顏色空間概述

http://blog.csdn.net/viweei/article/details/5026268 

顏色空間概述

 

　　 人類獲取信息的70~80%來源於視覺。

   　多媒體計算機的圖像處理和視頻效應的過程：首先必須把連續的圖像函數f(x,y) 進行空間和幅值上的離散化處理。然後再將離散化的數字信息還原為連續的圖像。將空間坐標離散化與圖像顏色離散化的兩者結合叫做圖像的數字化,離散化的結果稱為數字圖像。

　　1．采樣

采樣（Perceptionmedium）將空間連續坐標(x,y)函數離散化。
　　
　　采樣原理（惠特克—卡切尼柯夫—香農）——對連續圖像彩色函數f(x,y)，沿x方向以等間隔Δx采樣，采樣點數為N；沿y方向以等間隔Δy采樣，采樣點數為N；於是得到一個NxN的離散樣本陣列[f(m,n) ]NxN，為了達到最小失真（還原）度，采樣密度（間隔Δx與Δy應滿足采樣頻率大於等於二倍的圖像變化頻率。
　　
　　采用上述采樣定理後，所確定的數字圖像的還原失真度最小（仍存在失真）。 

　　2．量化

量化（Representationmedium）將圖像函數f(x,y) 顏色的離散化。 
　　　　對每個離散點（像素）的灰度或顏色樣本進行數字化處理。即：在樣本幅值的動態范圍內進行分層、取整，以正整數表示。用G=2m,表示一幅黑白灰度的圖像表示為：級（m）87654321灰度級256128643216842

　　二．顏色的基本概念

　　亮度、色調、飽和度

Y亮度：亮度是光作用於人眼所引起的明亮程度的感覺，它與被觀察物體的發光強度有關。主要表現光的強和弱。
H色調：色調是當人眼看一種或多種波長的光時所產生的色彩感覺，它反映顏色的種類，是決定顏色的基本特征。
S飽和度：飽和度是指顏色的純度即摻入白光的程度，表示顏色深淺的程度。
例如：紅 + 白光 =　粉紅色 飽和度下降
　　 紅 + 另一種顏色的光　　　色調發生變化
色調和飽和度通稱為——色度。

　　三基色(RGB)的原理

　　自然界常見的各種顏色光，都是由紅(R)、綠(G)、藍(B)三種顏色光按不同比例相配而成，同樣絕大多數顏色也可以分解成紅、綠、藍三種色光，這就是色度學中最基本的原理—三基色原理。

紅色+綠色=黃色

紅色+藍色=品紅

綠色+藍色=青色

紅色+綠色+藍色=白色

　　RGB和黑白電視信號不兼容，希望空中發射的信號轉換成YUV信號。

　　當白光的亮度用Y來表示時，它和紅、綠、藍三色的關系可用如下方程描述：

　　NTSC電視制式：
　　　Y=0.299R+0.587G+0.114B

　　PAL電視制式的亮度方程為：　
　　　Y=0.222R+0.707G+0.071B

　　　　　　

　　三．彩色空間表示

　　1．RGB彩色空間

一個能發出光波的物體稱為有源物體，它的顏色由該物體發出的光波決定，使用RGB相加混合模型。
　　計算機彩色顯示器的輸入需要RGB三個彩色分量，通過三個分量的不同比例，在顯示屏幕上合成所需要的任意顏色。在RGB彩色空間，任意彩色光F的配色方程可表達為：

F = r[R]（紅色百分比） +g[G]（綠色百分比） + b[B]（藍色百分比）

 

　　2．CMY色彩空間

　　一個能不發光波的物體稱為無源物體，它的顏色由該物體吸收或者反射哪些光波決定，使用CMY相減混合模型。

　　彩色印刷或彩色打印的紙張是不能發射光線的，因而印刷機或彩色打印機就只能使用一些能夠吸收特定的光波而反射其它光波的油墨或顏料。

　　油墨或顏料的三基色是青（Cyan）、品紅（Magenta）和黃（Yellow），簡稱為CMY。青色對應藍綠色；品紅對應紫紅色。理論上說，任何一種由顏料表現的色彩都可以用這三種基色按不同的比例混合而成，這種色彩表示方法稱CMY色彩空間表示法。彩色打印機和彩色印刷系統都采用CMY色彩空間。

　　青色，品紅，黃色分別是紅、綠、藍三色的補色。

　　3．YUV和YIQ彩色空間

電視系統中用YUV和YIQ模型來表示的彩色圖像。

·PAL彩色電視制式中使用YUV模型：Y表示亮度信號，U、V表示色差信號，UV構成彩色的兩個分量。
·NTSC彩色電視制式中使用YIQ模型，其中Y表示亮度，I、Q是兩個彩色分量。

YUV 彩色空間特點
· 亮度信號（Y）和色度信號（U，V）是相互獨立的，也就是Y信號分量構成的黑白灰度圖與用U，V信號構成的另外兩幅單色圖是相互獨立的。由於Y，U，V是獨立的，所以可以對這些單色圖分別進行編碼。黑白電視機能夠接收彩色電視信號也就是利用了YUV分量之間的獨立性。

電視系統為什麼采用YUV或YIQ模型呢？

·眼對彩色圖象細節的分辨本領比對黑白圖象低，因此，對色差信號， U , V，可以采用「大面積著色原理」。

大面積著色原理

· 用亮度信號Y 傳送細節，用色差信號U . V 進行大面積涂色。因此，彩色信號的清晰度由亮度信號的帶寬保證，而把色差信號的帶寬變窄。正是由於這個原因，在多媒體計算機中，采用了YUV彩色空間，數字化的表示，通常采用Y:U:V = 8:4:4， 或者 Y:U:V = 8:2:2。
·例如8:2:2具體的做法是：對亮度信號Y，每個像素都用8位2進制數表示（可以有256級亮度），而U ， V 色差信號每4個像素點用一個8位數表示，即畫面的粒子變粗，但這樣能夠節約存儲空間，將一個像素用24為表示壓縮為用12位表示，節約1/2存儲空間，而人的眼睛基本上感覺不出這種細節的損失，這實際上也是圖像壓縮技術的一種方法。

YIQ彩色空間的優點

·美國，日本等國采用了NTSC制式，選用的是YIQ彩色空間。Y仍為亮度信號，I，Q仍為色差信號，他們與U, V不同，（但可以相互轉換）。

選擇YIQ彩色空間的好處：

·人眼的彩色視覺的特性表明，人眼分辨紅、黃之間顏色變化的能力最強，而分辨藍與紫之間顏色變化的能力最弱。通過一定的變化，I對應於人眼最敏感的色度，而Q對應於人眼最不敏感的色度。這樣，傳送Q可以用較窄的頻寬，而傳送分辨率較強的I信號時，可以用較寬的頻帶。對應於數字化的處理，可以用不同位數的字節數來記錄這些分量。

　　4．HIS彩色空間

　　　 　

　　四．彩色空間的轉換及實現技術

　　RGB，HSI，YUV，CMYK等不同的色彩空間只是同一物理量的不同表示法，因而它們之間存在著相互轉換關系，這種轉換可以通過數學公式的運算而得。例如，CMY為相減混色，它與相加混色的RGB空間正好互補。

　　1．RGB與CMYK彩色空間的轉換
　 　CMYK為減基色，RGB為加基色，兩個空間正好互補，用白色減去RGB空間中的某一彩色值就等於同種顏色在CMYK空間中的值。
　　　紅色＋青色＝綠色＋品紅＝藍色＋黃色＝白色　

　　2．YUV、YIQ、HIS與RGB之間的轉換

　五．彩色電視信號制式

 

　　電視信號是視頻處理的重要信息源。電視信號的標准也稱為電視的制式。目前各國的電視制式不盡相同，不同制式之間的主要區別在於不同的刷新速度、顏色編碼系統和傳送頻率等。目前世界上常用的電視制式有中國、歐洲使用的PAL制，美國、日本使用的NTSC制及法國等國所使用的SECAM制。

　　1．NTSC制

NTSC(National Television Standard Committe)是美國國家電視系統委員會在1953年制定的一種兼容的彩色電視制式，是目前常用的視頻標准，在美國、日本和其他國家廣為使用。它定義了彩色電視機對於所接受的電視信號的解碼方式、色彩的處理方式、屏幕的掃描頻率。NTSC制規定水平掃描線有625條，以每秒30幀速率傳送。NTSC采用隔行掃描方式，每一幀畫面由兩次掃描完成，每一次掃描畫出一個場需要1/60秒,兩個場構成一幀。

　　2．PAL制

　　PAL(Phase Alternate Lock)是聯邦德國1962年制定的一種兼容電視制式。PAL意指「相位逐行交變」，我國和大部分西歐國家都使用這種制式。PAL制規定水平掃描625行、每秒25幀、隔行掃描、每場需要1/50秒。

　　3．SECAM

三種彩色電視制式的主要技術指標

TV制式

NTSC

PAL

SECAM

幀頻(Hz)

30

25

25

行/幀

525

625

625

亮度帶寬(MHz)

4.2

6.0

6.0

彩色幅載波(Hz)

3.58

4.43

4.25

聲音載波(MHz)

4.5

6.5

6.5