CN108234982A

CN108234982A - 一种自动识别图像多原色分量的视频传输方法

Info

Publication number: CN108234982A
Application number: CN201810108247.3A
Authority: CN
Inventors: 雷志春; 宇欣; 李昌禄
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2018-02-02
Filing date: 2018-02-02
Publication date: 2018-06-29

Abstract

本发明涉及一种自动识别图像多原色分量的视频传输方法，包括如下步骤：步骤一，利用通用三原色信道或存储媒介传播多原色图像信号，而无需额外传输标志信息；步骤二，亮度信号Y仍由通用的RGB三原色构成，以便保持与现有显示设备的兼容性；步骤三，对于超出利用通用RGB三原色所能表达的色彩，色差信号U和/或V包含其它原色的信息，最佳情况是RGB三原色补色的信息，以便在宽色域显示设备上进行颜色保真地显示；步骤四，对于超出利用通用RGB三原色所能表达的色彩，只变化形成色差信号U、V的两个压缩系数其中的一个，以便保持与现有显示设备的兼容性等步骤，本发明可以使视频信号源端与接收端同时应用多原色技术来扩展色域，提高多原色视频的显示质量。

Description

一种自动识别图像多原色分量的视频传输方法

技术领域

本发明涉及视频传输技术领域，具体涉及一种自动识别图像多原色分量的视频传输方法。

背景技术

在可见光谱内，辐射波长不同，人们对色彩的感觉也会有所不同，其中红色、绿色和蓝色为其中最基本的色光，即三原色。在色彩学研究中，白光常被看成是由这三原色等量相加合成的。1931年CIE规定了三原色的波长分别为700nm，546.1nm，435.8nm。在色彩匹配试验中，要匹配出1单元的白色光，红、绿、蓝三原色光亮度的相对比例为1.0000：4.5907：0.0601。

然而目前常见的RGB三原色彩色系统的色域覆盖率只有33.25％，而自然界存在且人眼能够感知到的颜色范围远远大于这一概率。国际电信联盟(ITU)制定的ITU-R BT.1361以 Pointer色域为目标色域，采用非对称γ校正函数将色域覆盖率提高至38.98％。ITU-RBT2020 标准把三原色的色度坐标放在了可见光的光谱轨迹之上，由于采用此种方法彩度很高，色域覆盖率提高到了57.29％。因此，为提高图像系统还原彩色的能力，需要进一步扩展色域，其中包括传输色域扩展和显示色域扩展两个部分。

当前，国内外关于多原色色域扩展方法的研究情况如下：(1)Sony产业化的四原色CCD 图像传感器在信源端用宝蓝色(E)与传统的RGB合成的四原色，该宝石蓝色与青色类似，明显扩大了色彩覆盖范围，但在显示端仍然是三原色，无法进行多原色图像的显示和存储。(2) 夏普Quad-Pixel RGBY系统、索尼的White Magic RGBW系统以及三星的PenTileRGBW系统是现在市场上已经逐步成熟的多原色显示系统。(3)四原色(RGBYe)LCD显示器现在已经被投入市场，相较于三原色向谱色方向延伸了绿原色色度坐标，并且增添了黄色像元(Ye)，很好地改善了重现图像的显示效果。但是如果只在显示端进行色域改进，而视频信号源端不含有相应的彩色信息，其改善效果仍旧有很大提升空间。

由上述分析可知，目前关于多原色的研究无法使视频信号源端与显示端同时应用多原色技术来扩展色域，这就需要和现行视频传输和存储制式相兼容的多原色传输技术。在视频信号源端应用多原色技术的前提下，如果想要不增加传输数据量，就要求在接收端找到判别多原色视频信号来源的方法，以便在显示端无失真地重现颜色。

因此，目前多原色视频图像的传输、显示与存储已经成为色域扩展亟待解决的问题和主要研究方向，由此还带来色域匹配以及图像兼容等一系列问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述背景技术存在的缺陷，提供一种能够使接收机自动识别图像多原色分量的视频传输方法。该方法着力解决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、色域覆盖率较低的问题；使视频信号源端与接收端同时应用多原色技术来扩展色域，提高多原色视频的显示质量；不增加数据量传输多原色视频，自动识别多原色视频信号的来源，并且与通用YUV格式相兼容；得到多原色视频的传输标准。

本发明的技术方案是一种自动识别图像多原色分量的视频传输方法，包括如下步骤：

步骤一，利用通用的RGB三原色信道或存储媒介传播多原色图像信号，而无需额外传输标志信息；

步骤二，亮度信号Y由通用的RGB三原色构成，以便保持与现有显示设备的兼容性；

步骤三，对于超出利用通用RGB三原色所能表达的色彩，色差信号U和/或V包含其它原色的信息，最佳情况是RGB三原色补色的信息，以便在宽色域显示设备上进行颜色保真地显示；

步骤四，对于超出利用通用RGB三原色所能表达的色彩，只变化形成色差信号U、V的两个压缩系数其中的一个，以便保持与现有显示设备的兼容性。

步骤五，对于由多原色色度分量形成的YUV信号，在接收端由接收到的YUV信号恢复出原始三原色信号值，分别将接收到的亮度信号Y值与由恢复出的三原色信号按通用RGB三原色亮度方程形成的亮度信号Y’值进行比较，来自动识别图像多原色分量。

对于超出利用通用RGB三原色所能表达的色彩，色差信号U和/或V包含其它原色的信息，最佳情况是RGB三原色补色(宝蓝色E)的信息，在此情况下，亮度信号Y仍由RGB三原色构成，其中R＝0；色差信号U仍由(B-Y)决定；另一个色差信号含有第四原色(E)的信息，即色差信号V’由(E-Y)决定。

对于超出利用通用RGB三原色所能表达的色彩，只变化形成色差信号U、V的两个压缩系数和其中的一个，在最佳情况RGBE四原色情况下，只变化色差信号V’的压缩系数，而色差信号U的压缩系数没有变化，以便保持与现有显示设备的兼容性。

对于由多原色色度分量形成的YUV信号，在最佳情况RGBE四原色情况下，接收端自动识别图像多原色分量的具体过程为：在接收端由接收到的YUV信号恢复出R或E(R/E)、G、B值，将Y值与Y'＝0.299R/E+0.587G+0.114B作比较，如果Y'与Y差值的绝对值远小于0.299R/E，则复合色光是以RGB传输的；如果Y'与Y差值的绝对值近似0.299R/E，则复合色光是以EGB传输的。

本发明的特点及有益效果是：

1、本发明扩展了视频的色域范围，提高了色域覆盖率，同时还能够保持和现行视频传输和存储制式的兼容性。

2、本发明实现了利用通用的RGB三原色信道或存储媒介传播多原色图像信号，而无需额外传输标志信息；

3、本发明能够使接收端自动识别视频图像信号的来源，显示多原色图像，提高多原色视频的显示质量。

附图说明

图1为本发明中由四原色覆盖的色域范围示意图。

图2为本发明中RGB和EGB图像传输过程及其自动识别方法。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施例是为了更好地使本领域的技术人员更好地理解本发明，并不对本发明作任何的限制。

1、彩色复合色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，本发明拟以四原色为例研究自然界可见光的表达方式。本发明申请将讨论红(R)、绿(G)、蓝(B)和宝石蓝色 (E)(红色的补色)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色光。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EGB三角形或RGE三角形表示。由于人眼对红色光的亮度不敏感，在表达类似复合色光C2时，要避免红光(R)，也就是避免RGE三角形，而应该采用EGB三角形。

2、自动识别RGB和EGB图像信号的方法

彩色电视系统使用的传输YUV信号的表达式为：

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色光要采用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色光的亮度信号继续由公式(1)中Y决定，色差信号则继续由公式(1)中U和V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。

加入了第四原色(E)后，对于EGB三角形内的复合色光，本发明建议发送端传输的YUV信号表达式为：

对比公式(1)和(2)看出，传输EGB信号时，亮度信号Y仍由通用的RGB三原色构成，亮度方程中R＝0，所以亮度信号仍用”Y”表示；色差信号U仍由(B-Y)决定，所以仍用”U”表示；另一个色差信号含有第四原色(E)的信息，所以用“V'”表示。

在接收端由接收到的YUV信号恢复出R或E(R/E)、G、B值，将Y值与Y’＝0.299R/E+0.587G+0.114B作比较，如果Y’与Y差值的绝对值远小于0.299R/E，则复合色光是以RGB传输的；如果Y’与Y差值的绝对值近似0.299R/E，则复合色光是以EGB传输的。

3、分量编码

(1)发送端传输RGB信号的情况

在RGB图像中，ITU-R BT.601-A标准规定，3个分量信号都采用8位四舍五入的均匀量化方式，并在量化前将三个分量信号归一化到相同的动态范围。为此规定红、蓝色差信号的压缩系数为：k₁＝0.5/0.886≈0.564，k₂＝0.5/0.701≈0.713，得到一组压缩后的信号表达式为：

在100-0-100-0彩条信号下，Y的变化范围为[0,1]；U和V经压缩后的变化范围均为[-0.5,0.5]，动态范围一致。

则YUV与RGB的彩色空间变换关系为：

公式(4)表示传输RGB信号时的YUV编码矩阵，公式(5)表示接收端恢复RGB信号时的解码矩阵。

(2)发送端传输EGB信号的情况

加入了第四原色(E)后，如果依然采用RGB图像中的k₂值，由于公式(2)中Y＝0.299R+0.587G+0.114B，V'＝k₂(E-Y)，V'的动态范围就会变大，因此需要重新计算k₂值，k₂值的求解过程如下。

由v＝(E-Y)＝E-0.587G-0.114B

因为E、G、B的变化范围均为[0,1]，所以v∈[-0.701,1]。

a.如果要使得公式(2)中V'依然采用二进制偏移码表示，则k₂＝0.5/1＝0.5

V'＝k₂(E-Y)＝0.5(E-Y)＝0.500E-0.294G-0.057B (6)

因为传输EGB视频信号时，R＝0，所以此时YUV与EGB的彩色空间变换关系为：

b.如果要使得公式(4)中V'的动态范围与Y和U的动态范围一致，则 k₂＝1/(1+0.701)＝0.588

则传输EGB信号时：

V'＝k₂(E-Y)＝0.588(E-Y)＝0.588E-0.345G-0.067B (9)

此时，V'∈[-0.412,0.588]，动态范围与Y和U的动态范围一致。

对比传输RGB与EGB信号的解码矩阵(公式(5)、(8)和(11))可以看出蓝色(B)的解码过程相同。

通过变换得出的R、G、B值可能超出了其定义域，所以在变换之后要对R、G、B、E数值进行检查，如果大于255，则赋值为255；如果小于0，则赋值为0。

虽然本申请在上面只讨论了四原色情况下识别图像分量的视频传输方法，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。

如图2所示,对于RGBE图像信号，经过类似图1的多边形分析后，发送端产生两种表达方式：

(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，以便保持与现有显示设备的兼容性。

(2)对于不能用CIE 1931标准表达的复合色彩信号，则用由E、G和B组成的三角形进行表达。由E，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。用这种方法在接收端可以恢复出EGB信号，并进行RGB与EGB信号的识别。

接收端的恢复过程如下：

(1)接收到YUV信号后，由RGB解码矩阵电路恢复出R/E、G和B信号，之后得到 Y'＝0.299R/E+0.587G+0.114B。

(2)比较Y与Y'信号，如果Y'与Y差值的绝对值近似0.299R/E，则复合色光由EGB表达；如果Y'与Y差值的绝对值远小于0.299R/E，则复合色光由RGB表达。

(3)如果复合色光由RGB表达，则接收端色度信号由R、G、B确定，亮度信号由Y值确定。

(4)如果复合色光由EGB表达，则由EGB解码矩阵电路恢复出EGB信号，接收端色度信号由E、G、B确定，亮度信号由Y值确定。

在本发明的一个具体实例中：

(1)一种利用通用的RGB三原色信道或存储媒介传播多原色图像信号，而无需额外传输标志信息，并与YUV格式相兼容的多原色视频的传输方法。

(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，对于能用通用RGB三原色表达的图像色彩，没有变化；对于超出利用通用RGB三原色所能表达的色彩，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)对于能用通用RGB三原色表达的图像色彩，YUV信号的三原色表达方式不变。

(4)对于超出利用通用RGB三原色所能表达的色彩，亮度信号Y仍由通用的RGB三原色构成，色差信号U和/或V包含第四原色(E)的信息；色差信号V’由(E-Y)决定。

(5)接收端能够自动识别视频图像信号分量的来源，显示多原色图像，提高多原色视频的显示质量。

(6)传输标准R、G、B以外的图像分量时，例如宝石蓝E，亮度信号Y'与现存YUV格式的Y信号相同，仍然由R、G和B组成。如果Y'与Y差值的绝对值相近，最佳值是远小于0.299R/E，则可判定复合色光是以RGB传输的；如果Y'与Y差值的绝对值较大，最佳值是近似0.299R/E，则复合色光是以EGB传输的。

本发明并不局限于四原色情况，四原色情况下识别图像分量的视频传输方法，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。

应当理解的是，这里所讨论的实施方案及实例只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种自动识别图像多原色分量的视频传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤四，对于超出利用通用RGB三原色所能表达的色彩，只变化形成色差信号U、V的两个压缩系数其中的一个，以便保持与现有显示设备的兼容性；

2.根据权利要求1所述的自动识别图像多原色分量的视频传输方法，其特征在于，对于超出利用通用RGB三原色所能表达的色彩，色差信号U和/或V包含其它原色的信息，最佳情况是RGB三原色补色(宝蓝色E)的信息，在此情况下，亮度信号Y仍由RGB三原色构成，其中R＝0；色差信号U仍由(B-Y)决定；另一个色差信号含有第四原色(E)的信息，即色差信号V’由(E-Y)决定。

3.根据权利要求2所述的自动识别图像多原色分量的视频传输方法，其特征在于，对于超出利用通用RGB三原色所能表达的色彩，只变化形成色差信号U、V的两个压缩系数k₁和k₂其中的一个，在最佳情况RGBE四原色情况下，只变化色差信号V’的压缩系数k₂，而色差信号U的压缩系数k₁没有变化，以便保持与现有显示设备的兼容性。

4.根据权利要求1所述的自动识别图像多原色分量的视频传输方法，其特征在于，对于由多原色色度分量形成的YUV信号，在最佳情况RGBE四原色情况下，接收端自动识别图像多原色分量的具体过程为：在接收端由接收到的YUV信号恢复出R或E(R/E)、G、B值，将Y值与Y'＝0.299R/E+0.587G+0.114B作比较，如果Y'与Y差值的绝对值远小于0.299R/E，则复合色光是以RGB传输的；如果Y'与Y差值的绝对值近似0.299R/E，则复合色光是以EGB传输的。