比对色彩的改变要敏感的多。因此对人类而言，Y分量比U分量重要，根据人眼的这一特征，在不使用任何复杂算法的前提下，可以适当地抛弃U和V分量以达到压缩的目的，这就是部分取样。部分取样的常见方式有YUV444（无压缩）、YUV422（33.3%压缩）、YUV411（50%压缩）、YUV420（50%压缩）等，其中的数字表明了Y、U、V 3个分量的取样比例，即各分量水平取样因子与垂直取样因子乘积的比例。本次设计不考虑YUV的取样方式，在实际应用环境中再根据要求选取适当的取样方式。其中，4:2:0并非是色差信号采样为0，而是和4:1:1相比，在水平方向上提高1倍色差采样频率，在垂直方向上以.Cr/Cb 间隔的方式减小一半色彩采样。各种采样模式表如下： 图一 YUV422取样格式 图二 YUV411取样格式 图三 YUV420取样格式3 RGB与YCrCb相互转换RGB色彩模式是通过对红(R)、绿(G)、蓝(B)三个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色的，RGB即是代表红、绿、蓝三个通道的颜色，这个标准几乎包括了人类视力所能感知的所有颜色，是目前运用最广的颜色系统之一。 RGB是从颜色发光的原理来设计定的，它的颜色混合方式就好像有红、绿、蓝三盏灯，当它们的光相互叠合的时候，色彩相混，而亮度却等于两者亮度之总和,越混合亮度越高，即加法混合。 有色光可被无色光冲淡并变亮。如蓝色光与白光相遇，结果是产生更加明亮的浅蓝色光。在色彩空间YUV中的Y,U,V几个字母不是英文单词的组合词，Y代表亮度，UV代表红色和绿色的色差，U和V是构成彩色的两个分量。在现代彩色电视系统中，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。这种色彩的表示方法就是所谓的YUV色彩空间表示。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信号分量，那么这样表示的图像就是黑白灰度图像。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相容问题，使黑白电视机也能接收彩色电视信号。RGB与YUV色彩空间转换时数值大小如表3所示。表3RGB与YCrCb之间的对应矩阵关系如下： （1）为方便设计实现，化简数学关系式得：Y=(1/256)(4096+129G)+(66R+25B)Cr=(1/256)(32768+112R)-(94G+18B) （2） Cb=(1/256)(32768+112B)-(38R+74G)同理YCrCb转换为RGB的关系式为： （3）经化简RGB与CrCb转换关系式R=(1/256)297(Y-16)+408(Cr-128)G=(1/256)297(Y-16)-208(Cr-128)-100(Cb-128) （4）B=(1/256)297(Y-16)+516(Cb-128)RGB 在计算机领域有着举足轻重的地位，由于色彩显示器使用红、绿、蓝 3色来产生需要的颜色，所以被广泛用于计算机图形和成像之中然而，在处理现实世界的图像时，RGB并非很有效，因为它对所有色彩都用等长像素点的R、G、B 3色加以合成。这就使得每个像素在R、G、B 3个成分上拥有相同的像素深度和显示分辨率。而且，处理RGB色彩空间的图像也不是最有效的。由于上述和其他一些原因，系统一般采用YCrCb色彩空间。可以说在计算机领域,YCrCb色彩空间同样占据着重要地位。