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【影象處理】常用色彩空間

CIE色度圖:CIE(Commission Internationale de L’Eclairage):國際照明委員會,根據其法語名稱簡寫為CIE。其前身是1900年成立的國際光度委員會(International Photometric Commission;IPC),1913年改為現名。總部設在奧地利維也納。CIE制訂了一系列色度學標準,一直沿用到數字視訊時代,其中包括白光標準(D65)和陰極射線管(CRT)內表面紅、綠、藍三種磷光理論上的理想顏色。
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在色度圖上繪製一個三角區域,只要顯示器能正常顯示三角區域頂點上的顏色,那麼三角區域內部的顏色都可以由三個頂點顏色組成,但是外部顏色卻不行。也就是說如果顯示器給出了可以顯示的三角頂點顏色,那麼該裝置只能夠顯示三角範圍內部的顏色。很多顯示裝置都會提供其顯示色度範圍,理論上色度範圍越大顯示效果越好。

LAB色域:其包括自然界中可見光譜的顏色,它所組成的色域空間最大,包含了人眼所能見到的所有顏色。同RGB顏色空間相比,Lab是一種不常用的色彩空間。它是在1931年國際照明委員會(CIE)制定的顏色度量國際標準的基礎上建立起來的。1976年,經修改後被正式命名為CIELab。它是一種裝置無關的顏色系統,也是一種基於生理特徵的顏色系統。這也就意味著,它是用數字化的方法來描述人的視覺感應。Lab顏色空間中的L分量用於表示畫素的亮度,取值範圍是[0,100],表示從純黑到純白;a表示從紅色到綠色的範圍,取值範圍是[127,-128];b表示從黃色到藍色的範圍,取值範圍是[127,-128]。需要提醒的是,Lab顏色空間比計算機顯示器、印表機甚至比人類視覺的色域都要大,表示為 Lab 的點陣圖比 RGB 或 CMYK 點陣圖獲得同樣的精度要求更多的每畫素資料。雖然我們在生活中使用RGB顏色空間更多一些,但也並非Lab顏色空間真的一無所有。例如,在 Adobe Photoshop影象處理軟體中,TIFF格式檔案中,PDF文件中,都可以見到Lab顏色空間的身影。而在計算機視覺中,尤其是顏色識別相關的演算法設計中,rgb,hsv,lab顏色空間混用更是常用的方法。
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Adobe RGB色域:Adobe RGB是Adobe Red GreenBlue的縮寫,是由開發專業影象處理軟體Photoshop而聞名的Adobe公司所設定的色彩空間標準,它擁有比sRGB更寬廣的色彩空間和優秀的色彩層次體現,且可以完全覆蓋印刷所需的CMYK色彩空間,因此,它在印刷、高精度列印這樣的專業領域,佔據了絕對的主導地位。它佔LAB色域的50%左右,是作為專業攝影領域中的首選,只有極少昂貴的顯示器才能滿足它的需求,而這些顯示器通常運用於專業設計和出版印刷領域。但Adobe RGB由於與顯示器、投影儀等輸出裝置的匹配,以及網路顯示軟體方面的相容等問題,在我們日常與他人進行圖片欣賞交流時,會顯得色彩黯淡、影象反差弱。這是由於大多數人的顯示器和軟體只支援sRGB色彩空間,而寬廣的Adobe RGB無法施展其優勢,反而被它們解讀成暗淡無光的效果。

sRGB色域:它佔LAB色域的35%左右,是普通顯示器的色彩標準。sRGB是standard Red Green Blue的縮寫,其含義為標準色彩空間。它是由惠普公司和微軟公司年於1997年共同開發的,由於sRGB色彩空間的色域與當時CRT顯示器的色彩顯示基本吻合(也與目前絕大多數的液晶顯示sRGB色彩空間廣泛用於網路展示和擴印照片器相當),且這兩家公司的在市場的實力和產品佔有率,因此它被廣泛地運用於網路展示、儲存和民用照片列印、沖印領域。但由於sRGB色域空間小,所以它所能包含的細微的色彩差別就很少。所以,儘管我們看到sRGB圖片的色彩飽和度可以很高,但色彩的層次過渡明顯不足。因此在印刷時,將sRGB轉為CMYK會顯得影象乾癟,層次明顯不足。
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CMYK色域:是專門用於印刷的色彩空間,它完全包含於AdobeRGB色域中,但其與sRGB空間有交集也有差異。CMYK(cyan,magenta,yellow)顏色空間應用於印刷工業,印刷業通過青(C)、品(M)、黃(Y)三原色油墨的不同 網點面積率的疊印來表現豐富多彩的顏色和階調,這便是三原色的CMY顏色空間。實際印刷中,一般採用青 (C)、品(M)、黃(Y)、黑(BK)四色印刷,在印刷的中間調至暗調增加黑版。當紅綠藍三原色被混合時,會產生 白色,但是當混合藍綠色、紫紅色和黃色三原色時會產生黑色。既然實際用的墨水並不會產生純正的顏色, 黑色是包括在分開的顏色,而這模型稱之為CMYK。CMYK顏色空間是和裝置或者是印刷過程相關的,則工藝方法、 油墨的特性、紙張的特性等,不同的條件有不同的印刷結果。所以CMYK顏色空間稱為與裝置有關的表色空間。 而且,CMYK具有多值性,也就是說對同一種具有相同絕對色度的顏色,在相同的印刷過程前提下,可以用分種 CMYK數字組合來表示和印刷出來。這種特性給顏色管理帶來了很多麻煩,同樣也給控制帶來了很多的靈活性。 在印刷過程中,必然要經過一個分色的過程,所謂分色就是將計算機中使 用的RGB顏色轉換成印刷使用的CMYK 顏色。在轉換過程中存在著兩個複雜的問題,其一是這兩個顏色空間在表現顏色的範圍上不完全一樣,RGB的 色域較大而CMYK則較小,因此就要進行色域壓縮;其二是這兩個顏色都是和具體的裝置相關的,顏色本身沒有 絕對性。因此就需要通過一個與裝置無關的顏色空間來進行轉換,即可以通過以上介紹的XYZ或LAB色空間來 進行轉換。
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HSV顏色空間:HSV(hue,saturation,value)顏色空間的模型對應於圓柱座標系中的一個圓錐形子集,圓錐的頂面對應於V=1. 它包含RGB模型中的R=1,G=1,B=1 三個面,所代表的顏色較亮。色彩H由繞V軸的旋轉角給定。紅色對應於 角度0° ,綠色對應於角度120°,藍色對應於角度240°。在HSV顏色模型中,每一種顏色和它的補色相差180° 。 飽和度S取值從0到1,所以圓錐頂面的半徑為1。HSV顏色模型所代表的顏色域是CIE色度圖的一個子集,這個 模型中飽和度為百分之百的顏色,其純度一般小於百分之百。在圓錐的頂點(即原點)處,V=0,H和S無定義, 代表黑色。圓錐的頂面中心處S=0,V=1,H無定義,代表白色。從該點到原點代表亮度漸暗的灰色,即具有不同 灰度的灰色。對於這些點,S=0,H的值無定義。可以說,HSV模型中的V軸對應於RGB顏色空間中的主對角線。 在圓錐頂面的圓周上的顏色,V=1,S=1,這種顏色是純色。HSV模型對應於畫家配色的方法。畫家用改變色濃和 色深的方法從某種純色獲得不同色調的顏色,在一種純色中加入白色以改變色濃,加入黑色以改變色深,同時 加入不同比例的白色,黑色即可獲得各種不同的色調。
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HSI顏色空間:HSI色彩空間是從人的視覺系統出發,用色調(Hue)、色飽和度(Saturation或Chroma)和亮度 (Intensity或Brightness)來描述色彩。HSI色彩空間可以用一個圓錐空間模型來描述。用這種 描述HIS色彩空間的圓錐模型相當複雜,但確能把色調、亮度和色飽和度的變化情形表現得很清楚。 通常把色調和飽和度通稱為色度,用來表示顏色的類別與深淺程度。由於人的視覺對亮度的敏感 程度遠強於對顏色濃淡的敏感程度,為了便於色彩處理和識別,人的視覺系統經常採用HSI色彩空間, 它比RGB色彩空間更符合人的視覺特性。在影象處理和計算機視覺中大量演算法都可在HSI色彩空間中 方便地使用,它們可以分開處理而且是相互獨立的。因此,在HSI色彩空間可以大大簡化影象分析 和處理的工作量。HSI色彩空間和RGB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 轉換關係。
- 色相 (Hue):指物體傳導或反射的波長。更常見的是以顏色如紅色,橘色或綠色來辨識,取 0 到 360 度的數值來衡量。
- 飽和度 (Saturation):又稱色度,是指色彩的強度或純度。飽和度代表灰色與色調的比例,並以 0% (灰色) 到 100% (完全飽和) 來衡量。
- 亮度 (Intensity):是指顏色的相對明暗度,通常以 0% (黑色) 到 100% (白色) 的百分比來衡量。
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Ycc顏色空間:柯達發明的顏色空間,由於PhotoCd在儲存影象的時候要經過一種模式壓縮,所以 PhotoCd採用了 Ycc顏色空間,Ycc空間將亮度作由它的主要元件,具有兩個 單獨的顏色通道,採用Ycc顏色空間 來儲存影象,可以節約儲存空間。

YUV顏色空間:在現代彩色電視系統中,通常採用三管彩色攝像機或彩色CCD(點耦合器件)攝像機,它把攝得的彩色影象 訊號,經分色、分別放大校正得到RGB,再經過矩陣變換電路得到亮度訊號Y和兩個色差訊號R-Y、B-Y, 最後傳送端將亮度和色差三個訊號分別進行編碼,用同一通道傳送出去。這就是我們常用的YUV色彩空間。 採用YUV色彩空間的重要性是它的亮度訊號Y和色度訊號U、V是分離的。如果只有Y訊號分量而沒有U、V分量, 那麼這樣表示的圖就是黑白灰度圖。彩色電視採用YUV空間正是為了用亮度訊號Y解決彩色電視機與黑白電視機 的相容問題,使黑白電視機也能接收彩色訊號。根據美國國家電視制式委員會,NTSC制式的標準,當白光的 亮度用Y來表示時,它和紅、綠、藍三色光的關係可用如下式的方程描述:Y=0.3R+0.59G+0.11B 這就是常用 的亮度公式。色差U、V是由B-Y、R-Y按不同比例壓縮而成的。如果要由YUV空間轉化成RGB空間,只要進行 相反的逆運算即可。與YUV色彩空間類似的還有Lab色彩空間,它也是用亮度和色差來描述色彩分量,其中L為 亮度、a和b分別為各色差分量。

XYZ顏色空間:國際照明委員會(CIE)在進行了大量正常人視覺測量和統計,1931年建立了”標準色度觀察者”, 從而奠定了現代CIE標準色度學的定量基礎。由於”標準色度觀察者”用來標定光譜色時出現負 刺激值,計算不便,也不易理解,因此1931年CIE在RGB系統基礎上,改用三個假想的原色X、Y、 Z建立了一個新的色度系統。將它匹配等能光譜的三刺激值,定名為”CIE1931 標準色度觀察者光譜三刺激值”,簡稱為”CIE1931標準色度觀察者”。這一系統叫做”CIE1931標準色度系統”或稱為” 2° 視場XYZ色度系統”。CIEXYZ顏色空間稍加變換就可得到Yxy色彩空間,其中Y取三刺激值中Y的值,表示亮度,x、y反映顏色的色度特性。定義如下:在色彩管理中,選擇與裝置無關的顏色空間是十分重要的,與裝置無關的顏色空間由國際照明委員會(CIE)制定,包括CIEXYZ和CIELAB兩個標準。它們包含了人眼所能辨別的全部顏色。而且,CIEYxy測色制的建立給定量的確定顏色創造了條件。但是,在這一空間中,兩種不同顏色之間的距離值並不能正確地反映人們色彩感覺差別的大小,也就是說在CIEYxy色廈圖中,在不同的位置不同方向上顏色的寬容量是不同的,這就是Yxy顏色空間 的不均勻性。這一缺陷的存在,使得在Yxy及XYZ空間不能直觀地評價顏色。

RGB顏色空間:RGB色彩模式是工業界的一種顏色標準,是通過對紅(R)、綠(G)、藍(B)三個顏色通道的變化以及它們相互之間的疊加來得到各式各樣的顏色的,RGB即是代表紅、綠、藍三個通道的顏色,這個標準幾乎包括了人類視力所能感知的所有顏色,是目前運用最廣的顏色系統之一。
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