CN107371006A - 用于扩展色域的元数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及色域扩展、视频显示技术领域，为提出元数据传输方法，在不增加数据量的前提下，有效地传输多原色色光以扩展色域；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。本发明采用的技术方案是，用于扩展色域的元数据传输方法，步骤如下：A)在普通色域系统中识别YUV信号的来源若亮度信号或者色差信号出现了增用的量化级，则YUV来自△EGB；否则，YUV来自△RGB；B)在宽色域系统中识别YUV信号的来源若通过线性矩阵变换出现“负”值信号，则接收机自动识别YUV来自△EGB；反之，若没有“负”值信号，则YUV来自△RGB，绿色、蓝色信号依次类推。本发明主要应用于视频显示场合。

Description

用于扩展色域的元数据传输方法

技术领域

本发明涉及色域扩展、视频显示技术领域，具体讲,涉及用于扩展色域的元数据传输方法。

背景技术

1931年，国际照明委员会CIE制定了CIE 1931RGB系统，规定将700nm的红(Red)、546.1nm的绿(Green)和435.8nm的蓝(Blue)作为三原色。因为历史的原因，目前RGB三原色视频系统中的色域很小，仅能覆盖自然界中可见色彩的33.25％。也就是图1所示的三角形区域。

如图1所示，大部分高饱和度的颜色都无法由RGB三原色表达。若要表达这些高饱和度颜色，需要“负”值单色光信号，如图2所示。

为了提高色域范围，国际标准组织针对传输“负”值色光信号先后制定了建议书和标准,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。目前的彩色摄像机实际上已经采用线性矩阵计算“负”值的RGB信号^[1]。

国际电信联盟(ITU:International Telecommunication Union)于1998年制定了《未来电视和图像系统的国际统一色度和相关特性》(Worldwide unified colorimetryand related characteristics of future television and imaging systems)建议书ITU-R BT.1361^[2]。该建议书容许传输彩色信号的幅值为[-0.25 1.33]，相对于BT.601和BT.709[0 1]彩色信号的幅值能够扩展色域范围。ITU-R BT.1361采用非对称的Gamma矫正曲线压缩信号的“负”值部分。

2006年国际电工委员会(IEC:International Electrotechnical Commission)制定了《彩色管理-面向视频应用的扩展色域YCC彩色空间标准-xvYCC》(Multimedia systemsand equipment–Color measurement and management,Part 2-4:Colour management–Extended-gamut YCC colour space for video applications–xvYCC)标准IEC 61966-2-4^[3]。该标准对传输彩色信号的幅值没有限制，并采用采用对称的Gamma矫正曲线压缩信号的“负”值部分。为了与8bit常规色域数字编码兼容，亮度信号可增用[1,15]和[236,254]量化级，色差信号可增用[1,15]和[241,254]量化级。

ITU-R BT.1361和IEC 61966-2-4采用兼容传输“负”值颜色光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，所以只显示常规色域。我国的相关部门也采用这两个标准。

但是，利用现有系统在传输“负”值信号有其局限性：信源端的线性计算并不能提高熵值，信源端的信息量不会因为线性计算而增加；特别是在其传输过程中，由于“负”值信号压缩较大，接收端恢复困难，数据的准确性也会受到影响。

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色彩信息，仅通过改进显示器来扩展色域是很有限的。值得一提的是，索尼公司的红、绿、蓝和宝石蓝(Emerald)四原色CCD图像传感器已经投入了实际应用^[4]。图3(左)示出RGBE四原色图像传感器的彩色滤波阵列，与当前流行的Bayer彩色滤波阵列(图3右)相比，多了宝石蓝滤镜。宝石蓝滤镜的光谱波段位于红色“负”值波长部分(参见图2)。

四原色图像传感器的照相机Sony DSC-F828也已进入市场。随着四原色照相机进入实际应用阶段，一种兼容传输多原色扩展色域的方法应运而生^[5]，该方法中四色光可以通过三色光进行表达，从而实现与CIE 1931标准相兼容地传输，如图4所示：

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三原色进行表达，并由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。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进行表达。其中R、G、B、E称为红、绿、蓝、宝石蓝电压值。Y为亮度信号，U为压缩后的第一个色差信号，V为压缩后的第二个色差信号。

当四原色信号通过四边形分解之后，需要选择传输△RGB还是△EGB。接收机将通过metadata来识别YUV是来自△RGB还是△EGB。原则上，每一个像素均需要做一次判别，也就是说每一个像素需要额外传输1bit metadata信息，大大增加了传输的数据量，不符合编码的原则。如何在不增加数据量的前提下正确识别YUV是来自△RGB还是△EGB？本发明将针对普通色域系统和宽色域系统两种情况说明在不增加数据量的前提下，如何判断YUV的来源。

参考文献：

[1]国家广播电视产品质量监督检验中心，TCL多媒体科技控股有限公司GPC研发中心.数字电视与平板电视中的色度学[M].人民邮电出版社，2010.

[2]Rec.ITU-R BT.1361,Worldwide unified colorimetry and relatedcharacteristics of future television and imaging systems.

[3]IEC 61966-2-4,Multimedia systems and equipment–Color measurementand manage-ment,Part 2-4:Colour management–Extended-gamut YCC colour spacefor video applications–xvYCC.

[4]www.dpreview.com/articles/1471104084/sonyrgbeccd

[5]雷志春，段绿茵，李昌禄.兼容传输多原色扩展色域的方法[P].发明专利，申请号201610668093.4

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出元数据传输方法，在不增加数据量的前提下，有效地传输多原色色光以扩展色域；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。本发明采用的技术方案是，用于扩展色域的元数据传输方法，步骤如下：

A)在普通色域系统中识别YUV信号的来源

关于扩展色域的国际标准IEC 61966-2-4提到：在宽色域系统中，亮度信号可增用[1,15]和[236,254]量化级，色差信号可增用[1,15]和[241,254]量化级，在普通色域系统中，这些量化级未使用，用这些未使用的量化级表示△EGB的色彩，而其他量化级仍表征△RGB的色彩，在接收端，若亮度信号或者色差信号出现了上述增用的量化级，则YUV来自△EGB；否则，YUV来自△RGB；

B)在宽色域系统中识别YUV信号的来源

在宽色域系统中，允许传输“负”值信号，“负”红色在CIE 1931x-y色度图上对应的色光为青色或宝石蓝色E，在接收端，若通过线性矩阵变换出现“负”值信号，则接收机自动识别YUV来自△EGB；反之，若没有“负”值信号，则YUV来自△RGB，绿色、蓝色信号依次类推。

本发明的特点及有益效果是：

在不增加数据量的前提下，扩展了视频的色域范围。

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中的缺点，即在传输过程中，由于数据压缩较大，接收端难恢复以及数据恢复准确性易受影响等缺点。

附图说明：

图1 1931 CIE RGB色度图。

图2 1931 CIE RGB混色曲线。

图3 Sony RGBE和流行的Bayer彩色滤波阵列。

图4与 CIE 1931标准相兼容地传输四原色。

图5普通色域下，判别YUV信号来源示意图。

具体实施方式

针对不同的应用系统，有如下方式识别YUV信号的来源。

A)在普通色域系统中识别YUV信号的来源

关于扩展色域的国际标准IEC 61966-2-4提到：在宽色域系统中，亮度信号可增用[1,15]和[236,254]量化级，色差信号可增用[1,15]和[241,254]量化级。在普通色域系统中，这些量化级未使用。这里我们用这些未使用的量化级表示△EGB的色彩，而其他量化级仍表征△RGB的色彩。在接收端，若亮度信号或者色差信号出现了上述增用的量化级，则YUV来自△EGB；否则，YUV来自△RGB。

B)在宽色域系统中识别YUV信号的来源

在宽色域系统中，允许传输“负”值信号。以“负”红色为例，我们知道，“负”红色在CIE 1931x-y色度图上对应的色光为青色或宝石蓝色(E)。在接收端，若通过线性矩阵变换出现“负”值信号，则接收机自动识别YUV来自△EGB；反之，若没有“负”值信号，则YUV来自△RGB。

本发明不限于“负”值红光。同样的，如果视频源中含有“负”蓝或者“负”绿等色光，也可在色度图中查找其对应的色光，与原RGB组成四边形。之后按照兼容传输多原色的方式进行传输，参见参考文献^[5]，之后用上述方式判断YUV的来源。

下面分别讲述在普通色域和宽色域传输系统两种情况下，如何判别YUV信号的来源。

1)在普通色域系统中判别YUV信号的来源

如图5所示，在发射端，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三原色进行表达，由RGB得到的相应亮度信号的量化级在[16,235]范围内，色差信号U、V量化级在[16,240]范围内。对于不能用CIE 1931标准表达的复合色彩信号，则用G，B和E三原色进行表达，由GBE计算得到新的亮度信号Y’和色差信号U’、V’。对于普通色域系统而言，亮度信号Y量化级[1,15]和[236,254],以及色差信号U、V量化级[1,15]和[241,254]未曾使用。于是，可将Y’映射到量化级[1,15]和[236,254]内，将U’和V’映射到量化级[1,15]和[241,254]内。

在接收端，若接收机检测到Y使用了[1,15]或[236,254]量化级,或者U、V使用了[1,15]或[241,254]量化级，则判定此YUV信号来自EGB三原色。若Y信号量化级在[16,235]量化级内，且UV信号量化级在[16,240]量化级内，则判定YUV信号来自RGB三原色。

2)在宽色域系统中判别YUV信号的来源

与普通色域系统不同，宽色域系统允许传输“负”值信号且增用了亮度信号Y的量化级[1,15]和[236,254],以及色差信号U、V的量化级[1,15]和[241,254]。若在接收端检测到Y使用了[1,15]或[236,254]量化级,或者U、V使用了[1,15]或[241,254]量化级，则存在“负”值情况，此时接收机可直接判定YUV来自EGB三原色，显示端显示EGB对应的色彩。反之，若这些增用的量化级均未使用，则认为不存在“负”值情况，YUV来自RGB三原色，显示端显示RGB对应的色彩。

本发明介绍了一种在不增加数据量的前提下，判断YUV信号来自RGB三原色还是EGB三原色的方法，且能够有效地实现与现有电视系统的兼容。

在一个实例中，首先，应先确定多原色扩展色域方法的使用系统是否支持宽色域显示。若是普通色域系统，则增用普通色域系统未使用的亮度信号量化级[1,15]和[236,254]和色差信号U、V量化级[1,15]和[241,254]，通过接收机来判断亮度信号Y和U、V信号是否占用增用量化级。若占用，则YUV来自△EGB；否则，YUV来自△RGB。若是宽色域系统，则可通过接收机直接判断亮度信号Y和U、V信号是否使用了[1,15]或[236,254]量化级(即是否出现“负”值情况)。若有“负”值存在，则YUV来自△EGB；否则，YUV来自△RGB。

Claims (1)

1.一种用于扩展色域的元数据传输方法，其特征是，步骤如下：

A)在普通色域系统中识别YUV信号的来源

关于扩展色域的国际标准IEC 61966-2-4提到：在宽色域系统中，亮度信号可增用[1,15]和[236,254]量化级，色差信号可增用[1,15]和[241,254]量化级，在普通色域系统中，这些量化级未使用，用这些未使用的量化级表示△EGB的色彩，而其他量化级仍表征△RGB的色彩，在接收端，若亮度信号或者色差信号出现了上述增用的量化级，则YUV来自△EGB；否则，YUV来自△RGB；

B)在宽色域系统中识别YUV信号的来源

在宽色域系统中，允许传输“负”值信号，“负”红色在CIE 1931x-y色度图上对应的色光为青色或宝石蓝色E，在接收端，若通过线性矩阵变换出现“负”值信号，则接收机自动识别YUV来自△EGB；反之，若没有“负”值信号，则YUV来自△RGB，绿色、蓝色信号依次类推。