CN101534454B - 扩展数字电视色域的色差信号非线性量化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及扩展数字电视色域的色差信号非线性量化方法。为解决需传输的信号幅度范围超出常规色域电视系统的可传输信号范围问题，本发明采用的技术方案是：在发送端，根据公式对已经γ伽马校正、编码的色差信号进行量化，根据IEC 61966-2-4中定义的量化方程对亮度信号进行量化，得到亮度和色差信号，IEC 61966-2-4是国际电工委员会制订并公布的规范。在接收端，根据公式对接收到的色差信号进行反量化，根据IEC61966-2-4中定义的亮度信号反量化方程对亮度信号进行反量化，然后再对亮度、色差信号进行解码、反γ校正，得到可在屏幕上显示的RGB信号。本发明主要用于数字电视信号传播。

Description

扩展数字电视色域的色差信号非线性量化方法

技术领域

本发明属于涉及数字电视技术、宽色域技术，尤其涉及扩展数字电视色域的色差信号非线性量化方法。

背景技术

随着现代科技和工业的迅速发展，近年来多种新型显示器件和显示技术不断涌现，除传统的阴极射线管(CRT)外，液晶显示器(LCD)、等离子体显示器(PDP)、数字光学处理器(DLP)、硅基液晶显示器(LCoS)、发光二极管背光源液晶显示器(LED-LCD)等多种新型显示器件已实用化或已研制成功。在显示方式方面，除直视型外，前投影、背投影和激光投影显示等也已投入实用。这些新型高端显示器件和显示方式基于不同原理，采用不同材料、器件和技术，彩色还原能力在增强，性能在提高，一些“未来型”显示器还将涌现。另一方面消费市场对显示效果也有了越来越高的要求，仅仅提高清晰度已不能满足人们对真实再现场景的要求，彩色还原能力也在成为衡量显示器显示效果的重要指标。

目前通用的电视系统仍基于早年科技成果，按CRT特性选定系统参数，限制了自然界存在、人工能合成或计算机能产生，而又能被视觉感知、因而电视系统应传输和重现的色域宽度，使目前的色域覆盖率不足视觉能感受色域范围的40％。也不能满足卫星DTV(数字电视)、有线DTV和地面DTV开播，数字电视正在取代模拟电视的要求。而当代摄像和显像技术的进步、计算机和数字信号处理技术深入数字电视领域已使拓宽数字电视色域成为可能。鉴于此，构建宽色域电视系统的原理、宽色域电视信号的传输和重现方式等，已成为目前国际学术界的热点课题和相关产业界的新增长点，宽色域电视技术对于下一代数字电视编码、传输和接收显示会产生重大影响。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于：由于要求宽色域数字电视系统的色域不再局限于由CRT显像基色三角形限定的范围，使得需传输的信号幅度范围超出常规色域电视系统的可传输信号范围，本发明提出一种非线性量化方法解决该问题。本发明采用的技术方案是：一种扩展数字电视色域的色差信号非线性量化方法，并包括下列步骤：

在发送端，根据公式

对已经γ校正即伽马校正、编码的色差信号进行量化，根据IEC 61966-2-4中定义的亮度信号量化方程D′_Y＝round[219×E′_Y+16]对亮度信号进行量化，得到量化范围为[1，254]的亮度和色差信号；

在接收端，根据公式

对接收到的色差信号进行反量化，根据IEC 61966-2-4中定义的亮度信号反量化方程E′_Y＝(D′_Y-16)/219对亮度信号进行反量化，然后再对亮度、色差信号进行解码、反γ校正，得到可在屏幕上显示的RGB信号，E′_C代表蓝色差信号E′_CB或红色差信号E′_CR，D′_C为8比特量化后的色差信号，函数round为四舍五入取整函数，E′_Y表示亮度信号，D′_Y是8比特量化后的亮度信号，IEC 61966-2-4是国际电工委员会IEC制订并公布的规范。

所述根据公式对已经γ校正、编码的色差信号进行量化，是将[-0.5777，-0.5]扩展色域范围内的色差信号量化到[1，16]共16个量化级，将[0.5，0.5777]扩展色域范围内的色差信号量化到[240，254]共15个量化级。

所述根据公式对已经γ校正、编码的色差信号进行量化，根据IEC 61966-2-4中定义的量化方程，量化后的亮度和色差信号是：

，其中，D′_Y是8比特量化后的亮度信号，D′_CB表示8比特量化后的蓝色差信号，D′_CR表示8比特量化后的红色差信号。

本发明可以带来以下效果：

使用本发明提出的色差信号非线性量化方法，对常规色域[-0.5，0.5]范围内的色差信号采用与现行常规色域一致的量化方法，保证了本方法能够与现行常规色域电视系统兼容。扩展色域[-0.5777，-0.5]范围内的色差信号，将会被量化到[1，16]的16个量化级中，扩展色域[0.5，0.5777]范围内的色差信号，将会被量化到[240，254]的15个量化级中。[-0.0685，1.0868]范围内的亮度信号将使用IEC 61966-2-4中定义的线性方法量化，这样，表1中所示的彩条信号的亮度和色差信号都可以被量化到[1，254]范围内。

具体实施方式

对传输8比特量化精度DTV信号的DTV系统，xvYCC允许使用从1到254的量化范围，如果量化是线性的，则γ(伽马)校正后的亮度信号E′_Y的归一化幅度范围为[-0.0685，1.0868]，校正后的蓝(红)色差信号E′_CB(E′_CR)的归一化幅度范围为[-0.5670，0.5625]。因为色差信号是对称的，所以扩展的色差信号的可传输范围为[-0.5625，0.5625]。

根据彩条信号中白条和黑条的E′_Y应分别等于最大和最小值、E′_CB(E′_CR)应等于0的限制，可以由E′_Y、根据彩条的配色比例来计算彩条的信号范围。

根据HDTV色空间转换方程：

$\left[\begin{array}{c}{E_R}^{\′}\\ {E_G}^{\′}\\ {E_B}^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1.0000& 0.0000& 1.5748\\ 1.0000& -0.1873& -0.4681\\ 1.0000& 1.8556& 0.0000\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E_Y}^{\′}\\ {E_{\mathrm{CB}}}^{\′}\\ {E_{\mathrm{CR}}}^{\′}\end{array}\right]---\left(1\right)$

白条的E′_RE′_GE′_B应等于最大值1.0868，黑条的E′_RE′_GE′_B应等于最小值-0.0685。对于100/0/100/0彩条信号，根据相加混色原理和彩条信号的配色比例，可以算出其它颜色条的E′_RE′_GE′_B。然后根据如下所示的色空间转换公式

$\left[\begin{array}{c}{E_Y}^{\′}\\ {E_{\mathrm{CB}}}^{\′}\\ {E_{\mathrm{CR}}}^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0.2126& 0.7152& 0.0722\\ -0.1146& -0.3854& 0.5000\\ 0.5000& -0.4542& -0.0458\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E_R}^{\′}\\ {E_G}^{\′}\\ {E_B}^{\′}\end{array}\right]---\left(2\right)$

可以计算得到每种彩色的E′_Y、E′_CB、E′_CR，如表1所示。

表1在8比特线性量化扩展的情况下，HDTV 100/0/100/0彩条信号的信号值：

，从表1中可以看出，E′_CB(E′_CR)的范围是±0.5777。该范围大于扩展的8比特线性量化系统的可传输范围±0.5625，超出的部分传输时将被截断，在接收端将会产生彩色畸变。这是由于E′_Y在高电平端扩展的量化级数是19，而E′_CB(E′_CR)在高电平端只扩展了14个量化级。为解决这一问题，本发明提出一种非线性(分段线性)量化方法来压缩色差信号的动态范围。

具体方法如下：

根据表1中所示的色差信号的动态范围，考虑到与当前电视系统兼容的必要，8比特量化情况下色差信号的非线性量化方程为：

$D_C^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{round}[193.0502\&times;E_C^{\&prime;}+112.5251]& -0.5777\&le;E_C^{\&prime;}<-0.5\\ \mathrm{round}[224\&times;E_C^{\&prime;}+128]& -0.5\&le;E_C^{\&prime;}\&le;0.5\\ \mathrm{round}[180.1802\&times;E_C^{\&prime;}+149.9099]& 0.5<E_C^{\&prime;}\&le;0.5777\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，E′_C表示蓝色差信号E′_CB或红色差信号E′_CR，D′_C为8比特量化后的色差信号。函数round为四舍五入取整函数。根据公式(3)，对[-0.5，0.5]常规色域范围内的色差信号将采用常规色域量化方法进行量化，以保证本发明提出的量化方案能与当前常规色域电视系统兼容。而[-0.5777，-0.5]扩展色域范围内的色差信号将会被量化到[1，16]共16个量化级，[0.5，0.5777]扩展色域范围内的色差信号将会被量化到[240，254]共15个量化级。

对[-0.0685，1.0868]范围内的亮度信号E′_Y仍采用IEC 61966-2-4中规定的线性量化方法，如(4)所示：

D′_Y＝round[219×E′_Y+16]   (4)

式中，D′_Y表示量化后的E′_Y。

这样，表1中所示的彩条信号的亮度和色差信号都可以被量化到[1，254]范围内。采用本发明提出的量化方法量化后的亮度和色差信号如表2所示。

表2 8比特非线性(分段线性)量化扩展情况下的HDTV 100/0/100/0彩条信号量化值

，由表2可知，采用本发明提出的色差信号非线性量化方法，宽色域亮度和色差信号的量化值均在[1，254]范围内，可在现行常规色域电视系统中兼容传输。

接收端收到宽色域彩色电视信号后，可用下述方程(5)和(6)进行反量化：

$E_C^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}(E_C^{\&prime;}-112.5251)/193.0502& 1\&le;D_C^{\&prime;}\&le;15\\ (D_C^{\&prime;}-128)/224& 16\&le;D_C^{\&prime;}\&le;240\\ (D_C^{\&prime;}-149.9099/180.1802)& 241\&le;D_C^{\&prime;}\&le;254\end{array}---\left(5\right)\right.$

E′_Y＝(D′_Y-16)/219   (6)

在发送端，根据公式(3)对已经γ(伽马)校正、编码的色差信号进行量化，根据IEC61966-2-4中定义的亮度信号量化方程(4)对亮度信号进行量化，得到量化范围为[1，254]的亮度和色差信号。IEC 61966-2-4是国际电工委员会(IEC)制订并公布的“面向视频应用的扩展色域YCC彩色空间-xvYCC”规范。

在接收端，根据公式(5)对接收到的色差信号进行反量化，根据IEC 61966-2-4中定义的亮度信号反量化方程(6)对亮度信号进行反量化，然后再对亮度、色差信号进行解码、反γ校正，得到可在屏幕上显示的RGB信号。

Claims (3)

1.一种扩展数字电视色域的色差信号非线性量化方法，其特征是，包括下列步骤：

在发送端，根据公式 $D_C^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{round}[193.0502\&times;E_C^{\&prime;}+112.5251]& -0.5777\&le;E_C^{\&prime;}<-0.5\\ \mathrm{round}[224\&times;E_C^{\&prime;}+128]& -0.5\&le;E_C^{\&prime;}\&le;0.5\\ \mathrm{round}[180.1802\&times;E_C^{\&prime;}+149.9099]& 0.5<E_C^{\&prime;}\&le;0.5777\end{array}\right.$ 对已经γ校正即伽马校正、编码的色差信号进行量化，根据IEC 61966-2-4中定义的亮度信号量化方程D′_Y＝round[219×E′_Y+16]对亮度信号进行量化，得到量化范围为[1，254]的亮度和色差信号；

在接收端，根据公式 $E_C^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}(D_C^{\&prime;}-112.5251)/193.0502& 1\&le;D_C^{\&prime;}\&le;15\\ (D_C^{\&prime;}-128)/224& 16\&le;D_C^{\&prime;}\&le;240\\ (D_C^{\&prime;}-149.9099/180.1802)& 241<D_C^{\&prime;}\&le;254\end{array}\right.$ 对接收到的色差信号进行反量化，根据IEC 61966-2-4中定义的亮度信号反量化方程E′_Y＝(D′_Y-16)/219对亮度信号进行反量化，然后再对亮度、色差信号进行解码、反γ校正，得到可在屏幕上显示的RGB信号，E′_C代表蓝色差信号E′_CB或红色差信号E′_CR，D′_C为8比特量化后的色差信号，函数round为四舍五入取整函数，E′_Y表示亮度信号，D′_Y是8比特量化后的亮度信号，IEC 61966-2-4是国际电工委员会IEC制订并公布的规范。

2.根据权利要求1所述的一种扩展数字电视色域的色差信号非线性量化方法，其特征是，所述根据公式对已经γ校正、编码的色差信号进行量化，是将[-0.5777，-0.5]扩展色域范围内的色差信号量化到[1，16]共16个量化级，将[0.5，0.5777]扩展色域范围内的色差信号量化到[240，254]共15个量化级。

3.根据权利要求1所述的一种扩展数字电视色域的色差信号非线性量化方法，其特征是，所述根据公式对已经γ校正、编码的色差信号进行量化，根据IEC 61966-2-4中定义的量化方程，量化后的亮度和色差信号是：

，其中，D′_Y是8比特量化后的亮度信号，D′_CB表示8比特量化后的蓝色差信号，D′_CR表示8比特量化后的红色差信号。