图像及视频基础知识

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光和颜色

1 光和颜色

可见光是波长在380 nm～780 nm 之间的电磁波，我们看到的大多数光不是

一种波长的光，而是由许多不同波长的光组合成的。如果光源由单波长组成，就称为单色光源。该光源具有能量，也称强度。实际中，只有极少数光源是单色的，大多数光源是由不同波长组成，每个波长的光具有自身的强度。这称为光源的光谱分析。

颜色是视觉系统对可见光的感知结果。研究表明，人的视网膜有对红、绿、

蓝颜色敏感程度不同的三种锥体细胞。红、绿和蓝三种锥体细胞对不同频率的光的感知程度不同，对不同亮度的感知程度也不同。

自然界中的任何一种颜色都可以由R，G，B 这3 种颜色值之和来确定，以这三种颜色为基色构成一个RGB 颜色空间，基色的波长分别为700 nm(红色)、546.1nm(绿色)和435.8 nm(蓝色)。

颜色＝R(红色的百分比)＋G(绿色的百分比)＋B(蓝色的百分比)

可以选择不同的三基色构造不同的颜色空间，只要其中一种不是由其它两种

颜色生成。例如Y（Yellow,黄色），C（ Cyan，青色），M（Magenta，品红）。

2 颜色的度量

图像的数字化首选要考虑到如何用数字来描述颜色。国际照明委员会CIE

（International Commission on Illumination ）对颜色的描述作了一个通用的定义，用颜色的三个特性来区分颜色。这些特性是色调，饱和度和明度，它们是颜色所固有的并且是截然不同的特性。

色调(hue)又称为色相，指颜色的外观，用于区别颜色的名称或颜色的种类。

色调用红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫等术语来刻画。用于描述感知色调的一个术语是色彩(colorfulness)。

饱和度(saturation)是相对于明度的一个区域的色彩，是指颜色的纯洁性，

它可用来区别颜色明暗的程度。完全饱和的颜色是指没有渗入白光所呈现的颜色，例如仅由单一波长组成的光谱色就是完全饱和的颜色。

明度(brightness)是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少的感知属性。它

和人的感知有关。由于明度很难度量，因此国际照明委员会定义了一个比较容易度量的物理量，称为亮度(luminance) 来度量明度，亮度(luminance)即辐射的能量。明度的一个极端是黑色(没有光)，另一个极端是白色，在这两个极端之间

是灰色。

光亮度(lightness)是人的视觉系统对亮度(luminance)的感知响应值，光亮

度可用作颜色空间的一个维，而明度(brightness)则仅限用于发光体,该术语用来描述反射表面或者透射表面。

3 颜色空间

颜色空间是表示颜色的一种数学方法，人们用它来指定和产生颜色，使颜色

形象化。颜色空间中的颜色通常使用代表三个参数的三维坐标来指定，这些参数描述的是颜色在颜色空间中的位置，但并没有告诉我们是什么颜色，其颜色要取决于我们使用的坐标。

使用色调、饱和度和明度构造的一种颜色空间，叫做HSB(hue, saturation

and brightness)颜色空间。RGB(red，green and blue)和CMY(cyan, magenta and yellow)是最流行的颜色空间，它们都是与设备相关的颜色空间，前者用在显示器上，后者用在打印设备上。

RGB(red，green and blue)和CMY(cyan, magenta and yellow)是最流行的

颜色空间，前者用在显示器上，后者用在打印设备上。

从技术上角度区分，颜色空间可考虑分成如下三类：

Ø RGB 型颜色空间/计算机图形颜色空间：这类模型主要用于电视机和计算机的颜色显示系统。例如，RGB，HSI, HSL 和HSV 等颜色空间。

Ø XYZ 型颜色空间/CIE 颜色空间：这类颜色空间是由国际照明委员会定义的颜色空间，通常作为国际性的颜色空间标准，用作颜色的基本度量方法。例如，CIE 1931 XYZ，L*a*b，L*u*v 和LCH 等颜色空间就可作为过渡性的转换空间。

Ø YUV 型颜色空间/电视系统颜色空间：由广播电视需求的推动而开发的颜

色空间，主要目的是通过压缩色度信息以有效地播送彩色电视图像。例如，YUV，YIQ，ITU-R BT.601 Y'CbCr, ITU-R BT.709 Y'CbCr 和SMPTE-240M Y'PbPr 等颜

色空间。

4 颜色空间的转换

不同颜色可以通过一定的数学关系相互转换：

Ø 有些颜色空间之间可以直接变换。例如，RGB 和HSL，RGB 和HSB，RGB 和R'G'B', R'G'B'和Y'CrCb，CIE XYZ 和CIE L*a*b*等。

Ø 有些颜色空间之间不能直接变换。例如，RGB 和CIE La*b*, CIE XYZ 和HSL，HSL 和Y'CbCr 等，它们之间的变换需要借助其他颜色空间进行

过渡。

R'G'B'和Y'CbCr 两个彩色空间之间的转换关系用下式表示：

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B

Cr = (0.500R - 0.4187G - 0.0813B) + 128

Cb = (-0.1687R - 0.3313G + 0.500B) + 128

二、彩色电视的制式及其颜色空间

1、彩色电视制式

目前世界上现行的彩色电视制式有三种：NTSC 制、PAL 制和SECAM 制。这里

不包括高清晰度彩色电视HDTV (High-Definition television)。

NTSC(National Television Systems Committee)彩色电视制是1952 年美国

国家电视标准委员会定义的彩色电视广播标准，称为正交平衡调幅制。美国、加拿大等大部分西半球国家，以及日本、韩国、菲律宾等国和中国的台湾采用这种制式。

NTSC 彩色电视制的主要特性是：

(1) 525 行/帧, 30 帧/秒(29.97 fps, 33.37 ms/frame)

(2) 高宽比：电视画面的长宽比(电视为4:3；电影为3:2；高清晰度电视为

16:9)

(3) 隔行扫描，一帧分成2 场(field)，262.5 线/场

(4) 在每场的开始部分保留20 扫描线作为控制信息，因此只有485 条线的

可视数据。Laser disc 约~420 线，S-VHS 约~320 线

(5) 每行63.5 微秒，水平回扫时间10 微秒(包含5 微秒的水平同步脉冲)，

所以显示时间是53.5 微秒。

(6) 颜色模型：YIQ

一帧图像的总行数为525 行，分两场扫描。行扫描频率为15 750 Hz，周期为63.5μs；场扫描频率是60 Hz，周期为16.67 ms；帧频是30 Hz，周期33.33 ms。每一场的扫描行数为525/2=262.5 行。除了两场的场回扫外，实际传送图像

的行数为480 行。

由于NTSC 制存在相位敏感造成彩色失真的缺点，因此德国(当时的西德)于

1962 年制定了PAL(Phase-Alternative Line)制彩色电视广播标准，称为逐行倒

相正交平衡调幅制。德国、英国等一些西欧国家，以及中国、朝鲜等国家采用这种制式。

PAL 电视制的主要扫描特性是：

(1) 625 行(扫描线)/帧，25 帧/秒(40 ms/帧)

(2) 长宽比(aspect ratio)：4:3

(3) 隔行扫描，2 场/帧，312.5 行/场

(4) 颜色模型：YUV

法国制定了SECAM (法文：Sequential Coleur Avec Memoire)彩色电视广播标

准，称为顺序传送彩色与存储制。法国、苏联及东欧国家采用这种制式。世界上约有65 个地区和国家试验这种制式。

这种制式与PAL 制类似，其差别是SECAM 中的色度信号是频率调制(FM)，而