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大家好

这次课准备介绍

图像处理有关的色度学基本知识

色度学研究的

是人的颜色视觉规律

颜色测量的理论和技术

在数字图像处理领域汲取

和应用了色度学的

许多研究技术成果

首先

简单介绍一下色彩三要素

描述一种色彩需要用的三个参量

亮度 色调和饱和度

称为色彩三要素

亮度指光作用人眼

所引起的明亮程度的感觉

与色光所含能量有光

亮度反映光的明亮程度

色彩光辐射的功率越大

亮度越高

反之亮度越低

不发光物体的亮度

取决于它反射光功率的大小

若照射物体的光强度不变

物体反射性能越好

物体越明亮

反之越暗

对于一定的物体

照射光越强

物体越明亮

反之越暗

色调

色调指颜色的类别

例如红橙黄绿青蓝紫

等不同的颜色

它与光波长有关

改变光的波谱成分

光的色调就会发生变化

色调反映了色彩的类别

发光物体的色调

由光的波长决定

不同波长的光

呈现出不同的色调

不发光物体的色调

由照明光明和该物体的吸收反射

或透射特性共同决定

饱和度

饱和度指色调深浅程度

也就是纯度

饱和度与彩色光中

白光比例有关

白光比例越大饱和度越低

高饱和度的彩色光可加白光

来冲淡成低饱和度的彩色光

了解了色彩三要素

接下来介绍三基色原理

自然界中绝大多数彩色

可以分解为红绿蓝三基色

三基色按一定的比例混合

可得到自然界中绝大多数彩色

这就是三基色原理

混合色的色调和饱和度

由三基色的混合比例决定

混合色的亮度等于

三中基色亮度之和

1931年国际照明委员会CIE

规定水银光谱中R700纳米

G546.1纳米

B435.8纳米

为红绿蓝基色光

当红绿蓝三束光的比例

恰当组合时

就可以合成自然界中

常见的大多数色彩

将不同颜色混合在一起

能产生新的颜色

这种方法称为混色法

混色分为相加混色和相减混色

先说一下相加混色

各分色的光谱成分相加

混色所得的彩色光的亮度

等于等份基色亮度之和

这是相加混色的一些基本规律

红色加绿色加蓝色等于白色

红色加绿色等于黄色等等

再看一下相减混色

相减混色是利用颜料

染料的吸色特性来实现的

多用于彩色印刷

彩色胶片和绘画等

这里是一些相减混色的基本规律

青色等于白色减红色

品红等于白色减绿色等等

下面我们开始进入颜色模型话题

在数字图像中

我们关注色彩问题一出发点

是颜色模型

即颜色的表示

颜色模型是用来精准的标定

和生成各种颜色的

一套规则和定义

某种颜色模型

所标定的所有颜色

就构成了一个颜色空间

通常颜色模型分为两类

设备相关和设备无关

设备相关的颜色模型

这类颜色模型

依赖于设备的硬件特性

常用于显示

设备数据处理和传输等

例如应用于

显示设备的RGB模型

还有应用于

打印和印刷设备的

CMYK模型

常见的设备相关模型有

RGB CMYK RGSV

RGSL RUV WA

CLCB YUVYCbCr 等等

设备无关的颜色模型

这类颜色模型

是基于人眼

对色彩感知的度量

建立起来数学模型

主要是用于

理论上的颜色计算和测量

例如CRE的RGB

CRE的XYZ模型

以及由此发展延伸的CRE的LUV

CRE的LA B等颜色模型

这是一个

图像处理软件的识色器窗口

它展示了许多颜色的表征模型

下面将对一些主要的颜色模型

RJSV RABRGB和

CMYK进行介绍

首先来看一看RGB颜色模型

最常用的

也是最容易的理解的

就是RGB模型

它是一种相加混色模型

用红绿蓝三种基色的叠加

组合来表示各种颜色

常用于显示设备和图像处理

自然界中的可见光

都有自己独特的光谱特性

颜色其实是一种人的感官反映

之所以能够使用RGB

混合成其他颜色模型的光

是由于人类的视力感官系统导致的

将RGB以不同的比例混合后

人的眼睛可以形成与

其他各种频率的

可见光等效的色觉

所以才采用RGB作为三原色

RGB颜色模型是建立

在一个三维的笛卡尔坐标系里面

三个轴分为为红R绿J蓝B

颜色模型是立方体

RGB的每个坐标

分量的量化取值为0—25

原点000对应黑色里原点最远的顶点

255255255对应白色

原点到顶点的中轴线等X=Y=Z

代表灰度线

每个颜色值

都用三个颜色分量值RGB来表示

例如红色RGB的值等于255 0 0

绿色RGB的值等于0 255 0

RGB适合于

计算机表示和处理颜色

但是与人类的

视觉感知习惯不太相符

两种颜色在RGB空间中

可能很近

但在人的视觉上

颜色差别可能非常非常大

这种模型更适合与计算机使用

而不是人

后面将介绍的SHV模型

H是色度S是饱和度

V是或者是B表示亮度

也较SHB模型

更符合人的视觉习惯

接下来介绍CMYK模型

CMYK模型呢

是一种相减混合模型

是颜料在纸张上的光线

吸收特性为基础建立的

主要应用于印刷和打印等领域

当阳光照射到一个物体上时

这个物体将吸收一部分

光线并将剩下的光线进行反射

反射的光线就是

人眼所能看见的物体颜色

我们看不发光的物体

的颜色就用到了相减模型

以此为基础

衍生出了适用印刷

的CMYK颜色图形

CMYK代表印刷上面的四种颜色

C代表青色

M代表洋红色

Y代表黄色

K代表黑色

在理论上

绝大多数颜色都

可以用三种基本颜色

青色 洋红和黄色按一定比例混合得当

但在实际应用中

由于印刷有某种杂志的存在

使青色洋红色和黄色等量的叠加

也很难形成真正的黑色

最多呢不过是一种褐色

因此才引入了K黑色

作为基本色形成了

CMYK颜色模型

相加混色的RGB模型

和相减混色的CMYK之间

成对出现互补色

例如当RGB为1：1：1的时候

在相加混色中产生的是白色

而CMYK为1：1：1的时候

在相减混色中产生黑色

CMYK模型是最佳的打印模型

可以避免打印色彩的损失

而RGB模型尽管色彩多

但不能完全打印出来

存在打印色彩失真的情况

CMYK模型的色彩运算速度

要比RGB模型慢

因为对于同样的图像RGB模型

只需要处理三个颜色通道就可以

而CMYK模型则需要处理四个

RGB与CMYK之间可以进行互相变化

这是从RGB到CMYK变化的公式

它需要假设RGB颜色值都归一

划到零一的范围内

这个是从CMYK到RGB的变化

在其中CMY取值的范围是0到1

虽然RGB空间和CMYK空间

可以进行转换

但是RGB颜色和CMYK颜色

并不能完全一一对应

会存在黑色部分的替换

取值问题

CMYK颜色空间是与设备相关的

视觉对于颜色的感知

是非线性的

而且颜色的指定也不直观

我们接下来介绍一下HSV模型

HSV模型对人类来说

是一种最直观的颜色模型

HSV模型可以

使用到锥形的模型来表示

模型中的H表示色像及光谱颜色

在首尾相接的颜色环中的位置

该参数的取值范围是零度—360度

红色对应角度零

绿色对应角度120度

蓝色对应角度240度

每一种颜色和它的补色相差180度

色相的物理意义

就是光的波长

不同波长的光呈现了不同的色相

S表示色彩的饱和度

也称纯度

这是一个比例值

它表示所选颜色的纯度

和该颜色最大的纯度之间的

比率取值范围是0—1

当S等于零的时候代表灰度

S对应到物理意义上即一束光

可能由很多种

不同波长的单色光组成

波长越多越分散

则色彩的纯净程度越低

而单色的光构成的色彩纯净程度

就很高

V表示色彩的明亮程度

范围0到1

但与光强度没有直接关系

我们指定色彩角H并使V等于S

等于1.0

然后通过添加黑色

或者白色得到目标颜色

增加黑色可以减小V而S不变

这样就减小了该颜色的亮度

同样增加白色可以减小S

而V不变

这样就增加了颜色亮度

比如深蓝色是240度1.0 0.4

浅蓝色是240度0.4 1.0

在圆锥的顶点介于原点处 V等于零

H和S没有定义

这时代表黑色

圆锥的顶面中心处

S等于0 V=H没有定义

代表白色从该点到

原点代表亮度渐暗的灰色

其具有不同灰度的灰色

对于这些点S=0 S值不定义

可以说HSV模型中的V轴对应于

RGB颜色空间中的主对角色

在圆锥顶面的圆周上的颜色

V=1 S=1

这种颜色是纯色

一般的人的眼睛

最大能区分128种色彩

130种饱和度和23度明暗度

若仅使用16比特表示HSV值的话

可用7位存放H

4位存放S 5位存放V

即H7 S4 V5

或者H6 S5 V5就能满足需要

下面看到的呢

这是从RGB空间

到HSV空间的转换公式

需要设M=MAX的RGB值

N=MIN的RGB

其中RGB分别是归一化的

RGB颜色空间的模式

这个是从RGB到HSV转换的公式

给定在HSV空间中的

HSV值定义的一个颜色

带有上面的SH和分别表示

饱和度和名都的S和V

变化于零到1之间

在RGB空间对应的RGB三原色

就可以用这一组公式进行计算

用H和S表示原色距离

有学者通过实验

对HSV颜色空间模型进行大致划分

V大于75%ANDS五大于20%

为亮色彩区域

V小于25%为黑色区域

V大于75%andS小于20%为白色区域

其他的呢

为彩色区域

对于不同的彩色区域

是和H与SV变量

根据划定的阈值

就可以进行简单的颜色分割

HSV不适合在使用光照的模型中

大部分光线混合运算

光强度运算

都无法直接使用HSV模型来实现

好下面介绍CRELAB模型

相加混色模型的RGB

和相减混色模型的CMYK的物理意义

是很清楚也很直观

但他们都是

具有设备依赖特性的颜色模型

不便于不同设备间的通用

为了解决这个问题

CRE就是国际照明委员会的专家

在RGB模型基础上

用数学的方法

从真实的基色推导出理论的三基色

创建了CRERGB、CREXYZ颜色模型

使生成的颜色与设备无关

能够统一的计算和度量颜色

随后为了解决颜色空间的视觉

感知一致性问题

也就是两种颜色之间的距离

与颜色变化的感知不一致

在1976年提出了

CRELUV和CRELAB颜色空间的规范

CRELUV是一种

用于自照明的颜色空间

CRELAB是一种

用于非自照明的颜色空间

它规范的应称之为CREL*A*B*

这两个颜色空间

与颜色的感知更均匀

而且给了人们评估

两种颜色近似程度一种方法

它允许使用数字量

ΔE表示两种颜色之差

CREL*A*B颜色模型

能够让人均匀的

感知色彩变化

弥补了RGB与CMYK

两种颜色模式的不足

它可描述人眼可见的

最完备的颜色模型

它色域范围比显示设备打印设备

以及人类视觉感知的范围都大

常作为从一种颜色模型

到另一种颜色模型转换的中间桥梁

L*A*B*模型也是有三个通道组成

L通道是亮度

L*=0表示黑色

而L*=100这是白色

A和B是颜色通道

A包括的颜色是

从深绿色低亮度值到灰色

中亮度值再到洋红色高亮度值

B包括的颜色是

从亮蓝色低亮度值到

灰色中亮度值再到黄色高亮度值

A和B两个分量的

取值范围是-100到+100

当A=0 B=0时显示的灰色

如果要用L*A*B*模式

来表示RGB颜色

那么R色值为L=54

A=81B=70

G色值为L=88

A=-79

B=81

B色值为L=29

A=68

B=-112

如果要表达CMYK颜色C设值为

L=62

A=-31

B=-64

M色值为L=48

A=83

B=-3

Y色值为L=94

A=-14

B=100

L*A*B*模型的

色彩表达范围是最全的

其次是RGB模型

最窄的是CMYK模型

L*A*B*模型

能表示它们不能表现的色彩

人类能感知的色彩

都能通过L*A*B*模型表示出来

L*A*B*模型的色彩通道

与RGB一样

都是三个通道比CMYK要少

因此色彩处理速度

与RGB模式同样快

比CMYK要快数倍

L*A*B*模式它弥补了

RGB模型中色彩

分布不均匀的不足

在RGB模型中

蓝色到绿色之间过渡色彩多

而绿色到红色之间

缺少黄色和其他色彩

所以如果想在数字图像

处理中保留宽广的色域

和丰富的色彩

最好选择L*A*B*模型

在完成处理进行输出时

再根据需要

不同设备要求转换成

RGB或CMYK模型的色彩

使用L*A*B*模型很重要的

一个作用是可以进行色差比较

CREL*A*B*是均匀的颜色空间

所谓均匀是当颜色数值

均匀变化时人的感觉

也是均匀变化的

在L*A*B*中比较任何

两个颜色的相对感知差别

可以把每个颜色

作为三维空间一个点

L*A*B*来近似

并计算在两点之间的

欧几里得距离

在L*A*B*空间中

这个O式距离就是色差ΔE*ab

这是它的公式

与我们已经熟悉的RGB模型类似

YUV也是一种颜色定义模型

主要用于电视系统

以及模拟视频领域

在YUV空间中

每一个颜色有一个亮度信号Y

也就是灰度值

和两个色度信号U和V

用于描述影象色彩及饱和度

指定象素的颜色

在YUV中亮度是

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

色度定义了颜色的两个方面

色调和饱和度

分别用CR和CD来表示

其中CR反映了RGB输入信号中

红色部分与RGB信号亮度

之间的差异

而CB反映的是输入信号中

蓝色部分与RGB信号

亮度之间的差异

由于它将亮度信息

与色彩信息分离

没有UV信息一样

可以显示完整的图像

只不过是黑白图像

这样的设计很好的解决了

彩色电视与黑白电视兼容问题

并且YUV不像RGB那样

要求三个独立的

视频信号同时传送

所以用YUV方式

传送占用极少的带宽

YUV颜色空间与RGB

颜色空间可以相互转换

上面这组公式

是由RGB来生成YUV

下面这组是由

YUV反过来去生成RGB

有关颜色空间的内容

我们就介绍到这里

谢谢大家