颜色空间怎么理解?色差仪RGB颜色空间怎么转换LAB颜色空间?

  DOHO标准光源箱     |      2023-05-11

什么是颜色空间?颜色空间也称色彩模型,它是用来表示颜色的三个参数所构成的三维空间,是颜色抽象表示和描述的方法,是在某些标准下用通常可接受的方式来简化颜色规范。色差仪作为颜色检测的专用设备,其内部配置多种颜色空间。本文对色差仪RGB颜色空间和LAB颜色空间及它们之间的转换方法做了介绍。

色差仪Lab颜色空间

颜色空间怎么理解?

颜色空间是用来表示颜色的三个参数所构成的三维空间,是颜色抽象表示和描述的方法,是在某些标准下用通常可接受的方式来简化颜色规范。因此,颜色空间是进行颜色信息研究的理论基础。表达颜色的空间可以是非均匀、非线性的,用于彩色图像处理的空间必须同时具备独立性和均匀性的要求。独立性的要求是指颜色空间的三个分量不互相影响,对其中某个分量的处理不导致其它分量相对于人眼感觉发生变化。均匀性的要求是指对颜色空间中的每一个分量来说,在不同取值处的相同改变量引起的视觉变化是相同的。可以说,彩色图像处理与灰度图像处理的区别主要在于建立一个能满足上述条件的颜色空间,而具体对各个分量的处理则完全可以参照成熟的灰度图像处理技术。

颜色空间要求能形象、直观地反映人眼的颜色视觉特性,使得人们可以有目的地进行各种处理,同时又能保证在各种处理过程中都能达到预期的处理效果而不产生负面影响。由于人眼对颜色的感觉是一个复杂的非线性关系,绝对满足上述条件的颜色空间是不存在的。但是,可以以实验为基础,寻找一个能在较大范围内符合上述条件的颜色表达空间。

为了定量地表达自然界丰富多样的色彩,人们借助于数学坐标,已先后提出了各种各样的颜色空间。在颜色空间中,颜色由三维坐标表示,这个坐标描述了颜色在特定颜色空间中的位置。有很多种颜色空间可以精确地表达任意一种颜色,但由于颜色感知所固有地主观性和非线性,它们大多不能直接运用于彩色图像处理,必须经过必要地非线性变换和可视化处理,这个过程需要花费大量的计算时间,是一个要在软硬件设计中综合考虑的因素。

颜色空间把抽象的、主观的视觉感受具体化为三维空间中的位置、向量,使各种彩色图像、彩色设备的颜色特性都能实现可视化,成为颜色研究的重要工具。各种混色系统都有其相应的颜色空间,不同的颜色空间具有不同的特性,分别具有各自的优缺点和局限性。下文将对色差仪RGB颜色空间和LAB颜色空间进行介绍。


色差仪RGB颜色空间与Lab颜色空间介绍:

1.色差仪RGB颜色空间

色彩混合的基本定律表明:自然界中任何一种色彩均可用红(Red)、绿(Green)、蓝(Blue)三种原色光混合产生,这在几何上能够以R、G、B三个互相垂直的轴所构成的空间坐标系统来表示,称为RGB颜色空间。

RGB颜色空间403

RGB颜色空间是由六块色片所包围的立方体区域构成的,如上图所示,其内部的每一个点都代表着一种不同的颜色。每一点的颜色均由R、G、B三个通道中的灰度值所决定,每个通道中的灰度值为0~255,共256个,当三个通道共同作用时,就有256×256×256种组合,形成167.7万多种颜色。在数字图像中,改变像素在通道的灰度值,就可以改变像素的颜色。立方体的八个顶点分别是:红、绿、蓝、青、洋红、黄、黑、白。立方体对角线的两端,分别对应着互补色,红-青,绿-洋红,蓝-黄,黑-白。当R=G=B时,图像的像素颜色就在黑白之间渐变,R=G=B=0时,像素最黑,R=G=G=255时,像素最白,R、G、B不全相等时,像素就是有色的。

RGB颜色空间主要是面向硬件的模型,最常用的用途就是显示器系统和扫描仪。由于不同型号的显示器显示同一图像时会有不同的色彩呈现效果;不同型号的扫描仪扫描相同图像时,也会得到不同的彩色图像数据。因此,RGB颜色空间被称为与设备相关的颜色空间。

2.色差仪Lab颜色空间

CIEL*a*b*色度空间是国际照明委员会向世界各国推荐的通用的均匀颜色空间,是经CIEXYZ色度空间非线性变换而得到的。CIEL*a*b*在三维色空间的各个坐标轴上均具有视觉和颜色心理感知的等距性,并且细分了明度坐标和色品坐标的级差。同时,CIEL*a*b*空间中当颜色的色差大于视觉的识别阅值(恰可察觉)而又小于孟塞尔系统中相邻两级色差时,可以较好地反映物体色的心理感受效果。CIEL*a*b*与CIEXYZ的非线性转换关系如下式所示。

CIELab颜色空间与CIEXYZ颜色空间转换关系

式中:X、Y、Z为颜色样品的三刺激值;X0、Y0、Z0为CIE标准照明体的三刺激值(D65光源:X0=95.05、Y0=100.00、Z0=108.91)。

L*称为心理计量明度,简称心理明度或明度指数;a*、b*称为心理计量色度,简称心理色度或色度参数。

CIEL*a*b*色度空间是一种基于赫林四色对立学说原理的心理色度空间,心理色度a*和b*中包含有(X-Y)和(Y-Z)项。颜色的明度感觉用纵坐标L*轴表示,黑色位于最下端,对应明度L*=0,白色最亮位于最上端,对应明度L*=100。a*轴与b*轴共同表示彩色的特性,a*轴正方向代表红色(偏品红)的变化,a*轴负方向代表绿色的变化;b*轴正方向代表黄色变化,b*轴负方向代表蓝色变化。任何颜色都可以由这四个原色中的一个或两个按一定的明度值混合而成,原色的混合比例决定了混合色的色调。


色差仪RGB颜色空间转换LAB颜色空间方法:

L*a*b*颜色空间是由国际照明委员会于1976年提出的,其是在CIE1931-XYZ色度系统基础上修改得到的一个简化的均匀颜色空间,在三维色空间的各个坐标轴上均具有视觉和颜色心理感知的等距性,而且细分了明度指数和色品指数的级差,具有较高的色差分辨力,更适合色差较小情况下的颜色测量和比较。因此,L*a*b*颜色空间在各个行业中都得到了广泛应用。

计算机输入的图像多为RGB图像,因此需要先将图像由RGB图像转换到XYZ空间,然后再转换到Lab空间。由RGB颜色空间到CIEXYZ空间的转换公式有很多,这里采用的是其中比较常用的一种。

RGB颜色空间到CIEXYZ空间的转换公式

L*a*b*均匀颜色空间是CIE1931XYZ标准色度学系统的非线性变换,它将XYZ直角坐标颜色空间转换为柱面极坐标,将三刺激值XYZ转换成与眼睛视觉相一致的明度L*和与色调、饱和度的感觉相一致的a*、b*。

由CIEXYZ空间向L*a*b*颜色空间转换的公式为:

CIEXYZ颜色空间转换Lab颜色空间公式

式中,X、Y、Z分别表示图像中某像素点的三刺激值,Xn、Yn、Zn为图像采集时使用的照明光源所对应的标准照明体三刺激值,通常使用的标准照明体为D65或D50,它们各自对应的Xn、Yn、Zn值见下表。

照明体D65和D50的三刺激值(2°视场)