【音視頻基礎】(八):CIE顏色空間四之從CIE-xyY到CIE-YUV

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接着上篇的CIE xyY顏色空間繼續,上篇中我們分析了下xyY中的xyY三個值是怎麼來的,並且引進了它的二維色度圖。那麼接下來,我們就對它的色度圖,分析一下

上篇中我們說過,色度是色調和飽和度的統稱,所以xyY的色度圖,並沒有展現亮度Y,因而它只有xy兩個座標軸

1、CIE xyY色度圖中看色調和飽和度

直觀的來看,如下圖:
在這裏插入圖片描述
CIE xyY色度圖

1.1 飽和度

圖中W點爲白光E的座標,飽和度爲0,譜色軌跡上飽和度爲100%。在圖中對飽和度相同的各點,進行連線,形成一圈一圈的舌形線,稱爲等飽和度線。

1.2 色調

W點向譜色軌跡上各點連線,形成的發散線段,叫做等色調波長線。線段上任何一點的波長,與譜色軌跡上的單色波長相同。比如圖中M點的波長爲540nm,那麼WM線上的彩色點的波長都爲540nm。

這兩句應該比較好理解,那麼通過控制變量,在等色調波長線上,看飽和度是個什麼情況呢?

比如圖中的WM線,在M點飽和度爲100%,越靠近W點,飽和度越低,也就是滲入的白光越高,到了W點,則完全成爲白光。如果這樣理解比較費力,可以反向理解,從W點到M點,摻入的單色光越來越多,到M點達到飽和。

分析一下就可以看出,在xyY色度圖上顏色呈現很清晰。

1. 3 色度圖上看色域

色域是啥?

  • (1) 在圖中,就是一個閉合曲線所包圍的區域。
  • (2) 在顯示設備上,它表示了顯示設備可以顯示的所有顏色的集合。

我們先分析(1),在xyY色度圖上,譜色軌跡所包圍的區域,就是這個顏色空間所能呈現的色域。通常我們會對這個色域進行劃分,這樣就比較好判斷,某種顏色在座標系上的範圍。如下圖:

在這裏插入圖片描述
xyY顏色空間色域圖

再來看二,這個比較重要,來分析這個之前先來看個問題,爲什麼顯示設備不能顯示xyY的整塊色域呢?

原因很簡單,因爲三基色不同。我們首先要明白,圖中xyY形成的整塊色域,使用的是CIE規定的標準三基色,分別爲700nm®,546.1nm(G),435.8nm(B),可以對照上圖找下,分別爲色度圖的三角。

而在顯示設備上,我們是使用紅、藍、綠三種熒光粉,發出的非標準譜色光,作爲顯像的三基色。所以我們的顯示設備,能顯示的色域只佔圖中的一部分。

就拿彩色電視來說,他們能重現的顏色的最大範圍如下圖:
在這裏插入圖片描述
NTSC和PAL電視重現的顏色範圍

細心點可以看到,NTSC和PAL電視顯示的色域也不同(NTSC和PAL爲電視制式,後面會講)。那是因爲彩色電視的制式不一樣,他們採用的三基色熒光粉也不一樣。

在這裏插入圖片描述
這張圖是NTSC和PAL電視,顯像三基色的色度座標,可以看到他們使用的三基色座標並不一致。

而打印機、電影、電視,他們能重現的色域,差別就更大了。

在這裏插入圖片描述
幾種設備重現的彩色範圍

圖中可以看出,因爲電影需要比較生動,細膩的畫質,所以它能呈現的彩色範圍更大。

通過以上就可以知道,CIE xyY在色度圖上的表現很直觀,並且做研究很標準、很方便,但是它依然有缺點。

2、CIE xyY色度圖的缺點

我們通過上面幾張圖,似乎並沒有看到缺點。不過有個缺點是我們上篇就說過的,它沒有顯示亮度。不過這個也無關緊要,重要的是另一個缺點。請看下圖:

在這裏插入圖片描述

這張圖代表了CIE xyY色度圖的感知均勻性,什麼意思呢?我們都知道,人眼對顏色的感知並不是線性的,比如之前說的,人眼感覺綠色就比紅和藍要亮。

而圖中的線段,就代表了人眼對相鄰色的鑑別能力。圖中每條線段,表示一對顏色,在人眼看來,它們是相同的顏色。在圖中可以看出,各個線段的長短並不一致,這就是感知不均勻。線段短的,說明人眼對這片區域的顏色變化更敏感。

這個缺點看起來對普通人無關緊要,但是對科學家就要命啦,所以他們在CIE xyY的基礎上,又做了一層轉換。

3、CIE YUV顏色空間

如上所說,這種顏色空間是在xyY的基礎上,經過了一層線性變換得來的。在色度圖上,兩個點之間的色差與我們對顏色的感知是均勻的。

而YUV裏面的Y,還和XYZ或者xyY中的Y一樣,而U和V定義如下:

在這裏插入圖片描述

然後這幫人,爲了進一步減小色差與感知的非線性,又開發了CIE YU’V’顏色空間,注意是帶撇的。

4、CIE YU’V’

其中的Y依然不變,u’和v’定義如下圖

在這裏插入圖片描述

5、CIE顏色空間總結(重要)

至此,CIE的XYZ、xyY、YUV、YU’V’等顏色空間介紹完畢,還有CIE LUV和CIE LAB打算不講啦,理由是啥?

理由:

因爲這個系列的最終目標,是視頻編碼和圖像處理,而在視頻編碼裏我們使用的YUV,並不是CIE YUV,注意我們常說的YUV和CIE YUV並不是一回事,下篇會講他們爲啥不是一回事。

那爲什麼又要講CIE這幾個顏色空間呢?因爲如果要成爲一名專業的音視頻開發人員,這些知識必不可少。並且,最重要的,還是在瞭解這幾個顏色空間時,所採取的思路,和分析的方法。

而且在瞭解了這幾個顏色空間之後,後面的YUV、YCbCr也就很好理解啦。因爲從命名上就可以看出,它們差別不大,如果你認真看了這幾篇,可以說是小菜一碟,哈哈~

而CIE LUV和CIE LAB,以後如果在做圖像處理時用到,到時候再補一篇也可以~

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