CN106851300B - 基于最可能模式的帧内预测模式的方法及装置 - Google Patents

基于最可能模式的帧内预测模式的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种于视频编码中基于多个最可能模式的帧内预测模式处理的方法及装置，其中，基于多个最可能模式的帧内预测模式处理的方法包括：决定与当前块的左边相邻块相关联的第一帧内模式；决定与当前块的顶部相邻块相关联的第二帧内模式；基于第一帧内模式以及第二帧内模式导出三个最可能模式，其中，基于第一帧内模式以及第二帧内模式导出三个最可能模式的步骤包括：决定第一帧内模式是否与第二帧内模式相同；以及如果第一帧内模式与第二帧内模式相同，则根据第一帧内模式是否与预定模式相同来导出三个最可能模式，以及根据三个最可能模式处理与当前块相关联的当前帧内模式。本发明可提升编码效率。

Description

基于最可能模式的帧内预测模式的方法及装置
【交叉引用及相关申请】
本发明主张在2011年9月13日提交的标题为“HEVC中用于视频压缩的帧内模式编码的方法”的美国临时专利申请No.61/533,890的优先权。因此在全文中合并参考该美国临时专利申请案。
【技术领域】
本发明关于视频编码，尤其关于帧内模式相关的编码技术。
【背景技术】
帧内预测利用图片或图片区域内的空间相关性(spatial correlation)。为了提高编码效率，发展中的高性能视频编码(High-Efficiency Video Coding，HEVC)标准普遍地利用基于块(block-based)的空间预测。在HEVC中，使用多个(multiple)帧内预测模式来利用空间特性(spatial feature)并且帧内预测模式的数目取决于预测单元(predictionunit，PU)的块大小。用于帧内编码的预测单元的大小可以为64x64,32x32,16x16,8x8或4x4。帧内预测模式的数目可以多达35，包含33个方向预测模式(directional predictionmode)，一个直流模式(DC mode)以及一个平面模式(planar mode)，如图1A及图1B所示。在图1A中方向以它们各自的物理方向(H指的是水平方向且V指的是垂直方向)被标示，且在图1B中方向以它们各自的帧内模式索引(index)的范例被标示。物理方向及帧内模式索引之间的对应如图2所示。
为了提高压缩效率，HEVC采用基于最可能模式(most probable mode，MPM)的编码机制来编码帧内模式语法。根据基于最可能模式的编码机制，使用左相邻块及顶部相邻块的帧内预测模式预测用于当前块(亦即，当前预测单元)的帧内预测模式(或缩写为帧内模式)。在HEVC测试模型版本5.0(HM-5.0)中，两个最可能模式从左相邻块及顶部相邻块的帧内预测模式获取。如果这两个帧内预测模式相同或其中一个无效，则加入另一个帧内模式(平面或直流模式)作为第二最可能模式。由于当前预测单元的帧内预测模式与最可能模式之一相同的高可能性，所以使用较短的码字(codeword)来编码诸如此类的情况。否则，使用较长的码字。在HEVC中，帧内预测模式的数目取决于预测单元的大小，如表1所示。4x4及64x64预测单元仅使用用于亮度分量(luma component)的35个帧内预测模式的子集(subset)。对于4x4预测单元，使用18个帧内预测模式，其包含直流模式、平面模式、以及16个方向模式，如图1A及图1B中圆圈所示。需要设计一组提供完整方向覆盖范围的帧内模式候选。此外，除了两个最可能模式以外，还有33个剩余模式(remaining mode)。为了编码这33个模式，必须使用至少六个二进制(比特)。由于在定长表示(fixed-lengthrepresentation)中五个二进制(比特)可仅容纳32个模式，使用六个二进制(比特)来编码33个剩余模式并非高效。相应地，在当前HEVC(HM-5.0)中，使用变长编码(variable lengthcoding)来编码剩余模式。然而，如果编码效率可被保持或提高，则需要使用定长编码来降低系统复杂性。此外，需要增加最可能模式的数目，这样一来可减少剩余模式的数目。
表1
块大小 亮度模式的数目 亮度模式
64x64 4 0～3
32x32 35 0～34
16x16 35 0～34
8x8 35 0～34
4x4 18 0～17
【发明内容】
有鉴于此，有必要提供一种基于多级(multi-level)最可能模式的帧内预测模式编码或解码的方法及装置。
依据本发明一实施例，于视频编码中基于多个最可能模式的帧内预测模式处理的方法由编解码器来执行，所述方法包括：决定与当前块的左边相邻块相关联的第一帧内模式；决定与所述当前块的顶部相邻块相关联的第二帧内模式；基于所述第一帧内模式以及所述第二帧内模式导出三个最可能模式，其中，所述基于所述第一帧内模式以及所述第二帧内模式导出所述三个最可能模式的步骤包括：决定所述第一帧内模式是否与所述第二帧内模式相同；如果该第一帧内模式和该第二帧内模式相同且该第一帧内模式为直流模式，则分配直流模式至第一最可能模式、垂直模式至第二最可能模式并分配平面模式至第三最可能模式，或分配该直流模式至第一最可能模式、平面模式至该第二最可能模式并分配垂直模式至该第三最可能模式；以及如果该第一帧内模式和该第二帧内模式相同且该第一帧内模式为平面模式，则分配平面模式至该第一最可能模式、垂直模式至该第二最可能模式并分配直流模式至该第三最可能模式，或分配平面模式至该第一最可能模式、直流模式至该第二最可能模式并分配垂直模式至该第三最可能模式；以及根据所述三个最可能模式处理与所述当前块相关联的当前帧内模式；其中所述当前帧内模式用于亮度及色度分量。
依据本发明另一实施例，基于多个最可能模式的帧内预测模式处理的装置，所述装置包括：决定与当前块的左边相邻块相关联的第一帧内模式的电路；决定与所述当前块的顶部相邻块相关联的第二帧内模式的电路；基于所述第一帧内模式以及所述第二帧内模式导出三个最可能模式电路，其中，所述基于所述第一帧内模式以及所述第二帧内模式导出所述三个最可能模式的步骤包括：决定所述第一帧内模式是否与所述第二帧内模式相同；如果该第一帧内模式和该第二帧内模式相同且该第一帧内模式为直流模式，则分配直流模式至第一最可能模式、垂直模式至第二最可能模式并分配平面模式至第三最可能模式，或分配该直流模式至第一最可能模式、平面模式至该第二最可能模式并分配垂直模式至该第三最可能模式；以及如果该第一帧内模式和该第二帧内模式相同且该第一帧内模式为平面模式，则分配平面模式至该第一最可能模式、垂直模式至该第二最可能模式并分配直流模式至该第三最可能模式，或分配平面模式至该第一最可能模式、直流模式至该第二最可能模式并分配垂直模式至该第三最可能模式；以及根据所述三个最可能模式处理与所述当前块相关联的当前帧内模式的电路；其中所述当前帧内模式用于亮度及色度分量。
上述基于一个或多个最可能模式的帧内预测模式处理的方法及装置可提升编码效率。
【附图说明】
图1A为用于高性能视频编码(HEVC)的标明物理方向的35个帧内预测模式的示意图；
图1B为用于高性能视频编码(HEVC)的标明模式索引范例的35个帧内预测模式的示意图；
图2为用于HEVC的帧内预测模式的物理方向和示范性模式索引(如图1B所示)之间的对应的示意图；
图3为依据本发明一实施例的使用3个最可能模式的最可能模式选择的示范性判定树的示意图。
【具体实施方式】
如前所述，18个帧内预测模式被用于4x4预测单元，其包含直流模式、平面模式及16个方向模式，如图1A及图1B中圆圈所示。虽然通过在每两个方向模式中保留一个方向模式来从33个方向模式获取16个方向模式，然而，帧内模式H+6(亦即，模式索引18)没有被包含在16个方向模式中。需要提供具有均匀的(uniformly)全方向子取样覆盖范围的4x4预测单元而在这些方向上无一个错过的孔(missing hole)。相应地，本发明一个实施例允许19个帧内预测模式以便实现全方向覆盖范围。举例来说，19个帧内模式候选可包含被选择用于4x4预测单元的18个传统帧内模式以及方向模式H+6。换句话说，依据本发明一实施例，选择从0到18的帧内模式索引作为帧内模式候选。对于8x8、16x16及32x32预测单元，可使用如图1A或图1B所示同样的35个候选。此外，色度(chroma)帧内模式可使用与亮度帧内模式的模式候选相同的数目。相应地，可使用19个帧内模式用于亮度及色度4x4预测单元。在本发明另一个实施例中，4x4预测单元也可使用35个帧内模式用于亮度及色度分量。
在本发明另一个实施例中，使用三个最可能模式而不是两个最可能模式。三个最可能模式的使用可被应用至包含4x4、8x8、16x16、32x32及64x64所有大小的预测单元。使用三个最可能模式而不是两个的好处之一是，在19个帧内模式及35个帧内模式的情况下，使用定长编码用于编码剩余模式的编码效率的提升。当使用三个最可能模式时，会有16个剩余帧内模式用于19个帧内模式候选的情况及32个剩余帧内模式用于35个帧内模式候选的情况。使用4比特定长表示可有效代表16个剩余帧内模式。另一方面，使用5比特定长表示可有效代表32个剩余帧内模式。其中，这些帧内模式候选包含于第一设置中，该第一设置的剩余模式包含于第二设置中，且该第一设置的剩余模式不包含在该一个或多个最可能模式中。由于藉由三个最可能模式中之一会增加当前帧内模式可被预测的可能性，因此三个最可能模式的使用也可提升帧内模式编码的编码效率。依据本发明实施例的用于当前预测单元的三个最可能模式的获取是基于当前预测单元顶部相邻块和左相邻块的帧内模式，由最可能模式获取装置得到，其中，由第一帧内模式决定装置及第二帧内模式决定装置来分别决定该当前预测单元的顶部相邻块及左相邻块相关的第一及第二帧内模式。接着通过处理装置依据该三个最可能模式来处理(例如，编码或解码)该当前块相关的当前帧内模式。如果顶部相邻块和左相邻块的帧内模式相同，则选择用于两个相邻块的帧内模式作为第一最可能模式。依据以下方法选择第二及第三最可能模式：
i.如果第一最可能模式是平面模式，则分配直流模式及垂直模式为第二最可能模式及第三最可能模式；
ii.如果第一最可能模式是直流模式，则分配平面模式及垂直模式为第二最可能模式及第三最可能模式；以及
iii.如果第一最可能模式既不是直流模式也不是平面模式，则可使用以下两种机制：
1.机制1。选择第一最可能模式的两个最接近(immediate)的相邻方向模式作为第二及第三最可能模式。举例来说，在35个候选的情况下，如果垂直模式是第一最可能模式，则选择V+1及V-1作为第二及第三最可能模式。在19个候选的情况下，如果垂直模式是第一最可能模式，则选择V-2及V+2作为第二及第三最可能模式。若在第一最可能模式的一边上的相邻方向模式为无效，则使用有效的下一最接近的相邻方向模式或平面模式来代替两个最接近的相邻方向模式中的一无效的相邻方向模式。例如，在35个候选的情况下，如果V+8是第一最可能模式，它的相邻方向模式V+9为无效，则下一最接近的相邻方向模式可为V+6或H+7。因此，如果V+8是第一最可能模式，则V+7及H+7，或V+7及V+6，或V+7及平面模式会被选择作为第二最可能模式及第三最可能模式；以及
2.机制2。选择平面模式及直流模式作为第二及第三最可能模式。
在上述方法(i)中，直流模式可被分配至第二最可能模式且垂直模式可被分配至第三最可能模式。或者，直流模式可被分配至第三最可能模式且垂直模式可被分配至第二最可能模式。在上述方法(ii)中，平面模式可被分配至第二最可能模式且垂直模式可被分配至第三最可能模式。或者，平面模式可被分配至第三最可能模式且垂直模式可被分配至第二最可能模式。换句话说，从两个候选帧内模式到两个最可能模式(亦即，第二最可能模式及第三最可能模式)的映射可被分配为任意顺序。该映射也应用到上述方法(iii)。
如果顶部相邻块和左相邻块的帧内模式不相同，则一实施例选择具有较小索引的模式作为第一最可能模式且另一模式作为第二最可能模式。通过以下方法选择第三最可能模式：
i.如果第一及第二最可能模式都不是平面模式，则选择平面模式作为第三最可能模式；
ii.否则，如果第一及第二最可能模式都不是直流模式，则选择直流模式作为第三最可能模式；以及
iii.否则，选择垂直模式作为第三最可能模式。
上述范例说明依据本发明的三个最可能模式的获取的实施例。本领域的技术人员在不脱离本发明的精神之下可使用其他最可能模式获取方法来实现本发明。例如，在上述范例中可使用水平模式代替垂直模式。
在三个最可能模式的情况中，当前模式可使用一个二进制(比特)，例如“1”，来指示当前模式是否与第一最可能模式相同。当前模式可使用两个二进制(比特)，例如“00”或“01”，来指示当前模式是否分别等于第二最可能模式或第三最可能模式。依据本发明实施例，请参考图3，其为使用3个最可能模式的最可能模式选择的示范性判定树的示意图。首先步骤310判断pre_intra_luma_pred_flag是否等于1，如果pre_intra_luma_pred_flag不等于1，则当前模式为剩余模式，使用例如5比特定长码来编码该剩余模式；否则，接着进入步骤320，判断mpm_index是否等于0，如果mpm_index不等于0，则当前模式等于第一最可能模式；否则，进入步骤330，继续判断mpm_index是否等于1，若mpm_index不等于1，则当前模式等于第二最可能模式，否则，当前模式为第三最可能模式。
在三个最可能模式的情况中，可使用相同的二值化(binarization)(亦即，使用定长表示)编码剩余模式，如下所述：
i.如果选择19个帧内模式候选，则使用4个二进制用于16个剩余模式；
ii.如果选择35个帧内模式候选，则使用5个二进制用于32个剩余模式；以及
iii.如果选择4个帧内模式候选，则剩余模式被隐含地获取。
上述方法(iii)可被应用至64x64预测单元，其中只使用四个帧内模式候选。当使用三个最可能模式时，在此情况下只会剩下一个剩余模式。因此，隐含获取剩余模式的方法对于这种情况会更有效。虽然上述范例使用相同的二值化用于所有的剩余模式，但是也可使用不同的二值化用于多个剩余模式，如下所述：
i.如果选择19个帧内模式候选，在一实施例中，可使用3个二进制用于一组4个所选择的剩余模式，可使用4个二进制用于另一组4个所选择的剩余模式，以及可使用5个二进制用于剩下的剩余模式(该组中的8个剩余模式)。在另一实施例中，可使用2个二进制用于一组2个所选择的剩余模式，可使用4个二进制用于另一组2个所选择的剩余模式，以及可使用5个二进制用于剩下的剩余模式(该组中的12个剩余模式)；以及
ii.如果选择35个帧内模式候选，在一实施例中，可使用3个二进制用于一组4个所选择的剩余模式，可使用5个二进制用于另一组4个所选择的剩余模式，以及可使用6个二进制用于剩下的剩余模式(该组中的24个剩余模式)。在另一实施例中，可使用2个二进制用于一组2个所选择的剩余模式，可使用5个二进制用于另一组2个所选择的剩余模式，以及可使用6个二进制用于剩下的剩余模式(该组中的28个剩余模式)。
依据本发明一实施例的编码系统的性能与基于HEVC测试模型版本4.0(HM-4.0)的参考系统(reference system)相比较。依据BD率来测量性能，其中负值意味着性能改进超过了参考系统。通过调整编码参数来执行BD率比较以使底层系统(underlying system)造成大致相同的目标品质(objective quality)。用于具有19个帧内模式候选的4x4预测单元的性能结果如表2所示。在表2中，HE指的是高效率编码配置以及LC指的是低复杂度编码配置。从A到E的级别(class)指的是测试视频的不同设置。在两种情况中，在大多数情形下，可观察到用于Y，U及V分量的适度改善(moderate improvement)。用于具有35个帧内模式候选的4x4预测单元的性能结果如表3所示。再次，在大多数情形下可观察到适度改善。
表2
Figure GDA0002409025740000091
表3
Figure GDA0002409025740000092
Figure GDA0002409025740000101
表2及表3中的结果显示编码时间有轻微的增加。相应地，发展了一种快速帧内模式判定方法来提高用于编码端的计算效率。用于具有19个帧内模式候选的4x4预测单元的性能结果如表4所示。用于具有35个帧内模式候选的4x4预测单元的性能结果如表5所示。表4及表5中的结果显示在维持BD率提升的同时也改进了编码时间。
表4
Figure GDA0002409025740000102
表5
Figure GDA0002409025740000103
以上描述可使本领域技术人员依据特定应用及要求实现本发明。所述实施例的各种修改对于本领域技术人员都是显而易见的，并且此处定义的一般原理可应用于其他实施例中。因此，本发明并非限定于本说明书揭露的特定实施例，而是符合此处揭露的原理及新颖特征的最大范围。在上述详细说明中，列举各种具体细节以提供本发明的全面理解。然而，本领域技术人员容易理解本发明可被实现。
上述本发明实施例可通过各种硬件码、软件码、或者二者的结合来实现。举例来说，本发明一实施例可以是整合到视频压缩芯片上的电路或者是整合到视频压缩软件中的程式码，以执行上述处理。本发明一实施例也可为在数字信号处理器(Digital SignalProcessor,DSP)上执行的程式编码，以执行上述处理。本发明也可包含藉由计算机处理器、数字信号处理器、微处理器或现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)执行的若干功能。依据本发明，通过执行定义本发明的特定方法的机器可读软件码或固件(firmware)码，该些处理器可被设置以执行特定的任务。软件码或固件码可以不同的程式语言及不同的格式或类型来开发。软件码也可对不同的目标平台进行编译。然而，依据本发明用来执行任务的软件码不同的码格式、类型及语言以及其他设置码的方式都不会脱离本发明的精神及范围。
本发明可以其他特定形式体现而不脱离本发明的精神和基本特征。上述实施例仅作为说明而非用来限制本发明，本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准，而不是上述描述。凡依本发明权利要求等同含义及范围内所做的所有变化，都应属本发明的涵盖范围。

Claims (13)

1.一种于视频编码中基于多个最可能模式的帧内预测模式处理的方法，所述方法由编解码器来执行，其特征在于，所述方法包括：
决定与当前块的左边相邻块相关联的第一帧内模式；
决定与所述当前块的顶部相邻块相关联的第二帧内模式；
基于所述第一帧内模式以及所述第二帧内模式导出三个最可能模式，其中，所述基于所述第一帧内模式以及所述第二帧内模式导出所述三个最可能模式的步骤包括：
决定所述第一帧内模式是否与所述第二帧内模式相同；以及
如果该第一帧内模式和该第二帧内模式相同且该第一帧内模式为直流模式，则分配直流模式至第一最可能模式、垂直模式至第二最可能模式并分配平面模式至第三最可能模式，或分配该直流模式至第一最可能模式、平面模式至该第二最可能模式并分配垂直模式至该第三最可能模式；以及如果该第一帧内模式和该第二帧内模式相同且该第一帧内模式为平面模式，则分配平面模式至该第一最可能模式、垂直模式至该第二最可能模式并分配直流模式至该第三最可能模式，或分配平面模式至该第一最可能模式、直流模式至该第二最可能模式并分配垂直模式至该第三最可能模式；以及
根据所述三个最可能模式处理与所述当前块相关联的当前帧内模式；
其中所述当前帧内模式用于亮度及色度分量。
2.如权利要求1所述的于视频编码中基于多个最可能模式的帧内预测模式处理的方法，其特征在于，其中，所述基于所述第一帧内模式以及所述第二帧内模式导出所述三个最可能模式的步骤包括：
如果所述第一帧内模式与所述第二帧内模式相同、并且所述第一帧内模式既不是直流模式也不是平面模式，将所述第一帧内模式分配至所述三个最可能模式的第一最可能模式，以及将所述第一最可能模式的两个最接近的相邻方向模式分配至所述三个最可能模式中的第二最可能模式以及第三最可能模式。
3.如权利要求2所述的于视频编码中基于多个最可能模式的帧内预测模式处理的方法，其特征在于，如果所述两个最接近的相邻方向模式之一为无效，则用有效的下一最接近的相邻方向模式或所述平面模式来代替所述两个最接近的相邻方向模式中无效的一个。
4.如权利要求1所述的于视频编码中基于多个最可能模式的帧内预测模式处理的方法，其特征在于，所述基于所述第一帧内模式以及所述第二帧内模式导出所述三个最可能模式的步骤进一步包括：
如果所述第一帧内模式与所述第二帧内模式不相同，则该三个最可能模式的第一最可能模式被设置至该第一帧内模式及该第二帧内模式中具有较小模式索引的一个。
5.如权利要求4所述的于视频编码中基于多个最可能模式的帧内预测模式处理的方法，其特征在于，所述基于所述第一帧内模式以及所述第二帧内模式导出所述三个最可能模式的步骤进一步包括：
如果所述第一帧内模式与所述第二帧内模式不相同，则：
如果所述第一最可能模式以及第二最可能模式均不等于所述平面模式，则将所述平面模式分配至第三最可能模式；
如果所述第一最可能模式或所述第二最可能模式等于所述平面模式，且所述第一最可能模式以及所述第二最可能模式均不等于所述直流模式，则将所述直流模式分配至所述第三最可能模式；以及
如果所述第一最可能模式或所述第二最可能模式等于所述平面模式，且所述第一最可能模式或所述第二最可能模式等于所述直流模式，则将所述垂直模式分配至所述第三最可能模式。
6.如权利要求4所述的于视频编码中基于多个最可能模式的帧内预测模式处理的方法，其特征在于，如果所述第一帧内模式与所述第二帧内模式不相同，将所述第一帧内模式以及所述第二帧内模式中具有较大模式索引的一个分配至第二最可能模式。
7.如权利要求1所述的于视频编码中基于多个最可能模式的帧内预测模式处理的方法，其特征在于，使用1比特语法元素来指示用于所述当前块的所述当前帧内模式是否等于所述三个最可能模式的第一最可能模式。
8.如权利要求1所述的于视频编码中基于多个最可能模式的帧内预测模式处理的方法，其特征在于，使用2比特语法元素来指示用于所述当前块的所述当前帧内模式是否等于所述三个最可能模式的第二最可能模式或所述三个最可能模式的第三最可能模式。
9.如权利要求1所述的于视频编码中基于多个最可能模式的帧内预测模式处理的方法，其特征在于，所述当前块、所述顶部相邻块、以及所述左边相邻块对应于预测单元。
10.如权利要求1所述的于视频编码中基于多个最可能模式的帧内预测模式处理的方法，其特征在于，所述处理所述当前帧内模式对应于编码所述当前帧内模式或解码所述当前帧内模式。
11.如权利要求1所述的于视频编码中基于多个最可能模式的帧内预测模式处理的方法，其特征在于，所述根据所述三个最可能模式处理与所述当前块相关联的所述当前帧内模式的步骤进一步包括：
决定包括除所述三个最可能模式外的多个剩余模式的剩余模式组；以及
当所述当前帧内模式不等于所述三个最可能模式中的任何一个时，根据用于所述剩余模式组的编码方法处理所述当前帧内模式，其中，所述编码方法包括定长编码。
12.如权利要求11所述的于视频编码中基于多个最可能模式的帧内预测模式处理的方法，其特征在于，所述编码方法使用5比特定长表示用于所述剩余模式组。
13.一种基于多个最可能模式的帧内预测模式处理的装置，其特征在于，所述装置包括：
决定与当前块的左边相邻块相关联的第一帧内模式的电路；
决定与所述当前块的顶部相邻块相关联的第二帧内模式的电路；
基于所述第一帧内模式以及所述第二帧内模式导出三个最可能模式电路，其中，所述基于所述第一帧内模式以及所述第二帧内模式导出所述三个最可能模式的步骤包括：
决定所述第一帧内模式是否与所述第二帧内模式相同；以及
如果该第一帧内模式和该第二帧内模式相同且该第一帧内模式为直流模式，则分配直流模式至第一最可能模式、垂直模式至第二最可能模式并分配平面模式至第三最可能模式，或分配该直流模式至第一最可能模式、平面模式至该第二最可能模式并分配垂直模式至该第三最可能模式；以及如果该第一帧内模式和该第二帧内模式相同且该第一帧内模式为平面模式，则分配平面模式至该第一最可能模式、垂直模式至该第二最可能模式并分配直流模式至该第三最可能模式，或分配平面模式至该第一最可能模式、直流模式至该第二最可能模式并分配垂直模式至该第三最可能模式；以及
根据所述三个最可能模式处理与所述当前块相关联的当前帧内模式的电路；
其中所述当前帧内模式用于亮度及色度分量。
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