[视频图像处理]1. 色域基础知识与色域转换公式

常见色域基础知识与色域转换公式

所谓色域（Color Space）就是一种颜色的表示方法，针对不同的显示设备不同的系统，往往有不同的表示方法。目前被广泛使用的色域可以被分为三大类：RGB、YIQ/YUV/YCrCb、CMYK。
※RGB应用最广泛；R’G’B’是RGB色域的Gamma矫正版；
※YUV，YCrCb和YIQ被广泛应用于电视、视频系统中；
※CMYK则主要被应用于彩色打印系统中。

1.色域基础知识

1.1 RGB色域

顾名思义，RGB色域由红色（Red）、绿色（Green）和蓝色（Blue）的光学三原色组成。任何其他颜色的光线都可以由光学三原色按照特定比列组合而成。由于其易于在显示系统中实现，因此被广泛应用于电子成像系统、计算机图像显示和数字图像处理系统中。然而，将相机输出的RGB图像直接送到显示器上显示，效果却并不能令人满意。在不同厂家/型号的显示器上的显示效果也有着较大的差异，这主要是由于LCD显示器的非线性失真导致的。为了解决这个问题，一种非线性RGB编码（即Gamma矫正）应运而生。经过Gamma矫正之后的色域通常被称为R’G’B’色域或者Studio RGB色域。
RGB色域主要缺点是，它是一种“原始的”，未压缩的色域，相比于YUV色域其所需的数据带宽更高。

1.2 YUV/YIQ色域

YUV色域被广泛应用于PAL、NTSC和SECAM电视（视频）系统中。其中，Y表示明亮程度（luma）信息，而U和V则表示色彩浓度信息（chroma）。这样做的直接好处就是，对于黑白电视（视频）系统，只需要传输Y就可以了。
Y的范围为0-255，U的范围为0_{±112，V的范围为0}±157，I的范围为0_{±152，Q的范围为0}±134。
注：Luma和Brightness不是同一个概念。Luma表示色彩的明亮程度，而Brightness表示的光线的明亮程度（通常是背光）。
YIQ是NTSC电视系统所使用的色域，Y还是表示（色彩）明亮程度，I（即In-Phase）表示从橙色到青色的色彩，而Q（即Quadrature-Phase）表示的是从紫色到黄绿色的色彩。

1.3 YCrCb（YCbCr）色域

YCbCr是YUV的演进版本（系数有些变化，同时增加了偏置），但是在实际中，往往是把YUV和YCbCr认为是同一种色域。比如YCbCr444/422/420往往和YUV444/422/420指的是同一种色域。以8bits的数据为例，RGB像素值的表示范围为0_{255，而YCbCr/YUV确是限定范围的，Y的范围是16}235，而Cb/Cr的范围是16~240，如下图所示：

YUV444、YUV422和YUV420的采样图示如下：

其中黑色的点为Y的采样点，圆圈为UV的采样点。显然YUV444和RGB的采样点是完全一致的，而YUV422和YUV420相对于RGB是有一定程度的“压缩”的。
注：其中YUV420的采样为H.261/H.263/MPEG-1的版本，对于MPEG-2/MPEG-4.2/MPEG-4.10（H.264）和SMPTE421M（VC-1）来说，其采样图示如下：

1.4 CMYK色域

CMYK也称作印刷色彩模式。它和RGB相比最大不同是，RGB模式是发光的色彩模式，你在一间黑暗的房间内仍然可以看见萤幕上的内容。CMYK是一种依靠反光的色彩模式，我们能阅读报纸的内容是为什么呢？是因阳光或灯光照射到报纸上，再把内容反射到我们的眼中。CMYK是需要有外界光源的情况下才可以看到的。所以在黑暗房间内是无法阅读的。只要是在印刷品上看到的图像，就是CMYK模式表现的。比如期刊、杂志、报纸、宣传画册等，都是运用了CMYK模式。
CMY是3种印刷油墨名称的首字母：青色Cyan、品红色Magenta、黄色Yellow。而K取的是black最后一个字母，为了避免与蓝色混淆而用K。从理论上讲，只需要CMY三种油墨就足够，把CMY加在一起就应该得到黑色。但是高纯度的油墨暂时还不能实现，CMY相加的结果是暗红色。因此，为了确保黑色的输出，还需要加入一种专门的黑墨来调和。

2.色域转换原理

比较有意思的是，YUV（YCbCr）与RGB之间的转换原理并非是通过数学理论推导出来的，而是基于生物仿真学（Biometric）实验结果的：

公式中的CA、CB的值在不同的标准中稍微有一点区别。具体请参考ITU601.SDTV，ITU709.PAL/NTSC。
加上Cb/Cr，写成矩阵的形式：

进一步，可以写为：

其中CC，CD为：

逆向形式为：

3.色域转换公式
以下所有转YUV/YCbCr的公式输出的结果均为YUV/YCbCr444的格式，如需要转换为YUV422或者YUV420，则需要对UV（CbCr）分量做进一步处理。对于YUV422，可以直接丢弃每行的第二的采样点的UV值；对于YUV420，建议将相邻的四个采样点UV值取平均，以获得新的UV值。
注：以下公式中，R’G’B’默认只的是带有Gamma矫正后的Computer RGB（即Computer R’G’B’），其值的范围为0~255。实际上Gamma矫正并不会改变RGB值的范围，因此这些公式对于没有Gamma矫正的Computer RGB同样适用。同理，Studio RGB的指的是不带有Gamma矫正的版本，其值的范围为16-235，而其带有Gamma矫正的版本的值的范围仍然是16-235。因此，Studio RGB对应的公式，对于Studio R’G’B’同样适用。
Computer R’G’B’转YCbCr:SDTV(IUT601)公式

Computer R’G’B’转YCbCr:HDTV(IUT709)公式

Studio RGB转YCbCr:SDTV(IUT601)公式

Studio RGB转YCbCr:HDTV(IUT709)公式

Computer R’G’B’转换YUV公式

Computer R’G’B’转YIQ公式

YCbCr:SDTV(ITU601)转Computer R’G’B’公式

YCbCr:HDTV(ITU709)转Computer R’G’B’公式

YCbCr:SDTV(ITU601)转Studio RGB公式

YCbCr:HDTV(ITU709)转Studio RGB公式

YUV转Computer R’G’B’公式

YIQ转Computer R’G’B’公式

YIQ转YUV公式

注：上述各公式中的偏置值均是基于8bits数计算的，如果是10bits或者更高bits，则应按比例增加该偏置值。
CMYK转RGB公式