CN102801988A - 一种基于色度分量幅度的yuv444转yuv420的视频格式转换方法 - Google Patents

Abstract

一种基于色度分量幅度的YUV444转YUV420的视频格式转换方法，包括以下步骤：（1）输入一帧待转换YUV444视频格式数据；（2）取出一个未转换的2x2色度分量数据块；（3）把步骤(2)中取出的4个色度分量数据各自减去128后取绝对值，得到对应的色度分量幅度，再根据色度分量幅度大小对4个色度分量数据进行从大到小的排序；（4）计算归一化的权重值，加权平均得到一个色度分量数据；（5）重复步骤(2)-(4)，直至当前帧所有的2x2色度分量数据块转换完毕；（6）将所有亮度分量数据和转换后的色度分量数据组合为YUV420格式视频数据。本发明能使YUV420格式视频具有良好的色度视觉效果。

Description

一种基于色度分量幅度的YUV444转YUV420的视频格式转换方法

技术领域

本发明涉及数字视频信息处理领域，具体涉及一种YUV444视频格式转换为YUV420视频格式的转换方法。

背景技术

人类视觉系统(HVS)对亮度比色度更敏感，因此可以在保持亮度信息的分辨率的条件下，适度降低色度信息的分辨率，以减少视频数据的数据量，同时保持人眼对视频画面的视觉感受。

YUV444视频格式中，Y、U、V三个分量具有同样的水平和垂直分辨率，每一个像素位置，都有Y、U、V分量，即每4个亮度分量都有相对应的4个U色度分量和4个V色度分量。YUV420视频格式中，在水平和垂直分辨率方面，U分量和V分量均是Y分量的一半。因此，YUV444格式转为YUV420格式的过程中，色度分量是由YUV444格式的每个2x2色度分量数据块转换为YUV420格式的1个色度分量数据，实现水平方向和垂直方向的二分之一缩小转换（见Iain E.G.Richardson.Video Codec Design.JohnWiley & Sons Ltd.2002；又见Iain E.G.Richardon.H.264and MPEG-4VideoCompression Video Coding for Next Generation Multimedia.Wiley Press.2003）。

虽然YUV420视频格式的色度信息少，却对人眼的色度感觉而言，这种格式的视觉效果与其他视频格式接近，且由于色度信息更少，其整体视频数据量较少，因此YUV420视频格式适合用于数字视频编码（见Mahammed Ghanbari.Standard Codecs:Image Compression to AdvancedVideo Coding.Institution of Electrical Engineers，2003；又见ITU-T andISO/IEC JTC1,Advanced video coding for generic audiovisual services,即“面向音视频服务的高级视频编码”，ITU-T Recommendation H.264 andISO/IEC14496(MPEG-4AVC),2010），被广泛应用于数字电视、会议电视、DVD等领域。

数字视频数据采集的格式常用的有RGB格式，在进行数字视频编码前，一般先将RGB格式转为YUV444格式，即每个像素点R、G、B三个分量转成Y、U、V三个分量（见Keith Jack.Video Demystified：A Handbook forthe Digital Engineer.LLH Technology Publishing，2001），再将YUV444格式转换为适合数字视频编码的YUV420格式。常用的YUV444格式转YUV420格式的转换方法主要有两种，一种是从每个2x2色度分量数据块中的4个色度分量数据中直接抽取1个色度分量数据的方法，来实现YUV444格式到YUV420格式的转换，另一种是计算每个2x2色度数据块中的4个色度分量数据的平均值的方法，得到对应的1个色度分量数据，来实现YUV444格式到YUV420格式的转换。现有常用的直接抽取和直接取平均值的YUV444转YUV420的方法虽然计算量低，但在色度变化显著的场景会出现较明显的色度信息损失（表现为转换后的色度特征较原始色度特征偏差明显），不能满足对色度效果要求较高的视频应用场合，比如雷达视频存储、电脑桌面视频存储和医学视频存储等对单个像素点或线的色度效果要求较高的应用场合。

发明内容

为了克服现有YUV444转YUV420的视频格式转换方法存在色度信息损失较多的问题，本发明提供了一种YUV444格式转换为YUV420格式的方法，能保持转换后YUV420格式的视频具有良好的色度视觉效果。

为了解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种基于色度分量幅度的YUV444转YUV420的视频格式转换方法，所述转换方法包括以下步骤：

（1）输入一帧待转换YUV444视频格式数据；

（2）取出一个未转换的2x2色度分量数据块，C₁、C₂、C₃和C₄表示当前2x2色度分量数据块按从上到下且从左到右顺序排列的4个色度分量数据，即C₁是2x2色度分量数据块的左上角的色度分量数据，C₂是2x2色度分量数据块的右上角的色度分量数据，C₃是2x2色度分量数据块的左下角的色度分量数据，C₄是2x2色度分量数据块的右下角的色度分量数据，所述的2x2色度分量数据块是色度U分量类型的2x2数据块或色度V分量类型的2x2数据块；

（3）把步骤(2)中取出的4个色度分量数据各自减去128后取绝对值，即得到|C₁-128|、|C₂-128|、|C₃-128|和|C₄-128|，将它们作为对应色度分量数据的色度分量幅度，再根据这4个色度分量幅度大小对4个色度分量数据进行从大到小的排序；用S₁、S₂、S₃和S₄表示经过色度分量幅度从大到小排序之后，与色度分量幅度相对应的色度分量数据，即S₁表示与|C₁-128|、|C₂-128|、|C₃-128|和|C₄-128|中的最大值对应的色度分量数据，S₄表示与|C₁-128|、|C₂-128|、|C₃-128|和|C₄-128|中的最小值对应的色度分量数据；如果有两个或两个以上色分量数据的色度分量幅度相等，则按先上方优先，再左方优先的顺序进行排序，即保持步骤(2)中的色度分量数据顺序；

（4）为步骤(3)中得到的经色度分量幅度排序的色度分量数据S₁、S₂、S₃和S₄分别计算归一化权重值w₁、w₂、w₃和w₄，接着根据权重值对S₁、S₂、S₃和S₄进行加权平均，从而得到当前2x2色度分量块YUV444格式转换为YUV420格式对应的一个色度分量数据C_T。当前2x2块色度分量数据的转换过程具体如下：

(a)首先按式(I)分别计算S₁、S₂、S₃和S₄对应的色度分量权重因子a₁、a₂、a₃和a₄：

$a_i=\frac{128+|S_i-128|}{256}*{\mathrm{\α}}_i---\left(I\right)$

式(I)中，i取1、2、3和4，α_i是权重系数，根据经验其值选取须满足公式(II)：

$\frac{1}{2}>{\mathrm{\α}}_1\≥\frac{1}{3}>{\mathrm{\α}}_2\≥\frac{1}{4}>{\mathrm{\α}}_3\≥\frac{1}{6}>{\mathrm{\α}}_4\≥\frac{1}{8}---\left(\mathrm{II}\right)$

(b)然后根据式(III)分别计算S₁、S₂、S₃和S₄对应的色度分量归一化权重值w₁、w₂、w₃和w₄：

$w_i=\frac{a_i}{a_1+a_2+a_3+a_4}---\left(\mathrm{III}\right)$

式(III)中，i取1、2、3和4；

(c)最后根据式(IV)加权求和得到当前2x2块YUV444格式转换为YUV420格式后的色度分量数据C_T：

$C_T=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i*S_i---\left(\mathrm{IV}\right)$

（5）取出下一个未转换的2x2色度分量数据块，重复步骤(2)-(4)，直至当前帧所有的2x2色度分量数据块转换完毕；

（6）取出步骤(1)中获取的该帧视频数据的所有亮度分量数据，与由步骤(2)-(5)得到的转换后的色度分量数据组合为YUV420格式视频数据。

本方法的技术构思为：在YUV色度空间中，当U色度分量数据和V色度分量数据都是128时，图像表现为无任何色度信息，只表现为亮度信息，而当U色度分量数据和V色度分量数据与128偏差越大，图像的色度信息就表现的越为丰富。因此，本方法就根据每个2x2块中的4个像素的色度分量数据与128的偏差大小来分配每个分量的权重，让偏差较大的色度分量占较大的权重，让偏差较小的色度分量占较小的权重，使4个色度分量数据加权平均之后的得到转换数据能保持更多的色度信息。

与现有技术相比，本方法具有以下有益效果：根据色度分量值与128的偏差越大，色度信息量越大的思想，对YUV444格式转换为YUV420格式的视频格式转换进行了优化，能够使最后的YUV420格式的视频保持更多的色度信息，从而保持视觉效果。

附图说明

图1为一种基于色度分量幅度的YUV444转YUV420的视频格式转换方法框图。

图2为当前2x2色度分量数据块中的数据位置示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明。

下文中所述的Y分量即为视频信号YUV色彩空间中的亮度分量，U和V分量为视频信号YUV色彩空间中的两个色度分量。

如图1所示，一种基于色度分量幅度的YUV444转YUV420的视频格式转换方法，包括以下步骤：

（1）输入一帧待转换YUV444视频格式数据。

（2）取出一个未转换的2x2色度分量数据块。C₁、C₂、C₃和C₄表示当前2x2色度分量数据块按从上到下且从左到右顺序排列的4个色度分量数据，即C₁是2x2色度分量数据块的左上角的色度分量数据，C₂是2x2色度分量数据块的右上角的色度分量数据，C₃是2x2色度分量数据块的左下角的色度分量数据，C₄是2x2色度分量数据块的右下角的色度分量数据，如图2所示。所述的2x2色度分量数据块可以是色度U分量类型的2x2数据块，也可以是色度V分量类型的2x2数据块。

（3）把步骤(2)中取出的4个色度分量数据各自减去128后取绝对值，即得到|C₁-128|、|C₂-128|、|C₃-128|和|C₄-128|，将它们作为对应色度分量数据的色度分量幅度，再根据这4个色度分量幅度大小对4个色度分量数据进行从大到小的排序。用S₁、S₂、S₃和S₄表示经过色度分量幅度从大到小排序之后，与色度分量幅度相对应的色度分量数据，即S₁表示与|C₁-128|、|C₂-128|、|C₃-128|和|C₄-128|中的最大值对应的色度分量数据，S₄表示与|C₁-128|、|C₂-128|、|C₃-128|和|C₄-128|中的最小值对应的色度分量数据。如果有两个或两个以上色度分量数据的色度分量幅度相等，则按先上方优先，再左方优先的顺序进行排序，即保持步骤(2)中的色度分量数据顺序。

（4）为步骤(3)中得到的经色度分量幅度排序的色度分量数据S₁、S₂、S₃和S₄分别计算归一化权重值w₁、w₂、w₃和w₄，接着根据权重值对S₁、S₂、S₃和S₄进行加权平均，从而得到当前2x2色度分量块YUV444格式转换为YUV420格式对应的一个色度分量数据C_T。

（5）取出下一个未转换的2x2色度分量数据块，重复步骤(2)-(4)，直至当前帧所有的2x2色度分量数据块转换完毕

（6）取出(1)中获取的该帧视频数据的所有亮度分量数据，与由步骤(2)-(5)得到的转换后的色度分量数据组合为YUV420格式视频数据。

步骤（3）具体为：

通过比较色度分量幅度的大小来对4个色度分量数据的进行排序，对应色度分量幅度大的色度分量数据排在前面，即按照色度分量幅度从大到小对色度分量数据进行排序。如果有两个或两个以上色度分量数据的色度分量幅度相等，则按先上方优先，再左方优先的顺序进行排序，即保持(2)中的色度分量数据顺序。

步骤（4）具体为：

当前2x2块色度分量数据的转换具体过程如下：

(a)首先按式(I)分别计算S₁、S₂、S₃和S₄对应的色度分量权重因子a₁、a₂、a₃和a₄：

$a_i=\frac{128+|S_i-128|}{256}*{\mathrm{\α}}_i---\left(I\right)$

式(I)中，i取1、2、3和4，α_i是权重系数，根据经验其值选取须满足公式(II)：

$\frac{1}{2}>{\mathrm{\α}}_1\≥\frac{1}{3}>{\mathrm{\α}}_2\≥\frac{1}{4}>{\mathrm{\α}}_3\≥\frac{1}{6}>{\mathrm{\α}}_4\≥\frac{1}{8}---\left(\mathrm{II}\right)$

本实施例中，α₁选取的典型值为0.35，α₂选取的典型值为0.30，α₃选取的典型值为0.20，α₄选取的典型值为0.15。

(b)然后根据式(III)分别计算S₁、S₂、S₃和S₄对应的色度分量归一化权重值w₁、w₂、w₃和w₄：

$w_i=\frac{a_i}{a_1+a_2+a_3+a_4}---\left(\mathrm{III}\right)$

式(III)中，i取1、2、3和4。

(c)最后根据式(IV)加权求和得到当前2x2块YUV444格式转换为YUV420格式后的色度分量数据C_T：

$C_T=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i*S_i---\left(\mathrm{IV}\right).$

Claims (1)

1.一种基于色度分量幅度的YUV444转YUV420的视频格式转换方法，其特征在于：所述转换方法包括以下步骤：

（1）输入一帧待转换YUV444视频格式数据；

（2）取出一个未转换的2x2色度分量数据块，C₁、C₂、C₃和C₄表示当前2x2色度分量数据块按从上到下且从左到右顺序排列的4个色度分量数据，即C₁是2x2色度分量数据块的左上角的色度分量数据，C₂是2x2色度分量数据块的右上角的色度分量数据，C₃是2x2色度分量数据块的左下角的色度分量数据，C₄是2x2色度分量数据块的右下角的色度分量数据，所述的2x2色度分量数据块是色度U分量类型的2x2数据块或色度V分量类型的2x2数据块；

（3）把步骤(2)中取出的4个色度分量数据各自减去128后取绝对值，即得到|C₁-128|、|C₂-128|、|C₃-128|和|C₄-128|，将它们作为对应色度分量数据的色度分量幅度，再根据这4个色度分量幅度大小对4个色度分量数据进行从大到小的排序；用S₁、S₂、S₃和S₄表示经过色度分量幅度从大到小排序之后，与色度分量幅度相对应的色度分量数据，即S₁表示与|C₁-128|、|C₂-128|、|C₃-128|和|C₄-128|中的最大值对应的色度分量数据，S₄表示与|C₁-128|、|C₂-128|、|C₃-128|和|C₄-128|中的最小值对应的色度分量数据；如果有两个或两个以上色度分量数据的色度分量幅度相等，则按先上方优先，再左方优先的顺序进行排序，即保持步骤(2)中的色度分量数据顺序；

（4）为步骤(3)中得到的经色度分量幅度排序的色度分量数据S₁、S₂、S₃和S₄分别计算归一化权重值w₁、w₂、w₃和w₄，接着根据权重值对S₁、S₂、S₃和S₄进行加权平均，从而得到当前2x2色度分量块YUV444格式转换为YUV420格式对应的一个色度分量数据C_T，当前2x2块色度分量数据的转换过程具体如下：

(a)首先按式(I)分别计算S₁、S₂、S₃和S₄对应的色度分量权重因子a₁、a₂、a₃和a₄：

$a_i=\frac{128+|S_i-128|}{256}*{\mathrm{\α}}_i---\left(I\right)$

式(I)中，i取1、2、3和4，α_i是权重系数，根据经验其值选取须满足公式(II)：

$\frac{1}{2}>{\mathrm{\α}}_1\≥\frac{1}{3}>{\mathrm{\α}}_2\≥\frac{1}{4}>{\mathrm{\α}}_3\≥\frac{1}{6}>{\mathrm{\α}}_4\≥\frac{1}{8}---\left(\mathrm{II}\right)$

(b)然后根据式(III)分别计算S₁、S₂、S₃和S₄对应的色度分量归一化权重值w₁、w₂、w₃和w₄：

$w_i=\frac{a_i}{a_1+a_2+a_3+a_4}---\left(\mathrm{III}\right)$

式(III)中，i取1、2、3和4；

(c)最后根据式(IV)加权求和得到当前2x2块YUV444格式转换为YUV420格式后的色度分量数据C_T：

$C_T=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i*S_i---\left(\mathrm{IV}\right)$

（5）取出下一个未转换的2x2色度分量数据块，重复步骤(2)-(4)，直至当前帧所有的2x2色度分量数据块转换完毕；

（6）取出步骤(1)中获取的该帧视频数据的所有亮度分量数据，与由步骤(2)-(5)得到的转换后的色度分量数据组合为YUV420格式视频数据。

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