CN106303485B - 兼容传输多原色扩展色域的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及视频显示技术领域，为着力解决CIE 1931标准三原色光无法表达自然界大部分高饱和度可见色光的问题；探索自然界复色光的多原色表示方法；并讨论与CIE 1931标准三原色光兼容的传输和存储方法。本发明采用的技术方案是，兼容传输多原色扩展色域的方法，步骤是，(1)采用由多原色分量信号组成的多边形进行分析；(2)对于不能用CIE 1931标准表达的复合色彩信号，则采用由其它原色组成的三角形进行表达；(3)对于不能用CIE 1931标准表达的复合色彩信号，继续分析色度分量与亮度信号的差值，选择其中绝对值最小的两个差值形成U和V两个色差信号。本发明主要应用于视频显示场合。

Description

兼容传输多原色扩展色域的方法

技术领域

本发明涉及视频显示技术领域，具体讲,涉及一种兼容传输多原色扩展色域的方法。

背景技术

1931年，国际照明委员会CIE制定了CIE 1931 RGB系统，规定将700nm的红、546.1nm的绿和435.8nm的蓝作为三原色，后来CIE 1931-xy色度图成为描述色彩范围最为常用的图表，色域就是在这图上所覆盖的范围。

由于历史的原因，目前视频系统中的色域都较小，仅能覆盖自然界中可见色彩的33.25％，大部分高饱和度的颜色都无法显示，为克服这个缺点，国际上于1998年和2006年先后制定了《未来电视和图像系统的国际统一色度和相关特性》建议书ITU-R BT.1361和“面向视频应用的扩展色域”建议书IEC61966-2-4。这两个标准采用兼容传输“负”值信号的方式尽可能多地传输常规色域外的颜色。在接收端，宽色域(WCG:Wide Color Gamut)显示器会采用一定的技术手段重现宽色域的颜色，而常规色域的显示器则不处理这些“负”值信号，仍然显示常规色域。我国的相关部门也采用这两个标准。采用这两个标准后，显示器所显示的色域，分别比常规色域提高1.4倍和1.8倍。

如果发送端传输“负”值色光信号，所需的“负”值色光信号可以通过线性矩阵计算出来。但是线性计算不能提高信息量,并且通过计算只能估计“负”值色光信号。且利用现有系统在传输“负”值信号时有其局限性：在其传输过程中，由于压缩较大，接收端恢复困难，数据的准确性也受到影响。特别是，对于广泛研究的多原色(MPD：Multi-Primary ColorDisplay)显示设备，计算的“负”值色光信号不易实现与MPD多原色光的匹配。

宽色域相较于普通色域显示的图像更为真实，色彩更为丰富和饱和。目前，有多家公司和研究所都在进行宽色域显示器的研究和开发工作。但是如果视频信号源不含有相应的彩色信息，只通过显示器的研发工作带来的色域改进是很有限的。索尼公司的红、绿、蓝和宝石蓝(RGBE)四色CCD图像传感器已经进入了实际应用，该宝石蓝颜色与黄绿色类似。色度信息丰富的视频信号源必将进一步推动宽色域显示器的研究和开发。

为了尽可能多地覆盖1980年Pointer先生提出的“真实的表面色域”，国内外学者在显示端进行了许多扩展色域的工作。这些工作可以分为基于三原色和基于多原色(Multi-Primary Color)扩展色域两种。

(1)基于三原色扩展色域

在超高清晰度电视(UHD-TV:Ultra High Definition Television Video)的标准中国际电信联盟(ITU:International Telecommunication Union)对韩国的建议(625nm，531nm和467nm)和日本的建议(635nm，532nm和467nm)做了折中，在Rec.2020中使用了630nm，532nm和467nm波长的红、绿、蓝三原色光扩展色域，覆盖了99.9％的Pointer色域。

为了显示更逼真的色彩，除了分别扩展视频源端和显示端的色域之外，还要使得两个色域相匹配。为了使HDTV传输色域与各种显示器色域相匹配，色域映射算法受到了广泛关注。

量子点(Quantum Dot)技术也被用来改进显示器的色彩重现，使色彩更加纯净鲜艳。但是，只靠改进显示端的三原色光束，显示范围却仍然局限在三角形范围内，无法显示自然界真实、丰富的色彩。多原色是扩展色域的发展趋势，同时能够提高显示器的亮度。

(2)基于多原色扩展色域

除了使用三原色光扩展色域外，国内外都在研究使用多原色来扩展色域，以便尽可能多地覆盖所有可见颜色。例如，使用380,487,505,520,548和700nm波长的6个单色光能够将Pointer色域100％覆盖，也覆盖了95.5％的CIE 1931 xy颜色空间。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在着力解决CIE 1931标准三原色光无法表达自然界大部分高饱和度可见色光的问题；探索自然界复色光的多原色表示方法；并讨论与CIE1931标准三原色光兼容的传输和存储方法。本发明采用的技术方案是，兼容传输多原色扩展色域的方法，步骤是，

(1)采用由多原色分量信号组成的多边形进行分析，对于能用CIE 1931标准表达的复合色彩信号，没有变化；

(2)对于不能用CIE 1931标准表达的复合色彩信号，则采用由其它原色组成的三角形进行表达，以便达到扩展色域范围的目的；

(3)对于不能用CIE 1931标准表达的复合色彩信号，继续分析色度分量与亮度信号的差值，选择其中绝对值最小的两个差值形成U和V两个色差信号。

用由其它原色组成的三角形进行表达具体是，采用红R、绿G、蓝B和宝石蓝E四原色中的三色组成的三角形进行表达；

通过GBE三角形或RGE三角形均可以表示的情况下，避免RGE三角形。

在传输和存储过程中，对于与现行视频传输和存储制式不能兼容的情况，用额外数位标示出，以便使WCG接收机知道，两个色差信号U和V是来自(B-Y)、(G-Y)，还是来自(E-Y)，Y为亮度值，G、B和E分别代表绿、蓝、宝石蓝电压值，(B-Y)：蓝原色电压值与亮度值差值，(G-Y)：绿原色电压值与亮度值差值，(E-Y)：宝石蓝原色电压值与亮度值差值。

对于不能用CIE 1931标准表达的复合色彩信号，则用由G，B和E组成的三角形进行表达；然后，根据色度信号与亮度信号的差值(B-Y)、(G-Y)和(E-Y)的幅度绝对值计算两个色差信号U和V，U和V由其中幅度较小的两个信号决定，Y为亮度值，G、B和E分别代表绿、蓝、宝石蓝电压值，(B-Y)：蓝原色电压值与亮度值差值，(G-Y)：绿原色电压值与亮度值差值，(E-Y)：宝石蓝原色电压值与亮度值差值。

本发明的特点及有益效果是：

扩展了视频的色域范围，同时还能够保持和现行视频传输和存储制式的兼容性。

扩展了视频的色域范围，并且避免了《未来电视和图像系统的国际统一色度和相关特性》建议书ITU-R BT.1361和“面向视频应用的扩展色域”建议书IEC61966-2-4在传输过程中，由于压缩较大，接收端恢复困难，数据的准确性受到影响等缺点。

附图说明：

图1复合光表达方式示意图。

图2本发明的实现方案方框图。

具体实施方式

(1)复合光在多原色情况下的表示方法

由于CIE 1931标准三原色光无法表达自然界大部分高饱和度可见色光，而四原色CCD图像传感器已经进入实用阶段，本发明拟以四原色为例研究自然界可见光的表达方式。索尼公司的照相机(Cyber-Shot DSC-F828)采用RGBE四原色图像传感器，本发明申请将讨论红(Rot)、绿(Green)、蓝(Blue)和宝石蓝(Emerald)四原色的情况。

图1为R、G、B和E四原色覆盖的色域范围示意图。四边形色域范围内每一复合光都存在多种表达的可能性，考虑到与现有显示设备的兼容性，本项目拟采用四边形内的三角形表达自然界的复合光。例如，图中的复合色光C1可以通过CIE 1931的RGB三角形，或RGE三角形表示，而复合色光C2可以通过GBE三角形或RGE三角形表示。由于人眼对红色光的亮度不敏感，在表达类似C2复合色光时，要避免红光(R)，也就是避免RGE三角形，而应该采用GBE三角形。

(2)多原色与三原色的兼容传输方法

选择四边形内一个三角形表达方式的准则是尽可能和CIE 1931标准三原色光表达方式相同。例如图1的C₁要采用RGB三原色，而非采用RGE三原色表达，从而保障现有显示设备可以正常显示。为了保持兼容性，类似该图中C₁色光的色差信号则继续由(B-Y)和(R-Y)决定。

对于类似图1中的C₂色光则不可能和CIE 1931标准的表达方式相同。从而现有显示设备不能正常显示类似C₂的色光。但这并不意味显示色域范围的降低，因为C₂色光原本就不在现有显示设备所能覆盖的色域范围。

在三原色情况下人们传输色差信号。类似地，在四原色情况下，也需传输色差信号。当年学者们在选定三原色情况下的色差信号时，考虑了有效传输模拟视频信号的问题。U、V两个色差信号由(B-Y)和(R-Y)决定，而不是来自(G-Y)，其原因是(G-Y)信号的幅度很小，而(B-Y)和(R-Y)信号的幅度较大。在模拟信号传输时代，小幅值信号容易被噪声埋没。因此，当年学者们选用幅度较大的(B-Y)和(R-Y)产生两个色差信号U和V。U：压缩后的色差信号1。V：压缩后的色差信号2。

在数字信号传输时代，传输小幅值信号不仅不是缺点，而是优点，因为传输小幅值信号意味着低码率。

在三原色情况下，两个色差信号由下述公式确定：

其中k₁、k₂为压缩系数。

类似地，在四原色情况下，也需传输色差信号。

R、G、B、E称为红、绿、蓝、宝石蓝电压值。

Y：为亮度信号。

U：压缩后的色差信号1。

V：压缩后的色差信号2。

(B-Y)：蓝原色电压值与亮度值差值。

(G-Y)：绿原色电压值与亮度值差值。

(E-Y)：宝石蓝原色电压值与亮度值差值。

(R-Y)：红原色信号电压值与亮度值差值。

所以(B-Y)、(G-Y)、(E-Y)均为色差信号。

四原色情况下，U、V由(B-Y)、(G-Y)和(E-Y)幅度绝对值较小的两个色差信号确定。

上述因素将被用来确定四原色情况下表达类似图1中的C₂色光的色差信号时充分利用。在传输和存储过程中，对于与现行视频传输和存储制式不能兼容的情况，可以用额外bit标示出，以便使WCG接收机知道，两个色差信号U和V是来自(B-Y)、(G-Y)，还是来自(E-Y)。

虽然本申请在上面只讨论了四原色情况下表达复合光的方法，以便达到和现行视频传输和存储制式相兼容的目的，但是该申请不限于四原色情况。

下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明本发明。

图2以四原色为例，表达该兼容传输多原色信号的方法。

由四原色摄像机获得的四分量信号，红(Rot)、绿(Green)、蓝(Blue)和宝石蓝(Emerald)色度分量信号，经过类似图1的多边形分析后，产生两种表达方式。

(1)对于能用CIE 1931标准表达的复合色彩信号，继续用由R，G和B三原色组成的三角形进行表达。由R，G和B三原色形成节省频带的亮度Y以及U和V两个色差信号形式。

(2)对于不能用CIE 1931标准表达的复合色彩信号，则用由G，B和E组成的三角形的三角形进行表达。然后，根据色度信号与亮度信号的差值(B-Y)、(G-Y)和(E-Y)的幅度绝对值计算两个色差信号U和V。为了降低码率，U和V由其中幅度较小的两个信号决定。

在本发明的一个具体实例中：

(1)一种和现行视频传输和存储制式相兼容的多原色视频信号传输和存储方法。

(2)这种方法采用由多原色分量信号组成的多边形进行分析，对于能用CIE 1931标准表达的复合色彩信号，没有变化。

(3)对于不能用CIE 1931标准表达的复合色彩信号，则采用由其它原色组成的三角形进行表达，以便达到扩展色域范围的目的。

(4)对于不能用CIE 1931标准表达的复合色彩信号，继续分析色度分量与亮度信号的差值。选择其中绝对值最小的两个差值形成U和V两个色差信号。

(5)该方案也同样能用于兼容传输“负”值色光信号，因为“负”值色光信号可以用其补色表达。在接收端由补色又可以计算出所需“负”值色光信号。

本发明并不局限于四原色情况，四原色情况下复合光的表达方法，同样适用于多原色，例如五原色、六原色。五原色、六原色的实例不再赘述。

Claims (5)

1.一种兼容传输多原色扩展色域的方法，其特征是，步骤如下：

(1)采用由多原色分量信号组成的多边形进行分析，对于能用CIE 1931标准表达的复合色彩信号，没有变化；

(2)对于不能用CIE 1931标准表达的复合色彩信号，则采用由其它原色组成的三角形进行表达，以便达到扩展色域范围的目的；

(3)对于不能用CIE 1931标准表达的复合色彩信号，继续分析色度分量与亮度信号的差值，选择其中绝对值最小的两个差值形成U和V两个色差信号。

2.如权利要求1所述的兼容传输多原色扩展色域的方法，其特征是，用由其它原色组成的三角形进行表达具体是，采用红、绿、蓝和宝石蓝四原色中的三色组成的三角形进行表达，不包括红、绿、蓝三色组成的三角形。

3.如权利要求2所述的兼容传输多原色扩展色域的方法，其特征是，通过GBE三角形或RGE三角形均可以表示的情况下，避免RGE三角形。

4.如权利要求2所述的兼容传输多原色扩展色域的方法，其特征是，在传输和存储过程中，对于与现行视频传输和存储制式不能兼容的情况，用额外数位标示出，以便使WCG接收机根据色度信号与亮度信号的差值(B-Y)、(G-Y)和(E-Y)的幅度绝对值计算两个色差信号U和V，Y为亮度值，G、B和E分别代表绿、蓝、宝石蓝电压值，(B-Y)：蓝原色电压值与亮度值差值，(G-Y)：绿原色电压值与亮度值差值，(E-Y)：宝石蓝原色电压值与亮度值差值。

5.如权利要求1所述的兼容传输多原色扩展色域的方法，其特征是，对于不能用CIE1931标准表达的复合色彩信号，则用由G，B和E组成的三角形进行表达；然后，根据色度信号与亮度信号的差值(B-Y)、(G-Y)和(E-Y)的幅度绝对值计算两个色差信号U和V，U和V由其中幅度较小的两个信号决定，Y为亮度值，G、B和E分别代表绿、蓝、宝石蓝电压值，(B-Y)：蓝原色电压值与亮度值差值，(G-Y)：绿原色电压值与亮度值差值，(E-Y)：

宝石蓝原色电压值与亮度值差值。