第四讲 颜色度量体系及标准

电视系统颜色空间：
2．由RGB到XYZ转换的计算 RGB到XYZ转换的计算 问题：给出RGB和参照白光在xy色度图中的坐标，求RGB到XYZ转换 设R：（xr,yr,zr=1-xr-zr） G: （xg,yg,zg=1-xg-zg） B: （xb,yb,zb=1-xb-zb） 参考白光（xn,yn,zn=1-xn-yn） 求：
CCIR：国际无线电咨询委员会 （Consultative Committee of International Radio ） 国际电信联盟（ITU）的常设机构之一。主要职责是研究无 线电通信和技术业务问题，并对这类问题通过建议书。 从1993年3月1日起，与国际频率登记委员会（IFRB）合并， 成为现今国际电信联盟（ITU）无线电通信部门，简称ITU-R。总 部位于瑞士日内瓦。
这里RGB和XYZ都表示坐标的值，取值范围0-1。
反变换：
R 2.364700 −0.896580 −0.468083 X G = −0.515150 1.426409 −0.088746 Y B −0.005203 −0.014407 1.009200 Z
（三）明度和亮度（明暗） 1．明度 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。 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。 明度和人的感知有关，目前还无法用物理设备来测量。 在许多颜色系统中，明度常用垂直轴表示，如图所示。图(b) 所示的七种颜色,它们具有相同的色调和饱和度，但它们的明度不 同，底部的明度最小，顶部的明度最大。 2．亮度 亮度表示光的强度。 在CIE XYZ系统中用Y表示。 由于明度很难度量，通常可以 用亮度即辐射的能量来度量。
(ar xr + ag xg + ab xb ):(ar yr + ag yg + ab yb ):(ar zr + ag zg + ab zb ) = X : Y : Z = xn : yn : zn
最后令白光时，Y=1,可求出三个比ag yg + ab yb = 1
色调不同于我们平时所说的颜色（色度）。同样的色调， 由于饱和度不同会呈现不同的颜色。
（二）饱和度（鲜艳与否） 饱和度(saturation)是颜色的纯洁性，可用来区别颜色艳丽 的程度。 当一种颜色渗入其他光（白光）成分愈多时，就说颜色愈不 饱和。完全饱和的颜色是指没有渗入白光所呈现的颜色。 饱和度在颜色圆上用半径表示，如图所示。沿径向方向上的 不同颜色具有相同的色调和明度，但饱和度不同。
三．CIE 1931 XYZ 定义想象中的三种基色X，Y和Z，由CIE 1931 RGB颜色空间 到XYZ颜色空间的变换式为:
X 0.489989 0.310008 0.20 R Y = 0.176962 0.812400 0.01 G Z 0.000000 0.010000 0.99 B
四．CIE 1931 xyY 由于色度只与X Y Z的比例有关，可对其归一化：
X x= X +Y + Z Y y= X +Y + Z Z z= X +Y + Z 有： x + y + z = 1
其中只需要知道x,y,z中的两个就可以确定色度，选择x,y。 另外，用Y表示亮度。构成xyY。
反变换：
X ? ? ? R Y = ? ? ? G Z ? ? ? B
思路：比例决定色调，考虑纯红色R=1,G=0,B=0,有：
X ar xr ? ? R Y = a y ? ? G r r Z ar zr ? ? B
ITU：国际电信联盟 英文名称：International Telecommunications Union
下辖： 电信标准部门（TSS，即ITU ITU-T） ITU 无线电通信部门（RS，即ITU ITU-R） ITU 电信发展部门（TDS，即ITU ITU-D） ITU
电磁波谱
颜色是人的视觉系统对可见光的感知结果。物体由于内部物 质的不同，受光线照射后，一部分光线被吸收，其余的被反射或 投射出来，成为我们所见的物体的颜色。所以，颜色既与光有密 切关系，也与被光照射的物体，以及与观察者均有关。 眼睛感知到的颜色和光波长之间的对应关系如图所示。纯颜 色通常使用光的波长来定义，用波长定义的颜色叫做光谱色 (spectral colors)。
X 0.489989 0.310008 0.20 R Y = 0.176962 0.812400 0.01 G Z 0.000000 0.010000 0.99 B
标准白光：（0.33 0.33）。
第2节 CIE 颜色系统
国际照明委员会（CIE） ：Commission Internationale de L‘Eclairage / International Commission on Illumination
CIE色度模型是最早使用的模型之一。 它是三维模型，其中，两维定义颜色，第三维（用Y表示）定义 亮度。
2)Y值表示人眼对亮度的响应!
3)和RGB一样，每一种颜色都可以表示成X，Y和Z的混合。 配色方程： C
= XX + YY + ZZ
当X=Y=Z，合成标准白光。
4)XYZ人为规定，与设备无关。
XYZ空间配色图如右： 1)所有的可见光都在锥体上。 2)所有的坐标轴都不在这个 实心锥体内。 3) 相应于没有光照的黑色位 于坐标的原点。 4) 曲线的边界代表纯光谱色 的三基色刺激值，这个边界叫 做光谱轨迹(spectral locus)。 5)通过原点的直线，色度（色 调）是一样的，仅亮度不同。
不同的RGB和白光的规定，就是不同的颜色标准！ 转换方程中求Y的方程最为重要，称为亮度方程，如果是 黑白电视，使用的就是Y信号。
3．ITU-R制定的BT.601标准 ITU- 制定的BT.601标准 BT.601 R：（0.67，0.33） G: （0.21，0.71） B: （0.14，0.08） 参考白光（0.310063，0.316158）（被称为C光源）
一．CIE 1931 RGB
定义：红光波长700nm 绿光波长546.1nm 蓝光波长435.8nm
二．配色 为了便于计算对白光的配色： 定义：1个红基色光R=1光瓦 1个绿基色光G=4.5907光瓦 1个蓝基色光B=0.0601光瓦 1光瓦=680流明(lm) 有：
C Ew = 1 × R + 1 × G + 1 × B
（一）色调 （色彩） 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。是最容易把颜色区分开的一种属性。 色调用红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫(red，orange, yellow，green，cyan，blue，indigo，violet)等术语来刻 画。 色调与颜色明暗无关。 黑、灰、白则为无色彩。 仔细分析，色调可有一千万种以上，但普通颜色专业人 士可辨认出的颜色大约可达三百至四百种。 色调有一个自然次序：红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、 紫。在这个次序中，当人们混合相邻颜色时，可以获得在这 两种颜色之间连续变化的色调。 色调在颜色圆上用圆周表示，圆周上的颜色具有相同的 饱和度和明度，但它们的色调不同。
其中EW代表标准白光
配色方程：
C = rR + gG + bB
r g b的比例决定色调，一般r+g+b=1。 把（r,g,b）看成三维空间中的一个点，这个空间称为颜色空间。
标准光源（色度学）： 以白光为标准。 以色温度量。 除了标准白光外， CIE还定义了多种国际 标准光源。如右图：
三基色原理：用红、绿和蓝单光谱基色可以匹配所有可见的颜色 下图表示用三基色匹配光谱色所需要的配色比例，横坐标 表示光谱波长，纵坐标表示用以匹配光谱各色所需要的RGB三基 色刺激值。 由图知：匹配在 438.1 nm和546.1 nm 之间的光谱色，红色 出现负值。这就意味 匹配这段里的光谱色 时，混合颜色需要使 用补色才能匹配。 如果两种色光相混合能形成白光，则这两种色光互为补色。
x X = Y y Y =Y 1− x − y Z = Y y
xy平面：
因为由x,y就可以确定色度，所以把x，y做成二维平面，用平 面上的点（x0,y0）代表颜色（不能确定亮度），称为色度图。
几何解释：
x,y平面是XYZ空间 中的X+Y+Z=1平面在Z=0 平面上的投影。
标准白光，单色CIE 1931 R、G、B的色度坐标是多少？
五．彩色电视的色度范围 彩色显像管利用红绿蓝三种荧光粉发出的光作为显像基 色光。不可能是CIE 1931 RGB。 PAL制和NTSC制的 色度范围见右图。三色 坐标见P103表6-1。 三角形区域表示两 种制式能够表现的颜色 范围。
第3节 常用的颜色空间
一．模拟电视颜色空间 1.γ校正
所有的CRT（阴极射线管）显示设备都是非线性的，有关系： γ 输出=(输入) 若显示设备的γ=2.5，则在摄像设备中引入γ=0.5，最后我们 看到的图像和真实场景有之间的γ=1.25，符合人眼的感觉特 征。不同的电视制式，γ值不同。
可见光谱
人眼对颜色的感知特性： 用不同波长的光进行组合时可以产生各种颜色感觉。 眼睛对颜色的采样仅相对于红、绿和蓝色三种锥体细胞。 这些锥体细胞采样得到的信号通过大脑产生不同颜色的感觉。 国际照明委员会(CIE) 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。
二．色调、饱和度和亮度 色调、 从人的视觉系统看，颜色可用色调（hue）、饱和度 （saturation）和亮度（luminance）来描述，其中色调与光 波的波长有直接关系，亮度和饱和度与光波的幅度有关。 人眼看到的任一彩色光都是这三个特性的综合效果，这 三个特性是颜色的三要素。