第8章(郭书友)图像色彩的变化

1、ＲＧＢ模型
RGB颜色模型是 三维直角坐标颜色系 统中的一个单位正方 体如图2所示。在正方 体的主对角线上，各 原色的量相等，产生 由暗到亮的白色，即 灰度。（0，0，0） 为黑，（1，1，1） 为白，正方体的其他6 个角点分别为红、黄、 绿、青、蓝和品红。
置信息可通过画面上指定的坐标系来表 示，而浓度信息可用0～255级灰度来处理。 绝大部分的可见光谱可以用红、绿和蓝 (RGB) 三色光按不同比例和强度的混合来 表示。在颜色重叠的位置，产生青色、品 红和黄色。因为 RGB 颜色合成产生白色， 所以RGB模型为加色模型，用于光照、视 频和显示器。例如，显示器通过红、绿和 蓝荧光粉发射光线产生彩色。
第八章
图像色彩的变化
一、色彩 1、色彩是人的眼睛对于不同频率的光线的不同感受，色
彩即是客观存在的(不同频率的光)又是主观感知的，有 认识差异(色盲患者就没有色彩的感知能力或感知能力很 差)。 2、 色彩三要素（Elements of color）是指色度（色调） （hue）、饱和度（纯度）（Saturation）和亮度（明度） （Brightness）。人眼看到的任一彩色光都是这三个特 性的综合效果。
r v, g t , b p , r q , g v, b p , r p , g v, b t , r p , g q , b v, r t , g p , b v, r v , g p , b q ,
CMY颜色模型对应的直角坐标系的子空间与RGB颜色模型 对应的子空间几乎完全相同。但是RGB和CMY颜色模型仍 具有一定的区别，如下表（二）所示。
3、ＣＭＹＫ模型 在ＣＭＹ颜色模式中,理论上,白纸会100%反射入射 光,把ＣＭＹ3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。Ｃ ＭＹＫ彩色模型也称为减色模型,色彩来源于青、洋红、 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,故称为减色模型。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,如彩色印刷领域。模型中彩 色图像的每个像素值用青、洋红、黄、和黑油墨的百分 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。
5、HSB模型 基于人类对色彩的感觉，HSB 模型描述颜 色的三个基本特征： a、色相H，在 0 到 360 度的标准色轮上， 色相是按位置度量的。在通常的使用中，色相是 由颜色名称标识的，比如红、橙或绿色。 b、饱和度S是指颜色的强度或纯度。饱和 度表示色相中彩色成分所占的比例，用从 0% （灰色）到 100%（完全饱和）的百分比来度量。 在标准色轮上，从中心向边缘饱和度是递增的。 c、亮度B，是颜色的相对明暗程度，通常 用从 0%（黑）到 100%（白）的百分比来度量。
0.114 R Y 0.299 0.587 Cr 0.500 0.419 0.018 G Cb 0.169 0.331 0.500 B
7、RGB与HSI
对于彩色图象分割而言，有时需要将RGB变换为HSI 坐标，以便反映人类观察彩色的方式，转换公式如下：
3、色调是指画面上表现情 感的设色及其浓淡。 4、亮度是指光源的颜色属 性，表现为光源所发的光 由极暗（亮度最小）到极 亮（亮度最大）之间的变 化。 5、饱和度是指彩色的浓度。 饱和度为零是白色，而最 大饱和度可能是最深的颜 色。亮度、色相、饱和度 的关系如下图1所示。
对于颜色的三种基本属性，可以通过改变写 入R、G、B三个位面内的数据值进行操作，但 因R、G、B的数据值与亮度、色相、饱和度的 关系并不是很明显。故要从R、G、B中把亮度 信号与色彩信号分离出来。其关系式如下： Y=0.3R+0.59G+0.11B ① Cr=R-Y=0.7R-0.59G-0.11B ② Cb=B-Y=-0.3R-0.59G+0.89B ③
三、不同色彩空间之间的转换 1、RGB与CMY 青、品红、黄（CMY）彩色模型是彩色图象印 刷行业使用的彩色空间，在彩色立方体中它们是红、 绿、蓝的补色，称为减色基，而红、绿、蓝称为加 色基。在CMY模型中，颜色是从白光中减去一定成 分得到的。CMY坐标可以从RGB模型中得到：
C 1 R M 1 G Y 1 B
由于在印刷时CMY模型不可能产生真正 的黑色，因此在印刷业中实际上使用的是 CMYK彩色模型，K为第四种颜色，表示黑 色：从CMY 到CMYK的转换：
K : min(C , M , Y ) C : C K M : M K Y : Y K
2、RGB与HSV a.查表法 RGB颜色模型到HSV颜色模型之间转换的 算法要复杂一些。从RGB颜色模型到HSV颜色 模型的最可靠的方法是首先把RGB坐标转换为 1931CIE-XYZ系统中的（x， y， Y）坐标，然 后根据（x， y， Y）查找对应表，得到相应的 （H， S， V）坐标。逆向操作则可以从HSV坐 标转换到RGB坐标。xyY坐标与HSV坐标的对照 表已由色度学实验得到[Newhall 1943]。但是这 种方法需要依赖对照表，比较笨重。
4、LAB模型 Lab 色彩模型是在 1931 年国际照明委员会 （CIE）制定的颜色度量国际标准的基础上建立 的。1976 年，这种模型被重新修订并命名为 CIE Lab。 Lab颜色设计为与设备无关；不管使 用什么设备（如显示器、打印机、计算机或扫描 仪）创建或输出图象，这种颜色模型产生的颜色 都保持一致。 Lab颜色由心理明度分量 (L) 和两 个色度分量组成；这两个分量即 a 分量（从绿 到红）和 b 分量（从蓝到黄）。 Lab模型能表 达的色彩空间比RGB、CMYK模型所表达颜色 范围大。
①式为亮度信号Y与R、G、B信号之间的关 系而②、③式是色彩信号与R、G、B信号关系 的表达式。Cr 、Cb是分别从R、B中把亮度信号 减去后的形式，故称为色差信号。 反之，由亮度信号、色差信号求出R、G、B 信号的公式如下： R=Y+Cr ④ G=Y-0.3Cr/0.59-0.11Cb/0.59 ⑤ B=Y+Cb ⑥
5、RGB与CIE YUV
0.587 0.114 R Y 0.299 U 0.147 0.289 0.435 G V 0.615 0.515 0.100 B
6、RGB与YCbCr 为了区分YCC颜色空间中的两个C，分别用Cr和Cb来表示
s0 r m& g b r m& g b gm bm
从HSV颜色坐标到RGB颜色坐标的转换：
if (h 360)
h i , 60
h0
f h%60
其中％为取余数运算，即f为h除以60的余数
p v * (1 s) q v * (1 s * f ) t v * (1 s * (1 i5
3、RGB与CIE XYZ
X 0.608 0.714 0.200 R Y 0.299 0.587 0.144 G Z 0.000 0.066 1.112 B
6、YIO、YUV模型 美国国家电视系统委员会（NTSC）定义了用光亮度和 色度传递信号的格式YIQ，其中Y代表亮度信息，I，O为 色度值；欧洲定义了相交替的YUV格式。YUV格式与 YIQ格式类似，差别在于空间上多一个三十三度的旋转。 与YUV彩色空间具有数字等价性的YCbCr彩色空间是以 演播室质量标准为目标的CCIR601编码方案中采用的彩 色表示模型，Cb与U分量对应，而Cr与V分量对应。在 该编码方案中，亮度信号与色度信号Cb、Cr的采样比率 为4：2：2，这是因为人眼对色度信号的变化没有对亮 度信号的变化来的敏感。 YUV模式由一个亮度信号Y和两个色差信号U，V组成。 它是利用了人眼对亮度信号敏感而对色度信号相对不敏 感的特点，将RGB颜色通过亮度信号公式 Y=0.39R+0.50G+0.11B转换为一个亮度信号Y和两个色 差信号U（R-Y），V（B-Y），即对色差信号进行了频 带压缩，这是以牺牲信号的质量为代价的。
4、CIE XYZ与CIE L*a*b L的范围是0~100，a, b的范围是-300~300。从-a到+a表 示绿到红过渡，-b到+b表示蓝到黄过渡。从-a到+a表示 绿到红过渡，-b到+b表示蓝到黄过渡。
4X 9Y u' , v' X 15Y 3Z X 15Y 3Z L 116 f (Y / Yn ) 16, u 13L(u 'un ' ), v 13L(v'vn ' ) a 500[ f ( X / X n ) f (Y / Yn )],b 500[ f (Y / Yn ) f (Z / Z n )
b.数学公式 从RGB颜色坐标转换到HSV颜色坐 标 。设m=max(r, g, b)，n=min(r, g, b)，其中r, g, b分别是归一化的RGB颜 色空间中的值。
vm (m n) / m, m 0 s m0 0, 0, 60( g b) /(m n), h 360 60( g b) /(m n), 120 60(b r ) /(m n), 240 60(r g ) /(m n),
二、色彩空间 “色彩空间”一词源于西方的“Color Space”， 又称作“色域”，色彩学中，人们建立了多种色 彩模型，以一维、二维、三维甚至四维空间坐标 来表示某一色彩，这种坐标系统所能定义的色彩 范围即色彩空间也称色彩（色调）模型。通俗一 点讲色彩空间就是各种色彩的集合，色彩的种类 越多，色彩空间越大，能够表现的色彩范围即色 域越广。 常用的色彩空间模型有：RGB色彩模型， CMYK色彩模型，LAB色彩模型，HSB色彩模型， YIQ、YUV色彩模型，CMY色彩模型。