CN1055365C - 以对称编码实现色彩空间转换的方法 - Google Patents

Abstract

一种以对称编码实现色彩空间转换的方法及装置，其特征在于以奇函数(ODD FUNCTION)对称的方式编码，仅取各色彩分量(COMPONENT)的正值或负值为编码值，使编码表得以减半，而在编码值输出时回复其原有极性；借此可实现自然颜色空间R、G、B与辉度/色度(LUMINANCE/CHROMIN ANCE)空间Y、C_b、Cr两相互转换。

Description

以对称编码实现色彩空间转换的方法

本发明涉及一种色彩空间转换(COLOR SPACE CONVER-SION)的方法及装置，特别是涉及一种以对称编码的方式实现自然颜色空间R、G、B与辉度/色度(LUMINANCE/CHRO-MI-NACE)空间Y、Cb、Cr两相互转换的方法及装置。

R、G、B与Y、Cb、Cr色彩空间转换主要是应用于数位影像压缩(COMPRESSION)的前端处理(PREPROCESSING)及其解压缩(DECOMPRESSION)的后端处理(POST PROCESSING)过程，由于R、G、B广泛使用于取像器材如扫描器和摄影机，以及显像器材，如电脑显示器和视讯监视器等的色彩空间，然而对称数位影像压缩而言，用于所有标准化演算法的色彩空间却是CCIR 601定义的Y、Cb、Cr空间(容后再述)，因此，一影像由取像至压缩之间必需将色彩空间由R、G、B转换为Y、Cb、Cr空间，此乃是数位影像压缩前端处理的一环，而解压缩至显像之间也往往需进行后端处理，其中一环便是将色彩空间由Y、Cb、Cr转换为R、G、B空间。

前述的CCTR 601，其中CCIR是国际无线电咨询委员会(Con-sultative committee of International Radio)的缩写，而601是其发布的一推荐文号，在CCIR 601中，定义了R、G、B与Y、Cb、Cr色彩空间转换的方式。

根据CCTR 601的定义，辉度Y(LUMINANCE)、色度Cb、Cr(CHROMINANCE)三个编码元素中辉度Y有220量化电平(QUANTIZATION LEVEL)，其数值是从16至235，16表示黑色电平(BLACK LEVEL)，235表示白色电平峰值(PEAK WHITELEVEL)，而色度Cb、Cr则各有225量化电平，数值均从16至240，其中以128表示无色电平。如欲使一自然颜色的R、G、B组成化为上述的Y、Cb、Cr编码，需将R、G、B三原色也量化为220等间隔电平，其数值均从16至235，其中16表示最淡，而235表示最浓，如此，R、G、B与Y、Cb、Cr两色彩空间的组成元素均以8位表示其量化数值，两者的转换关系即如CCIR 601的方程组所示： $\left[\begin{array}{c}Y\\ C_b-128\\ C_r-128\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0.299& 0.587& 0.114\\ -0.173& -0.338& 0.511\\ 0.511& -0.428& -0.083\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right]---\left(1\right)$ 上述方程组(1)表示R、G、B至Y、Cb、Cr的转换关系，至于Y、Cb、Cr至R、G、B的转换关系可由方程组(1)的系数矩阵计算出逆矩阵而得： $\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& -0.001& 1.370\\ 1& -0.336& -0.698\\ 1& 1.733& 0.001\end{array}\right].\left[\begin{array}{c}Y\\ C_b-128\\ C_r-128\end{array}\right]---\left(2\right)$ 以往的R、G、B与Y、Cb、Cr色彩空间转换器即根据上述方程组(1)、(2)，再利用硬件的设计，例如乘法器等，然而因乘法器构造复杂，于体积电路设计上颇占面积，且虽以完整测试，而全编码色彩检视表的设计方式虽具有①规则的构造、②紧密集积及③易于测试的优点，但以往均只有单向转换的功能，而无法作变向的转换。

本发明的主要目的，是在于提供一种可将彩色空间R、G、B转换为辉度Y、色度Cb、Cr空间，及可以将辉度Y、色度Cb、Cr空间转换为彩色空间R、G、B的一种可作变向转换的以对称编码实现色彩空间转换的方法及装置。

本发明的次要目的，是在于提供一种硬件构较简单的可将辉度Y、色度Cb、Cr空间转换为彩色空间R、G、B的以对称编码实现色彩空间转换的装置。

本发明的主要特征在于以奇函数(ODDFUNCTION)对称的方式编码，仅取各色彩分量(COMPONENT)的正值或负值为编码值，使编码表得以减半，而在编码值输出时回复其原有极性。

为达到上述目的，本发明提供一种色彩空间转换的方法及装置，其方法的步骤为：(a)提供一方程式： $\mathrm{POn}=\stackrel{3}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{Cnm}(\mathrm{PIm}-128)+128,n=\mathrm{1,2,3};$ 其中：

m＝1PIm所构成的色彩空间称为原始空间(ORIGINALSPACE)；POn所构成色彩空间为转换后的色彩空间，称为转换空间(CONVERTED SPACE)；Cnm为转换空间第n色彩分量对应于原始空间第m色彩分量的系数；(b)当P01、P02、P03、分别代表YCbCr空间的Y、Cb、Cr分量时，则PI1、PI2、PI3分别代表RGB空间的R、G、B分量；(c)当P01、P02、P03、分别代表RGB空间的R、G、B分量时，则PI1、PI2、PI3分别代表YCbCr空间的Y、Cb、Cr分量；(d)使原始空间每一色彩分量PIm在转换关系中均以常数128为中心，呈奇函数(Odd function)对称分布，即每一对离128等距离的数值均形成绝对值相等而正负符号相异的对称关系；(e)将PIm数值依绝对值|PIm-128|和其对应系数Cnm的乘积以2的的补码表示法进行编码，但128不予编码，只在输出时强迫其输出值为0；(f)将前述对称的PIm数值映至同一编码地址，剩余的0需映至其编码地址，128也需映至与0相同的地址，此即PIm数值产生的对称地址(SYMMETRICAL ADDRESS)，以供编码定址之用，使每两对称的PIm数值皆映至同一编码值；(g)在输出时，回复Cnm(PIm-128)相对于Cnm|PIm-128|的极性，凡PIm小于128均进行极性反转，其大于128则维持同极性，而当PIm等于128时，则强迫输出值为0。其装置包括：九个色彩检视表、九个输出极性控制器、三个对称地址解码器、六个加法器及三个补偿及限制电路。另一实施例则为：包括：四个色彩检视表、四个输出极性控制器、两个对称地址解码器、四个加法器、以及三个限制电路。

下面结构附图及实施例对本发明进行详细说明：

图1是本发明较佳实施例中实现对称编码演算法的方框图。

图2是图1的对称地址解码器的方框图。

图3是图1的输出极性控制器的方框图。

图4是组合原始空间三色彩分量为转换空间任一色彩分量的方框图。

图5是本发明较佳实施例的方框图。

图6是本发明另一较佳实施例方框图。

表一是本发明实施例中对称编码演算法的表列形式。

依据前述方程组(1)及(2)，可分别将其转换为： $\left[\begin{array}{c}Y\\ C_b\\ C_r\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0.299& 0.587& 0.114\\ -0.173& -0.338& 0.511\\ 0.511& -0.428& -0.083\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}R-128\\ G-128\\ B-128\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}128\\ 128\\ 128\end{array}\right]---\left(3\right)$ 及 $\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& -0.001& 1.370\\ 1& -0.336& -0.698\\ 1& 1.733& -0.001\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}Y-128\\ C_b-128\\ C_r-128\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}128\\ 128\\ 128\end{array}\right]---\left(4\right)$

上述两方程组(3)、(4)可综合表示为：

3POn＝∑Cnm(PIm-128)+128，n＝1，2，3    (5)

m＝1其中将PIm、POn及Cnm分别定义为：

PIm，其所构成的色彩空间定义为原始空间(ORIGINALSPACE)，所以PIm称为原始空间的色彩分量(COMPONENT)，在此其可代表Y、Cb、Cr或R、G、B。

POn，其所构成为转换后的色彩空间，定义为转换空间(CON-VERTED SPACE)，所以POn称为转换空间的色彩分量，在此其可代表R、G、B或Y、Cb、Cr。

Cnm，因为以上色彩空间所组成的元素PIm或POn称为各空间的色彩分量(COMPONENT)，所以Cnm为转换空间第n色彩分量对应于原始空间第m色彩分量的系数。

在本案实施例中，当P01、P02、P03、分别代表YCbCr空间的Y、Cb、Cr分量时，则PI1，PI2、PI3分别代表RGB空间的R、G、B分量，相反的，当P01、P02、P03、分别代表RGB空间的R、G、B分量时，则PI1、PI2、PI3分别代表YCbCr空间的Y、Cb、Cr分量。

由上述方程组(5)可知，转换空间任何一色彩分量POn是由原始空间三色彩分量的线性组合再加一常数128补偿而成，且原始空间每一色彩分量PIm在转换关系中均以常数128为中心，呈奇函数(Odd function)对称分布，即每一对离128等距离的数值均形成绝对值相等而正负符号相异的对称关系，因此，以8位表示的PIm数值除了0及128之外，其余1、2、3、、、127与、129、130、131、255，共254个数值分别一一对称，其中1与255对称，2与254对称，余此类推。

利用此一特征，仅取绝对值|PIm-128|及其对应系数Cnm的乘积以2的补码表示法进行编码，虽然CCIR 601有其量化区间的限制，本发明仍提供所有8位可能数值的编码，因而上述254个呈奇函数对称的数值乃形成127个编码值，剩余的0也需占一个编码值，而128因使编码值固定为0，故不予编码，只在输出时强迫其输出值为0，因此，共需128个编码值，此相对于以往全编码方法(即将全部数值全部一一编码的方法)，确可使编码表缩减一半，且为了配合编码表减半的定址模式，必须将前述对称的PIm数值映至同一编码地址，剩余的0需映至其编码地址，128也需映至与0相同的地址，此即PIm数值产生的对称地址(SYMMETRICALADDRESS)，以供编码定址之用，使每两对称的PIm数值皆对映至同一编码值，而在输出时，回复Cnm(PIm-128)相对于Cnm|PIm-128|的极性，凡PIm小于128均进行极性反转，其大于128则维持同极性，而当PIm等于128时，则强迫输出值为0，此即对称码的方法。

请参考图1所示，是本发明一较佳实施例中实现对称编码演算法的方框图，其包含：

一色彩检视表1，一对称地址解码器2及一输出极性控制器3，其中：

色彩检视表1，其存放原始空间色彩分量PIm对应于转换空间色彩分量POn的编码Cnm|PIm-128|，为一具有128字元的随机存取存储器，可依R、G、B至Y、Cb、Cr转换或Y、Cb、Cr至R、G、B转换程式规则其对应的编码值。

对称地址解码器2，是用以产生上述色彩检视表1的字元地址，其详细内部请参考图2所示，其包括①每一可控制2的补码产生器21a及②地址解码器22a；其中：①第一可控制2的补码产生器21a是利用PIm数值的最高位PIm7为致能信号，控制其余7个较低位PIm6、PIm5、PIm4、、、PIm0是否执行2的补码运算，以产生7位元的对称地址，供上述色彩检视表1定址之用，当PIm7＝0时，启动2的补码运算，输入PIm6、PIm5、PIm4、、、PIm0的2的补码，当PIm7＝1时，直接通过PIm6、PIm5、PIm4、、、PIm0的值，如此，即可使PIm数值两两对应于一相同地址，如表一所示、②而地址解码器22是将上述第一可控制2的补码产生器21a输出的对称地址解码为Am0、Am1、Am2、、、Am127共128条地址线。

输出极性控制器3，其置于上述色彩检视表1的输出端，用以回复其编码值的原有极性，而当PIm＝128时，强迫输出为0，其详细内部请参考图3所示，其包括①一第二可控制2的补码产生器31a，②一128检测器32a，及③一输出遮蔽电路33a；其中：①第二可控制2的补码产生器31a与上述第一可控制2的补码产生器21a同步动作，也利用PIm7为致能信号，控制上述色彩检视表1输出的编码值是否执行2的补码运算，当PIm7＝0时则为是，而当PIm7＝1时则为否，也如表一所示、②128检测器32a是利用Am0及PIm7两信号检测PIm数值为128的状况，如为是，则输出一禁制信号。③输出遮蔽电路33a是由上述128检测器32a输出的禁制信号控制是否遮蔽上述第二可控制2的补码产生器31a的输出，如为是，即PIm＝128时，则强迫其输出为0，否则，直接通过上述第二可控制2的补码产生器31a的输出码至输出端。

请参考图4所示，组合原始空间三色彩分量为转换空间任一色彩分量的构造方框图，包括①三个如图1所示的对称编码基本构造S1、S2、S3，②二加法器4、5以及③补偿及限制电路6，其中：①三对称编码基本构造S1、S2、S3，分别对应于原始空间三色彩分量PI1、PI2、PI3，提供三色彩分量对应于转换空间色彩分量POn所需的对称编码实施装置；②二加法器4、5是用以对上述三对称编码基本构造的输出数码执行串加运算，其中第一加法器4是将来自PI1、PI2二分量的输出数码先行相加，其和再与来自PI3分量的输出数码第二加法器4相加；③而补偿及限制电路6是对上述第二加法器5的输出进行常数128补偿及值域限制，将转换空间色彩分量POn的数值局限于8位的范围，即0与255之间，因而补偿后的POn数值如超过255，则限定于255，如是负数，则限定于0，此乃为防止串加运算可能造成的值域溢出(OVERELOW)而设计。

请参考图5所示，是将图4中转换空间色彩分量POn展开为P01、P02、P03状态，为本发明以对称编码实现色彩空间转换的方法及装置的一较佳实施例，其包括：

①九个如图1所示的色彩检视表，主要用来分别存放原始空间与转换空间各对应色彩分量的编码值；其分别为，第一色彩检视表11，其是存放原始空间第一色彩分量PI1对应于转换空间第一色彩分量P01的编码值；第二色彩检视表12，其是存放原始空间第一色彩分量PI1对应于转换空间第二色彩分量P02的编码值；第三色彩检视表13，其是存放原始空间第一色彩分量PI1对应于转换空间第三色彩分量P03的编码值；第四色彩检视表14，其是存放原始空间第二色彩分量PI2对应于转换空间第一色彩分量P01的编码值；第五色彩检视表15，其是存放原始空间第二色彩分量PI2对应于转换空间第二色彩分量P02的编码值；第六色彩检视表16，其是存放原始空间第二色彩分量PI2对应于转换空间第三色彩分量P03的编码值；第七色彩检视表17，其是存放原始空间第三色彩分量PI3对应于转换空间第一色彩分量P01的编码值；第八色彩检视表18，其是存放原始空间第三色彩分量PI3对应于转换空间第二色彩分量P02的编码值；第九色彩检视表19，其是存放原始空间第三色彩分量PI2对应于转换空间第三色彩分量P03的编码值。

②九个如图1所示的输出极性控制器，其是分别跟随上述九个色彩检视表，用以回复其编码值的原有极性，且当原始空间色彩分量的数值为128时，强迫输出为0；其分别为，第一输出极性控制器31，是用以回复上述第一色彩检视表11输出编码值的原有极性，并在原始空间第一色彩分量PI1的量化数值为128时，强迫输出为0；第二输出极性控制器32，是用以回复上述第二色彩检视表12输出编码值的原有极性，并在原始空间第一色彩分量PI1的量化数值为128时，强迫输出为0；第三输出极性控制器33，是用以回复上述第三色彩检视表13输出编码值的原有极性，并在原始空间第一色彩分量PI1的量化数值为128时，强迫输出为0；第四输出极性控制器34，是用以回复上述第四色彩检视表14输出编码值的原有极性，并在原始空间第二色彩分量PI2的量化数值为128时，强迫输出为0；第五输出极性控制器35，是用以回复上述第五色彩检视表15输出编码值的原有极性，并在原始空间第三色彩分量PI2的量化数值为128时，强迫输出为0；第六输出极性控制器36，其是用以回复上述第六色彩检视表16输出编码值的原有极性，并在原始空间第二色彩分量PI2的量化数值为128时，强迫输出为0；第七输出极性控制器37，其是用以回复上述第七色彩检视表17输出编码值的原有极性，并在原始空间第三色彩分量PI3的量化数值为128时，强迫输出为0；第八输出极性控制器38，其是用以回复上述第八色彩检视表18输出编码值的原有极性，并在原始空间第三色彩分量PI3的量化数值为128时，强迫输出为0；第九输出极性控制器39，其是用以回复上述第七色彩检视表19输出编码值的原有极性，并在原始空间第三色彩分量PI3的量化数值为128时，强迫输出为0。

③三个如图1所示的对称地址解码器，其是分别对应于原始空间三色彩分量，用以产生各分量所有对应色彩检视表共用的字元地址；其分别为：第一对称地址解码器21，其用以产生原始空间第一色彩分量PI1所对应第一、第二及第三色彩检视表11、12、13共用的字元位址；第二对称地址解码器22，其用以产生原始空间第二色彩分量PI2所对应第四、第五及第六色彩检视表14、15、16共用的字元地址；第三对称地址解码器23，其用以产生原始空间第三色彩分量PI3所对应第七、第八及第九色彩检视表17、18、19共用的字元地址。

④六个如图4所示的加法器，其是两两相串联，分别对应于转换空间三色彩分量，用以串加各分量来自原始空间三对应色彩分量的输出码；其分别为，第一加法器41，其用以对上述第一及第四输出极性控制器31、34的输出执行加法运算；第二加法器42，其用以对上述第一加法器41及第七输出极性控制器37的输出执行加法运算；第三加法器43，其用以对上述第一及第五输出极性控制器32、35的输出执行加法运算；第四加法器44，其用以对上述第三加法器43及第八输出极性控制器38的输出执行加法运算；第五加法器45，其用以对上述第三及第六输出极性控制器33、36的输出执行加法运算；第六加法器46，其用以对上述第一及第五加法器45及第九输出极性控制器39的输出执行加法运算。

⑤以及三个如图4所示的补偿及限制电路，其分别对应于转换空间三色彩分量，用以对上述串加运算的结果进行128补偿及值域限制；其分别为：第一补偿及限制电路61，其对上述第二加法器42的输出进行常数128补偿及值域限制，输出转换空间第一色彩分量P01；第二补偿及限制电路62，其对上述第四加法器44的输出进行常数128补偿及值域限制，输出转换空间第二色彩分量P02；第三补偿及限制电路63，其对上述第六加法器46的输出进行常数128补偿及值域限制，输出转换空间第三色彩分量P03。

上述所组成的电路可遂行R、G、B至Y、Cb、Cr或Y、Cb、Cr至R、G、B双向转换；当进行R、G、B至Y、Cb、Cr转换时，上述九个色彩检视表必须依据方程组(3)程式规划其编码值，而当进行Y、Cb、Cr至R、G、B转换时，前述9个色彩检视表则依据方程组(4)程式规划其编码值，若上述所组成的电路应用于单向转换的环境，则色彩检视表可以使用只读存储装置，能够方便操作且缩小体积电路的面积，而尤为甚，当仅应用于Y、Cb、Cr至R、G、B单向转换时，可依方程组(2)简化其构造，此时Y分量对应于R、G、B三分量的系数均为1，故不需编码，且Cb分量对应于R分量及Cr分量对应于B分量的系数均微乎其微，可以忽略，也不需编码，因此只需对Cb及Cr二分量进行对称编码，且二各仅使用二个编码表，分别是Cb分量对应于G、B二分量以及Cr分量对应于R、G二分量。而当Y、Cb、Cr三分量线性组合成为R、G、B三分量的后，也不需加以常数补偿，而直接限制其值域于0至255的范围即可，其实施装置如图6所示。

图6是本发明的一简化实施例，用以遂行Y、Cb、Cr至R、G、B单向转换为目的，其包括：

四个色彩检视表101至104，分别存放Cb分量对应于G分量，Cb分量对应B分量，Cr分量对应于R分量，以及Cr分量对应于G分量的编码值。

四个输出极性控制器301至304，其分别跟随上述四色彩检视表，用以回复其编码值的原有极性，且当对应的Cb或Cr分量数值为128时，强迫输出为0。

两个对称地址解码器201、202，其分别对应于Cb及Cr分量，用以产生各分量所有对应色彩检视表共用的字元地址。

四个加法器401至404，其中加法器401对应于R分量，用以执行其对应Cr分量的输出数码与Y分量数值的加法运算，加法器402、403二对应于G分量，其两相串加用以串联其来自对应Cb、Cr二分量的输出数码与Y分量数值，加法器404对应于B分量，用以执行其对应Cb分量的输出数值与Y分量数值的加法运算。以及

三个限制电路71至73，其如图4所示的补偿及限制电路6的限制电路部份，分别对应于R、G、B三分量，作为输出值域限制之用。

本发明，提供一种可将彩色空间R、G、B转换为辉度Y、色度Cb、Cr空间，及可以将辉度Y、色度Gb、Cr空间转换为彩色空间R、G、B的一种可作双向转换的以对称编码实现色彩空间转换的方法及装置；及提供一种硬件构造较简单的可将辉度Y、色度Cb、Cr空间转换为彩色空间R、G、B的以对称编码实现色彩空间转换的装置。

综上所述，本发明以对称编码实现色彩空间转换的方法及装置，确可达到预期的目的。

                                 表1

PIm数值	编码表之对称地址	输出数码Cnm(Plm-128)相对于编码值Cnm|Plm-128|之极性	备注
				0123::126127	0127126125::21	----::--	cnm(PIm-128)＝-Cnm|PIm-128|
128	0	0	cnm(PIm-128)＝0
				129130....253254255	12....125126127	++....+++	Cnm(PIm-128)＝Cnm|PIm-128|

Claims (2)

1.一种以对称编码实现色彩空间转换的方法，其可实现自然颜色空间R、G、B与辉度/色度(LUMINANCE/CHROMI-NANCE)空间Y、Cb、Cr两间的的相互转换，其步骤包括：

(a)提供一方程式： $\mathrm{POn}\stackrel{3}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{Cnm}(\mathrm{PIm}-128)+128,n=,\mathrm{1,2},3;$ 其中：

m＝1

PIm所构成的色彩空间称为原始空间(ORIGINALSPACE)，也即PIm为原始空间的一色彩分量(COMPONENT)POn所构成的色彩空间为转换后的色彩空间，称为转换空间(CONVERTED SPACE)，也即POn为转换空间的色彩分量；Cnm为转换空间第n色彩分量对应于原始空间第m色彩分量的系数；

(b)当P01、P02、P03、分别代表YCbCr空间的Y、Cb、Cr分量时，则PI1、PI2、PI3分别代表RGB空间的R、G、B分量；

(c)当P01、P02、P03、分别代表RGB空间的R、G、B分量时，则PI1、PI2、PI3分别代表RGB空间的Y、Cb、Cr分量；

(d)使原始空间每一色彩分量PIm在转换关系中均以常数128为中心，呈奇函数(Odd function)对称分布，即每一对离128等距离的数值均形成绝对值相等而正负符号相异的对称关系；

(e)将PIm数值依绝对值|PIm-128|和其对应系数Cnm的乘积以2的补码表示法进行编码，但128不予编码，只在输出时强迫其输出值为0；

(f)将前述对称的PIm数值映至同一编码地址，剩余的0需映至其编码地址，128也需映至0相同的地址，此即PIm数值产生的对称地址(SYMMETRICAL ADDRESS)，以供编码定址之用，使每两对称的PIm数值皆对映至同一编码值；

(g)在输出时，回复Cnm(PIm-128)相对于Cnm|PIm-128|的极性，凡PIm小于128均进行极性反转，其大于128则维持同极性，而当PIm等于128时，则强迫输出值为0。

2.如权利要求1所述的以对称编码实现色彩空间转换的方法，其中(d)步骤尤指以8位表示的PIm数值除了0及128之外，其余1、2、3、、、127与、129、130、131、255，共254个数值分别一一对称，其中1与255对称，2与254对称，余此类推。

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