Lab颜色空间及其应用

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本文首先阐述Lab颜色模式的基本特性，然后介绍RGB和Lab颜色空间互相转换的算法，并给出算法核心代码和效果图，最后将Lab颜色空间应用到几个特效滤镜中，得到几个类似photoshop滤镜效果图。

【参考资料】
http://hi.baidu.com/im_wxj/item/c43e52cbaab6373399b4984d
http://hao.qinz.net/comments.php?y=08&m=07&entry=entry080727-033517
http://blog.sina.com.cn/s/blog_46e3af5b0100u7wt.html ( 该文中的代码有bug，在本文中已经修正 )

1. Lab颜色空间简介

Lab是一种色彩空间，也即一种颜色模型，是在1931年国际照明委员会(CIE)制定的颜色度量国际标准的基础上建立的，在1976年又经修订并被命名为CIELab。这是一种与设备无关的颜色系统，也是一种基于生理特性的颜色系统，以数字化方式来描述人的视觉感应。它适用于一切光源色体或物体色的表示与计算。

在Lab颜色空间中，一种颜色由L（亮度）、a颜色、b颜色三种参数表征．L表示照度（Luminosity），相当于亮度，L取值为0 -- 100(纯黑--纯白)。a表示从绿色至红色的范围，a取值为 -128 -- +127 (绿 -- 洋红)。b表示从蓝色至黄色的范围，b取值为 -128 -- +127(蓝 -- 黄)．正为暖色，负为冷色．
Lab颜色模式的特点：

a) Lab颜色空间中亮度和颜色是分开的， L通道没有颜色，a通道和b通道只有颜色。

b) 在Lab中进行调节很简单，速度很快．

c) 色域宽阔。它不仅包含了RGB，CMYK的所有色域，还能表现它们不能表现的色彩，人的肉眼能感知的色彩，都能通过Lab模型表现出来.

d) 它弥补了RGB色彩模型和CMYK色彩模式色彩分布不均的不足.

下图所示为Lab颜色空间的图示：

2. Lab和RGB颜色空间之间互转

我们可以先观察RGB到XYZ的转换：

计算完成后，XYZ的取值范围分别是：[0, 0.950456]，[0, 1]，[0, 1.088754].
然后是XYZ到Lab的转换：

其中函数 f(t) 的定义如下：

计算完成后，L的取值范围 [0, 100]，而a和b则为[-128, +127] 和 [-128, +127]。

接下来给出RGB和Lab互相转换的代码及效果图，此处代码将Lab数据归一化到 [0, 1] 区间。

原始图 RGB->Lab->RGB(中间未作任何处理)

// 将RGB转化为Lab值函数
void RGB2Lab(int R, int G, int B, double &L, double &a, double &b)

{

double x, y, z;

double fx, fy, fz;

// 转至X-Y-Z

x = 0.412453 * R + 0.357580 * G + 0.180423 * B;

y = 0.212671 * R + 0.715160 * G + 0.072169 * B;

z = 0.019334 * R + 0.119193 * G + 0.950227 * B;

// 除以255，即归一化

x /= (255.0 * 0.950456);

y /= 255.0;

z /= (255.0 * 1.088754);

// 类似Gamma校正

if (y > 0.008856)

fy = pow(y, 1.0/3.0);

else

fy = 7.787 * y + 16.0 / 116.0;

if (x > 0.008856)

fx = pow(x, 1.0/3.0);

else

fx = 7.787 * x + 16.0 / 116.0;

if (z > 0.008856)

fz = pow(z, 1.0/3.0);

else

fz = 7.787 * z + 16.0 / 116.0;

L = 116.0 * fy - 16.0;// 对于 y <= 0.008856 的情况，该公式可以简化为 L = 903.3 * y

a = 500.0 * (fx - fy);

b = 200.0 * (fy - fz);

// Lab值归一化

L = L / 100.0;

a = (a + 128.0) / 255.0;

b = (b + 128.0) / 255.0;

}

// 将Lab转化为RGB值函数

void Lab2RGB(double L, double a, double b, int &R, int &G, int &B)

{

double x, y, z;

double fx, fy, fz;

double dr, dg, db;

L = L * 100.0;

a = a * 255.0 - 128.0;

b = b * 255.0 - 128.0;

fy = (L + 16.0) / 116.0;

fy = fy*fy*fy;

if (fy > 0.008856)

{

y = fy;

fy = (L + 16.0) / 116.0;

}

else

{

y = L / 903.3;

fy = 7.787 * y + 16.0/116.0;

}

fx = a / 500.0 + fy;

if (fx > 0.206893)

x = pow(fx, 3.0);

else

x = (fx - 16.0/116.0) / 7.787;

fz = fy - b/200.0;

if (fz > 0.206893)

z = pow(fz, 3);

else

z = (fz - 16.0/116.0) / 7.787;

x *= (255.0 * 0.950456);

y *= 255.0;

z *= (255.0 * 1.088754);

dr = 3.240479 * x - 1.537150 * y - 0.498535 * z;

dg = -0.969256 * x + 1.875992 * y + 0.041556 * z;

db = 0.055648 * x - 0.204043 * y + 1.057311 * z;

R = (dr < 0.0) ? 0 : (dr > 255.0) ? 255 : (unsigned int)dr;

G = (dg < 0.0) ? 0 : (dg > 255.0) ? 255 : (unsigned int)dg;

B = (db < 0.0) ? 0 : (db > 255.0) ? 255 : (unsigned int)db;

}

3. Lab颜色小应用

人在看物体时，首先看到的是明暗，次之是色彩，Lab模式就是这样的。

L通道：调整图像的亮度，当然亮度有暗、中间调和高光区之分。对亮度实施线性或Gamma等变换相当于在图像上添加强光或暗光。
a通道：深绿 --- 50%灰（中性灰）-- 红色。
b通道：亮蓝 --- 50%灰（中性灰）--- 黄色。

在用photoshop给照片添加暖色或冷色，就是在Lab空间中调节这3个参数。暖色通常有红紫、红、橘、黄橘、黄，因此需要将ab通道值加强；冷色通常有蓝绿、蓝青、蓝、蓝紫，因此需要调低ab通道值。以下为程序生成的暖色、冷色、强光、暗光效果图：

暖色冷色

强光暗光

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