CN1627325A - 色彩变换方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种色彩变换方法，该方法将表示第一色彩空间的第一色彩分量组变换为表示第二色彩空间的第二色彩分量组。所述的方法包括：从预定储存器中读取第一色彩分量组；使用预定的变换函数将读取的第一色彩分量组变换为第二色彩分量组；以及储存相对于第一色彩分量组的第二色彩分量组，其中变换函数由如下方式确定：确定用于获取第一分量组的主要分量的第一变换矩阵，以及将确定的第一变换矩阵的每个元素都乘以预定的整数k。所述的色彩变换方法能降低编码误差。

Description

色彩变换方法及装置

技术领域

本发明涉及图像处理领域，更具体地，涉及一种具有最少变换误差的色彩变换方法及装置。

背景技术

随着电子技术的发展，提供给用户的信息不仅包括单纯的文本，还包括其它各种多媒体信息，如瞬间照片、运动图像、动画及声音。特别地，由于下一代视频点播(VOD)服务和交互服务都基于运动图像，因此运动图像被广泛的研究。

由于数字电子技术的发展，传统的模拟信号可被转换为数字数据，并且已经推出了用于处理各种类型的数字视频媒体以便有效地管理大量数据的技术。数字图像处理技术的某些优点如下。

首先，每种模拟装置在诸如信号发送和恢复的处理操作中都会受到干扰。因此，在恢复记录的图像信号时，图像分辨率很可能被降低。然而，数字图像处理装置则可抑制这些干扰。

其次，通过将模拟信号数字化可以用计算机处理模拟信号。各种处理方法如压缩都是通过利用计算机处理图像信号而实现的。

数字图像处理技术主要涉及到如何利用计算机处理记录在介质上的模拟信号。数字图像处理技术可利用交互式数字视频(DVI)方法实现。该DVI方法使处理器适用于执行适合于处理图像的指令，以便执行普通处理器在短时间内不易完成的功能。

此外，联合图像专家组(JPEG)和运动图像专家组(MPEG)这两个专家组已经发布了DVI性能的编码标准，且由于多数公司的支持，这一标准有望在数字图像处理技术中担当重要角色。特别地，MPEG标准不仅用于处理个人计算机中的图像，其还被广泛用于高清晰系统，如，高清晰电视(HDTV)。MPEG标准随后的升级如MPEG II和MPEG III都已经完成了。

自1991年以来，已经推出了仅仅使用主处理器的处理能力而无需引入特殊的硬件的图像处理技术，且普遍使用了苹果公司的QuickTime和微软的Video for Windows以及英特尔的Indeo技术。由于高速主处理器的进步，因此这些图像处理技术特别适合于个人计算机。

随着各种数字图像处理技术的引入，已经对各种技术的标准化作出了努力。标准化的数字图像处理技术不仅用于视频会议系统、数字广播编解码系统以及视频电话系统，而且还被计算机产业和通信产业共享和支持。例如，利用一种与用于视频会议的压缩技术非常相似的技术，就可以实现用于在光盘上储存信息的数字压缩技术，所述光盘如CD-ROM或数字记录介质。现今，MPEG标准由ISO-IEC、JTC1、SCI和WG11制定。

为了有效地利用数字图像处理技术，需要将RGB色彩空间的色彩信号变换成其它色彩空间的预处理操作。也就是，要在预处理操作中执行色彩空间变换、过滤以及色彩二次抽样。

色彩空间变换意味着将由R、G、B分量组成的色彩图像变换为表示图像的亮度Y和色度的分量。R、G和B色彩信号组成的信息重叠，但是，通过利用色彩空间变换，图像的、包括细致的区域的绝大多数信息，都被映射到亮度Y，而冗余色彩信息则被留在色度信息中。这是因为人眼对亮度的变化较色度的变化更敏感。

图1描述了依据传统技术的色彩变换技术。

在图1中，通过使用方程式1，将RGB色彩空间变换到YCbCr色彩空间。

$\left[\begin{array}{c}Y\\ \mathrm{Cb}\\ \mathrm{Cr}\end{array}\right]={\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{YCbCr}}\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right],$

$\left[\begin{array}{c}Y\\ \mathrm{Cb}\\ \mathrm{Cr}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0.2126& 0.7152& 0.0722\\ -0.1146& -0.3854& 0.5\\ 0.5& -0.4542& -0.0458\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right]---\left(1\right)$

逆变换由方程式2执行。

$\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right]={\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{YCbCr}}^{-1}\left[\begin{array}{c}Y\\ \mathrm{Cb}\\ \mathrm{Cr}\end{array}\right],$

$\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1.0& 0.0& 1.5748\\ 1.0& -0.1873& -0.4681\\ 1.0& 1.8556& 0.0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}Y\\ \mathrm{Cb}\\ \mathrm{Cr}\end{array}\right]---\left(2\right)$

现有技术中的色彩变换技术仅限于保持与黑白信号处理的兼容性。然而，为了高速传输高质量和高分辨率的图像信息，此技术已经得到改变。H.264/AVC标准包括主要针对减少色彩变换误差的技术。

图2描述了由Parchem等发明、微软公司申请的第5745119号美国专利申请中的色彩变换方法。

图2示出了一种将RGB色彩空间的色彩信号变换到YCoCg色彩空间的变换操作。

如图2所示，利用变换函数(Φ_YCoCg)，RGB色彩空间被变换到YCoCg色彩空间。YCoCg信号被数字地处理，且利用逆变换函数(Φ_YCoCg ^-1)将处理后的信号逆变换到RGB色彩空间。

如图2所示，向YCoCg色彩空间的变换是利用方程式3完成的。

$\left[\begin{array}{c}Y\\ \mathrm{Co}\\ \mathrm{Cg}\end{array}\right]={\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{YCoCg}}\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right],$

$\left[\begin{array}{c}Y\\ \mathrm{Co}\\ \mathrm{Cg}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1/4& 1/2& 1/4\\ 1& 0& -1\\ -1/2& 1& -1/2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right]---\left(3\right)$

至RGB色彩空间的逆变换是利用方程式4完成的。

$\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right]={\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{YCoCg}}^{-1}\left[\begin{array}{c}Y\\ \mathrm{Co}\\ \mathrm{Cg}\end{array}\right],$

$\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 1/2& -1/2\\ 1& 0& 1/2\\ 1& -1/2& -1/2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}Y\\ \mathrm{Co}\\ \mathrm{Cg}\end{array}\right]---\left(4\right)$

与图2相似，由Tran等发明的、FastVDO申请的第6421464号美国专利申请中介绍了一种用于将RGB色彩空间变换到YFbFr色彩空间的方法。微软和FastVDO所提出的色彩变换技术都可利用整体映射和提升方案保证逆变换。

但是，这些色彩变换技术都基于理想的处理操作，并且在实际操作中编码误差是不可避免的。编码误差会在变换中和逆变换中出现。

因此，非常需要减少编码误差的色彩变换技术。

发明内容

本发明提供了一种减少编码误差的色彩变换方法。

本发明还提供一种减少编码误差的色彩变换装置。

根据本发明的一个方面，提供了一种将表示第一色彩空间的第一色彩分量组变换成表示第二色彩空间的第二色彩分量组的色彩变换方法，所述的方法包括：从预定储存器中读取第一色彩分量组；利用预定的变换函数将读取的第一色彩分量组变换成第二色彩分量组；并储存对应于第一色彩分量组的第二色彩分量组，其中，所述变换函数由如下方式确定：确定用于获取所述第一分量组的主要分量的第一变换矩阵，并用预定的整数k乘以所确定的第一变换矩阵的每个元素。所述方法进一步包括d)将第二色彩分量组逆变换成第一色彩分量组，该逆变换包括：d1)从所述预定储存器读取第二色彩分量组；d2)利用一逆变换函数，将所读取的第二色彩分量组逆变换为第一色彩分量组；和d3)储存对应于第一色彩分量组的变换后的第二色彩分量组，其中，所述逆变换函数由如下方式确定：确定第一变换矩阵的逆矩阵，并用整数k的倒数乘以逆矩阵中的每个元素。

根据本发明的另一方面，提供一种色彩变换方法，该方法将表示第一色彩空间的第一色彩分量组变换成表示第二色彩空间的第二色彩分量组，所述方法包括：从预定储存器中读取第一色彩分量组；利用预定的变换函数将所读取的第一色彩分量组变换成第二色彩分量组；并储存对应于第一色彩分量组的第二色彩分量组，其中，变换函数由如下方式确定：c1)确定用于获取第一分量组的主要分量的的第一变换矩阵和c2)补偿第一变换矩阵以使第一色彩分量组的动态范围与第二色彩分量组的动态范围实质上相等。所述方法进一步包括d)将第二色彩分量组逆变换成第一色彩分量组，该逆变换包括d1)从所述预定储存器中读取第二色彩分量组；d2)利用一逆变换函数，将所读取的第二色彩分量组逆变换为第一色彩分量组；和d3)储存对应于第一色彩分量组的变换后的第二色彩分量组，其中，所述逆变换函数通过确定所述第一变换矩阵的逆矩阵实现。此外，所述第一变换矩阵根据Karhunen-Loeve(KL)变换确定，所述Karhunen-Loeve(KL)变换用于利用所述第一色彩分量的自相关特性获取主要分量。

根据本发明的另一个方面，提供一种色彩变换装置，该装置将表示第一色彩空间的第一色彩分量组变换成表示第二色彩空间的第二色彩分量组，其包括：存储器，其储存第一色彩分量组和第二色彩分量组以使其相互对应；和色彩变换器，其将从所述储存器中读取的第一色彩分量组变换成第二色彩分量组，其中，所述色彩变换器包括：主要分量获取器，其确定用来根据预定变换算法获得第一色彩分量组的主要成分的第一变换矩阵；第一乘法器，其计算第二变换矩阵，该第二变换矩阵相当于将所确定的第一变换矩阵乘以预定整数k；和中央处理器，其利用所述第二变换矩阵计算第二色彩分量组。

所述的装置进一步包括逆变换器，该逆变换器通过利用逆变换函数将所述第二色彩分量组变换为所述第一色彩分量组，其中，所述逆变换器包括：逆矩阵计算器，其确定所述第一变换矩阵的逆矩阵，和第二计算器，其通过将所述逆矩阵中的每个元素都乘以整数k的倒数来计算逆变换矩阵。

通过使用依据本发明的色彩变换方法和装置，能够减少编码误差。

附图说明

通过对参考附图的示例性实施例的详细描述，本发明的上述及其它特征和优点将变得更加显而易见，其中：

图1描述了一种依据传统技术的色彩变换技术；

图2示出了一种将色彩信号从RGB色彩空间变换到YCoCg色彩空间的变换操作；

图3是描述依据本发明的色彩变换方法和装置的方框图；

图4概念地示出了依据本发明的一个方面的色彩变换方法；

图5详细地示出了依据本发明的一个方面的色彩变换方法；

图6概念地示出了依据本发明的另一方面的色彩变换装置；和

图7是一个将依据本发明的色彩变换方法和装置的最大信噪比与其它方法的最大信噪比相比较的图。

具体实施方式

图3是描述了一种根据本发明的色彩变换方法和装置的方框图。

参考图3，利用变换函数Φ，RGB色彩空间中表示的色彩信息被变换成YSbSr色彩空间中表示的色彩信息。由图像编码操作310压缩YSbSr色彩空间中表示的色彩信息，并由解码操作330解压缩。使用低规格硬件将压缩后的图像信息传送到接收部件，并利用逆变换函数Φ^-1将接收的色彩信息变换回RGB色彩空间。

在图像编码310和解码330运行之前，通过将RGB色彩空间变换成YSbSr色彩空间，提高了图像处理的效率。也就是，数字图像信号压缩方法利用了图像数据间的高关联特性。运动图像由具有微小变化的相似值组成，而图像数据由作为一个整体的具有相似亮度和色度值的像素组成。通过减少图像信号中的冗余，足以形成原始图像的信息能以减少的数据量传送。例如，在蓝天图像的情况下，原始图像能够用由单个表示蓝色的值组成，而不是用成百上千个具有相同信息的像素组成。该减少冗余的操作被称作图像压缩或者图像编码。

已经开发了相互使用的各种图像压缩技术。可能有几个将这些压缩技术分类的标准，然而，这些技术都能被分为无损和有损技术。使用无损技术，有可能将原始数据完全恢复，因此这种方法可用于医疗应用，如X射线和计算机断层造影(CT)，其中小像素值的变化是重要的。其压缩比相当低，例如约3∶1～2∶1。另一方面，有损技术具有较高的压缩比，例如约10∶1～40∶1，具有相对高的分辨率，在小分辨率降低的情况下压缩比还可提高。因此，有损压缩技术被广泛地应用。有损方法主要用于包括多媒体服务的应用中，这些应用中小像素值的改变不是很重要的，而仅仅关注整体的图像质量。经各种图像压缩技术处理的位流数据(stream data)利用解码方法进行逆变换。

顺便提及，在编码操作310中，变换到YSbSr色彩空间的图像信号具有例如在编码操作310期间的舍入误差的误差，且该误差在解码操作330期间传播。微软和FastVDO提出的色彩变换方法中的编码误差如下。

为了解释方便，假设RGB色彩信息的动态范围为0至225。此外，假设其它色彩空间也具有8比特精确度。应该注意的是，该假设不限制本发明的范围。

首先，RGB色彩空间的色彩信息要被变换到YCbCr色彩空间。方程式1的舍入误差为1/12。通常，方程式5的函数的舍入误差ΔE根据方程式6计算。

$\mathrm{\ΔE}=\frac{1}{2}{\∫}_{\frac{1}{2a}}^{\frac{1}{2a}}{x}^{2}f\left(x\right)\mathrm{dx}$

$=\frac{1}{12}{a}^2---\left(6\right)$

现在，在从YCbCr色彩空间逆变换到RGB色彩空间的过程中，通过使用方程式2和方程式6，能获得方程式7。

逆变换误差＝1/12*(1²+0.1873²+0.4681²)    ...(7)

因此，每个色彩分量ER、EG、EB的误差都在方程式8中示出。

$E_R=\frac{1}{12}(1^2+1^2+0^2+1.5748^2)=0.3733$

$E_G=\frac{1}{12}(1^2+1^2+0.1873^2+0.4681^2)=0.1878---\left(8\right)$

$E_B=\frac{1}{12}(1^2+1^2+1.8556^2+0^2)=0.4536$

在方程式8中的每个误差分量的第一项表示编码误差，而随后的三个分量表示传播误差。

由于我们假设每个色彩分量都由8比特精确度表示，所以利用方程式9计算出峰值信噪比(PSNR)。

${\mathrm{PSNR}}_R=10\·\log \frac{{255}^2}{E_R}=52.4\mathrm{db}$

${\mathrm{PSNR}}_G=10\·\log \frac{{255}^2}{E_G}=55.4\mathrm{db}---\left(9\right)$

${\mathrm{PSNR}}_B=10\·\log \frac{{255}^2}{E_B}=51.6\mathrm{db}$

如方程式9所示，每个色彩分量的PSNR受每个色彩分量的ER、EG和EB影响。每个色彩分量的整体误差均受传播误差的影响比受编码误差的影响要大。这是因为传播误差比编码误差大三倍。因此，通过减少传播误差就能提高信噪比。

通过利用此特性，根据本发明的一个方面的色彩变换方法建议了一个新的色彩变换函数，该函数将变换函数Φ中的每个元素都乘以预定的整数k。通过将色彩变换函数中的每个元素都乘以整数k，编码误差增加。但是，由于逆变换函数Φ^-1中的每个分量乘以整数的倒数1/k，传播误差就显著降低。因此，整体误差、即编码误差和传播误差的总和结果降低，这也降低了PSNR。

在表示色彩信息时，将变换函数Φ乘以k以及将逆变换函数Φ^-1乘以1/k的操作需要一个附加比特。但是，N比特数据可以用N+1编解码器，正如微软提出的YCoCg色彩变换方法中使用的具有一个附加比特的提升方案。此外，根据JVT专家的说明，并不需要使用具有与输入数据比特数相同的编解码。因此，附加比特能够利用现有技术的硬件处理。

如上建议的色彩变换技术还能用于所有现有技术的色彩变换方法。也就是，将RGB色彩空间变换到YUV、YIQ、YPbPr、YUW、XYZ或YCbCr的所有变换函数中的每个元素都可乘以预定的整数k，并且逆变换函数的每个分量都可乘以倒数1/k，从而能提高PSNR。

当使用较大的整数时，能够很好地降低传播误差，但是优选地，整数k满足k＝2^m以方便硬件实现。当k满足k＝2^m时，当相乘时色彩信息能够被移m比特。

图4概念性地示出了依据本发明一个方面的色彩变换方法。

首先，在S410中读取表示在RGB色彩空间中的RGB色彩分量组。然后，通过使用变换函数Φ，将RGB色彩分量变换到YSbSr色彩空间。如上所述，通过将变换函数Φ的各个元素乘以预定整数k，传播误差能够能够被最小化并且能够提高PSNR。

然后，在S450中，存储并处理由变换函数Φ变换的YSbSr色彩分量组。例如，处理后的YSbSr色彩分量组能被压缩和传送。然后，在S470中，通过利用逆变换函数Φ^-1，接收到的YSbSr色彩分量组可被逆变换到RGB色彩空间。导出依据本发明的变换函数Φ的操作将参考图5详细描述。

图5详细示出了依据本发明的一个方面的色彩变换方法。

首先，在S505中，从储存器中读取RGB色彩空间中的色彩分量组。所述RGB色彩分量组可以是从大量样本中导出的经验值。

然后，在S515中，标准化该RGB色彩分量组，并计算标准化结果的自相关矩阵Rx。该标准化操作根据方程式10执行。

$R=\frac{r-E\[r\]}{\mathrm{std}\left(r\right)},$

$G=\frac{g-E\[g\]}{\mathrm{std}\left(g\right)},$

$R=\frac{b-E\[b\]}{\mathrm{std}\left(b\right)}---\left(10\right)$

在方程式10中，R、G和B表示每个色彩分量r、g和b的标准化结果，E[]表示平均值并且std(.)指标准变化。

R、G和B的自相关矩阵Rx利用方程式11计算。

$\mathrm{Rx}=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{var}\left(R\right)& E\[\mathrm{RG}\]& E\[\mathrm{RB}\]\\ E\[\mathrm{RG}\]& \mathrm{var}\left(G\right)& E\[\mathrm{GB}\]\\ E\[\mathrm{RB}\]& E\[\mathrm{GB}\]& \mathrm{var}\left(B\right)\end{array}\right]---\left(11\right)$

方程式12提供了一个广泛使用的经验值的实例。

$\mathrm{Rx}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0.8525& 0.7545\\ 0.8525& 1& 0.9225\\ 0.7545& 0.9225& 1\end{array}\right]---\left(12\right)$

图5中示出的本发明的实施例通过使用Karhunen-Loeve变换(KL变换)执行色彩变换。但是，这并不限制本发明的范围，且现有技术中的所有技术都可用于色彩变换。

为了执行KL变换，在S525中，利用方程式13计算本征向量和本征值。

Rx·Φ＝Φ·Δ                      ...(13)

在方程式13中，Φ是一组满足方程式14的本征向量，Δ是一个对角矩阵，其具有一组降序排列的本征值作为其元素。

Φ＝[Φ₁Φ₂Φ₃]                     ...(14)

本征向量和本征值如方程式15和16确定。

${\mathrm{\Φ}}^T=\left[\begin{array}{ccc}0.5587& 0.5968& 0.5758\\ -0.7860& 0.1597& 0.5972\\ -0.2644& 0.7863& -0.5584\end{array}\right]---\left(15\right)$

$\mathrm{\Δ}=\left[\begin{array}{ccc}2.6882& 0& 0\\ 0& 0.2536& 0\\ 0& 0& 0.0582\end{array}\right]---\left(16\right)$

然后，使用方程式15和16执行KL变换，以减少图像信号的冗余。

如方程式15所示，本征向量Φ^T是酉矩阵(unitary matrix)。也就是，利用L2范数(norm)将本征向量Φ^T标准化。因此，在步骤S535中，本征向量Φ^T中的每一列都利用L1范数换算比例，以便将变换后的色彩分量组的动态范围换成RGB色彩空间的动态范围。由于向量仅仅被换算比例，所以保留了KL变换特性。L2范数表示向量的各个元素之和，而L1范数表示元素的绝对值之和。

在下面的方程式17中示出了用L1范数换算比例的本征向量φ^T。

${\mathrm{\Φ}}_{L1}^T=\left[\begin{array}{ccc}0.3227& 0.3447& 0.3326\\ -0.5095& 0.1035& 0.3870\\ -0.1643& 0.4887& -0.3470\end{array}\right]---\left(17\right)$

通过使用方程式17，使得YSbSr色彩空间的动态范围对应于RGB色彩空间的动态范围。但是，必须补偿其偏移。在步骤S545中，偏移被补偿，以使色彩分量的动态范围在0-255之间。在图4中，通过用负系数之和平衡正系数之和，得到偏移128。在下面的方程式18中示出了偏移补偿的结果。

${\mathrm{\Φ}}_{L1,\mathrm{biased}}^T=\left[\begin{array}{ccc}0.323& 0.344& 0.333\\ -0.5& 0.106& 0.394\\ -0.161& 0.5& -0.339\end{array}\right]---\left(18\right)$

方程式18与KL变换的变换函数相似，并且保持了YcbCr色彩空间的动态范围和偏移。如上所述，在步骤S555中，方程式18中的每个元素都可以乘以整数k，以使编码误差最小化。

当k＝2时，在步骤S565中给出如方程式19的结果。

$\left[\begin{array}{c}Y\\ \mathrm{Sb}\\ \mathrm{Sr}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0.646& 0.688& 0.666\\ -1.0& 0.212& 0.788\\ -0.322& 1.0& -0.678\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right]---\left(19\right)$

在步骤S575中，在存储器中存储并处理利用方程式19变换的表示YSbSr色彩空间的色彩分量组。如上所述，表示在YSbSr色彩空间中的色彩分量组可利用预定的压缩算法压缩并进行传送。利用逆变换函数对所收到的YSbSr色彩空间中的色彩分量组进行逆变换。其中，该逆变换函数是方程式19中示出的变换矩阵再乘以整数k的逆矩阵。另外，在步骤S585中，逆变换函数与方程式18中的矩阵的逆矩阵再乘以1/k相同。在步骤S595中，利用导出的逆矩阵将表示在YSbSr色彩空间中的色彩分量组逆变换到RGB色彩空间。

在图5中，KL变换通过使用连续随机过程的级数展开变换图像信息。当给一个出随机向量时，将所给出向量的自相关矩阵Rx的本征向量作为KL变换的基本向量使用。根据线性代数，KL变换的系数等于自相关矩阵Rx的本征向量。由于随机输入信号的绝大多数能量都集中在最初的几个系数中，因此KL变换也被称作主分量分析方案。

但是，本发明不局限于KL变换。另一方面，本发明能用于每一种通过获取新向量而集中能量的变换技术，所述新向量由通过变换输入向量而具有较原始信号低的相关特性的转换后的值组成。例如，离散傅里叶变换(DFT)，离散余弦变换(DCT)，小波变换，沃尔什变换和哈达马特变换(Hadamard Transformation)也适用于本发明。

DFT使用N有限数据块上的无限数据序列的傅里叶变换，并对应于从频谱获取的采样频谱。在DFT中，随着编码比特率的降低，梯级效果增加，导致图像质量下降。此外，由于变换系数是复数，DFT难以执行。当输入数据自相关性大时，DCT具有合理的能量集中特性。哈达马特变换很好地适于数字信号处理，其包括实际元素，并具有二元性和正交特性。由于在此过程中没有乘法运算，可利用哈达马特变换实现高速变换。

图6概念地示出了依据本发明另一方面的色彩变换装置。

图6中的色彩变换装置600包括接口610，色彩变换器650，储存器690和逆变换器680。

首先，RGB色彩空间中的色彩分量组通过接口610由色彩变换装置600接收。利用色彩变换器650中的变换函数变换所接收的色彩分量组。色彩变换器650包括主要分量获取器630、第一乘法器635和中央处理器660。用于确定所接收的色彩分量组的主要分量的第一变换矩阵在主要分量获取器630中计算。第一乘法器635通过将在主要分量获取器630中获取的第一变换矩阵乘以整数k，而计算出第二变换矩阵。中央处理器660使用第二变换矩阵变换色彩分量组。

为了解释方便，在图6中示出的实施例中，主要分量获取器630使用KL变换获取图像信息的主要分量。主要分量获取器630包括自相关矩阵计算器642，本征向量计算器644，动态范围补偿器646和偏移补偿器648。自相关矩阵计算器642获取输入信号的自相关矩阵Rx。如上所述，本征向量计算器644使用本征向量确定第一变换矩阵。动态范围补偿器646和偏移补偿器648补偿变换后的色彩分量组的动态范围和偏移分量，以便分别对应于RGB色彩空间的动态范围和偏移分量。

经色彩变换器650变换的色彩分量组储存在储存器690中，以对应于RGB色彩空间中的色彩分量组。

图6中示出的色彩变换装置600还包括逆变换器680。逆变换器680将YSbSrS色彩空间的色彩分量组逆变换为RGB色彩空间的色彩分量组。逆变换器680包括逆变换矩阵计算器670和第二乘法器685。如上所述，用来执行逆变换的逆变换矩阵相应于在主要分量获取器630中计算的第二变换矩阵的逆矩阵。因此，第二乘法器685将逆矩阵计算器670所得的结果中的各个元素都乘以1/k，即，将第一变换矩阵的逆矩阵乘以1/k。通过将逆矩阵乘以1/k，降低了传播误差。

图7是一个将依据本发明的色彩变换方法和装置的最大信噪比与其它方法的最大信噪比相比较的图。

图7描述了YUV色彩空间、YCbCr色彩空间和依据本发明的YSbSr色彩空间的编码误差。线条(1)表示依据本发明的YSbSr色彩空间的编码误差，而线条(2)和(3)分别表示微软提出的YCbCr色彩空间的编码误差和YUV色彩空间的编码误差。

如图7所示，依据本发明的色彩变换方法的PSNR比YCbCr的大20％和比YUV的大40％。随着比特率增大，改进变得更加显著，这意味着随着硬件的发展本发明的性能将更好。

根据本发明，提供了一种用于降低处理色彩信号中的编码误差的色彩变换方法。

此外，还提供一种用于降低处理色彩信号中的编码误差的色彩变换装置。

本发明的实施例可以写成计算机程序，且可在通用的利用计算机可读记录介质执行该程序的数字计算机上实现。

计算机可读记录介质的实例包括磁存储介质(例如，ROM，软盘，硬盘等)，光学记录介质(例如，CD-ROM或DVD)以及如载波的储存介质(例如，通过万维网的传送)。

虽然已经参考其示例性实施例对本发明进行了特别表示和描述，但本领域普通技术人员应该理解，在不偏离所附述权利要求所限定的本发明精神和范围的情况下，可以作出对形式和细节的改变。例如，本发明不局限于方程式16和17所提供的变换函数，并且元素值也将随着测试图像的改变而改变。因此，本发明可用于所有这样变换技术，该技术能通过获取图像信息的主要分量导出变换函数，并补偿输出的动态范围和偏移分量，以使其对应于输入的动态范围和偏移。此外，根据本发明的色彩变换装置包括逆变换器，但本发明不局限于此配置。

Claims (24)

1.一种色彩变换方法，其将表示第一色彩空间的第一色彩分量组变换为表示第二色彩空间的第二色彩分量组，所述方法包括：

a)从预定储存器中读取第一色彩分量组；

b)使用预定的变换函数将所读取的第一色彩分量组变换为第二色彩分量组；和

c)储存所述第二色彩分量组，以使其与所述第一色彩分量组相对应，其中所述变换函数由如下方式确定：

确定用于获取所述第一分量组的主要分量的第一变换矩阵，和

用预定的整数k乘以所确定的第一变换矩阵的每个元素。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

d)将所述第二色彩分量组逆变换成所述第一色彩分量组，所述逆变换包括：

d1)从所述预定的储存器中读取该第二色彩分量组；

d2)利用逆变换函数将所读取的第二色彩分量组逆变换为第一色彩分量组；和

d3)储存变换后的第二色彩分量组，以使其对应于所述第一色彩分量组，其中所述逆变换函数由如下方式确定：

确定所述第一变换矩阵的逆矩阵，并用所述整数k的倒数乘以该逆矩阵中的每个元素。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述整数k满足k＝2^m，而m是正整数。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一变换矩阵基于离散傅里叶变换(DFT)、离散余弦变换(DCT)、沃尔什变换和哈达马特变换中的一个确定。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一变换矩阵基于Karhunen-Loeve(KL)变换确定，所述Karhunen-Loeve(KL)变换用于利用第一色彩分量的自相关特性获取主要分量。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一变换矩阵的由如下方式确定：

e1)计算所述第一色彩分量组的每个元素的标准值的自相关矩阵(Rx)；

e2)通过KL变换自相关矩阵(Rx)来计算本征向量(Φ^T)；

e3)补偿本征向量(Φ^T)，以使所述第一色彩分量组的动态范围实质上等于所述第二色彩分量组的动态范围；和

e4)用所述第二色彩分量组的偏移补偿所述第一色彩分量组的偏移。

7.根据权利要求6的方法，其中，所述第一色彩空间是由RGB色彩分量组表示的色彩空间，所述补偿操作e3)进一步包括利用L1范数标准化所述本征向量(Φ^T)中的每个元素，以及所述变换函数实质上等于以下矩阵

$\left[\begin{array}{ccc}0.646& 0.688& 0.666\\ -1.0& 0.212& 0.788\\ -0.322& 1.0& -0.678\end{array}\right].$

8.一种色彩变换方法，其将表示第一色彩空间的色彩分量组变换为表示第二色彩空间的色彩分量组，所述方法包括：

a)从预定的储存器中读取第一色彩分量组；

b)使用预定的变换函数将所读取的第一色彩分量组变换为第二色彩分量组；和

c)储存所述第二色彩分量组，以使其对应于所述第一色彩分量组，其中所述变换函数由如下方式确定：

c1)确定用于获取所述第一分量组的主要分量的第一变换矩阵，和

c2)补偿所述第一变换矩阵，以使所述第一色彩分量组的动态范围实质上等于所述第二色彩分量组的动态范围。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

d)将所述第二色彩分量组逆变换成所述第一色彩分量组，该逆变换包括：

d1)从所述预定的储存器读取所述第二色彩分量组；

d2)利用逆变换函数将所读取的第二色彩分量组逆变换为所述第一色彩分量组；和

d3)储存变换后的第二色彩分量组，以使其对应于所述第一色彩分量组，其中所述逆变换函数通过确定所述第一变换矩阵的逆矩阵来实现。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一变换矩阵基于Karhunen-Loeve(KL)变换确定，所述Karhunen-Loeve(KL)变换用于利用所述第一色彩分量的自相关特性获取主要分量。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一变换矩阵由如下方式确定：

e1)计算所述第一色彩分量组元素的标准化值的自相关矩阵(Rx)，和

e2)通过KL变换所述自相关矩阵(Rx)来计算本征向量(Ф^T)，其中补偿所述变换矩阵，以使所述第一色彩分量组的偏移实质上等于所述第二色彩分量组的偏移。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一色彩空间是由RGB色彩分量组表示的色彩空间，所述补偿操作c2)进一步包括利用L1范数标准化所述本征向量(Φ^T)中的每个元素，以及当k＝2时，所述变换函数实质上等于以下矩阵

$\left[\begin{array}{ccc}0.646& 0.688& 0.666\\ -1.0& 0.212& 0.788\\ -0.322& 1.0& -0.678\end{array}\right].$

13.一种色彩变换装置，其将表示第一色彩空间的第一色彩分量组变换成表示第二色彩空间的第二色彩分量组，所述装置包括：

存储器，其储存所述第一色彩分量组和所述第二色彩分量组，以使其相互对应，和

色彩变换器，其将从所述储存器中读取的第一色彩分量组变换成第二色彩分量组，其中所述色彩变换器包括：

主要分量获取器，其确定用于根据预定的变换算法获取所述第一色彩分量组的主要分量的第一变换矩阵；

第一乘法器，其计算第二变换矩阵，所述第二变换矩阵相应于将确定的第一变换矩阵乘以预定整数k；和

中央处理器，其利用所述第二变换矩阵计算第二色彩分量组。

14.根据权利要求13所述的装置，其进一步包括

逆变换器，所述逆变换器通过利用逆变换函数将所述第二色彩分量组变换为所述第一色彩分量组，其中所述逆变换器包括：

逆矩阵计算器，其确定所述第一变换矩阵的逆矩阵，和

第二计算器，其通过将所述逆矩阵中的每个元素都乘以所述整数k的倒数计算逆变换矩阵。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述整数k满足k＝2^m，而m是正整数。

16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述主要分量获取器基于离散傅里叶变换(DFT)，离散余弦变换(DCT)，沃尔什变换和哈达马特变换中的一个确定所述第一变换矩阵。

17.根据权利要求15所述的装置，其中，主要分量获取器根据Karhunen-Loeve(KL)变换确定所述第一变换矩阵，所述Karhunen-Loeve(KL)变换利用所述第一色彩分量的自相关指数获取主要分量。

18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述主要分量获取器包括：

自相关矩阵计算器，其计算所述第一色彩分量组元素的标准值的自相关矩阵(Rx)；

本征向量计算器，其通过KL变换所述自相关矩阵(Rx)计算所述本征向量(Φ^T)；

动态范围补偿器，其补偿所述本征向量(Φ^T)，以使所述第一色彩分量组的动态范围基本上等于所述第二色彩分量组的动态范围；和

偏移补偿器，其补偿所述第一色彩分量组的偏移，以使之等于所述第二色彩分量组的偏移。

19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述第一色彩空间是由RGB色彩分量组表示的色彩空间，所述动态范围补偿器利用L1范数标准化所述本征向量(Φ^T)中的每个元素，以及当k＝2时，所述变换函数实质上等于以下矩阵

$\left[\begin{array}{ccc}0.646& 0.688& 0.666\\ -1.0& 0.212& 0.788\\ -0.322& 1.0& -0.678\end{array}\right].$

20.一种色彩变换装置，其将表示第一色彩空间的第一色彩分量组变换成表示第二色彩空间的第二色彩分量组，所述色彩装置包括：

存储器，其储存所述第一色彩分量组和所述第二色彩分量组，以使其相互对应，和

色彩变换器，其将从所述储存器中读出的第一色彩分量组变换成第二色彩分量组，其中所述色彩变换器包括：

主要分量获取器，其确定用于根据预定的变换算法获取所述第一色彩分量组的主要分量的第一变换矩阵；

动态范围补偿器，其补偿所述第一变换矩阵，以使所述第一色彩分量组的动态范围实质上等于所述第二色彩分量组的动态范围；和

中央处理器，其利用补偿的第一变换矩阵计算出所述第二色彩分量组。

21.根据权利要求20所述的装置，其进一步包括逆变换器，该逆变换器使用补偿后的第一变换矩阵的逆矩阵将所述第二色彩分量组逆变换成第一色彩分量组。

22.根据权利要求21所述的装置，其中，所述主要分量获取器根据Karhunen-Loeve(KL)变换确定所述第一变换矩阵，所述Karhunen-Loeve(KL)变换利用所述第一色彩分量的自相关特征来获取主要分量。

23.根据权利要求22所述的装置，其中，所述主要分量获取器包括：

自相关矩阵计算器，其计算所述第一色彩分量组的标准值的自相关矩阵(Rx)；

本征向量计算器，其通过KL变换自相关矩阵(Rx)计算本征向量(Φ^T)；和

偏移补偿器，其补偿所述第一色彩分量组的偏移，以使之与所述第二色彩分量组的偏移相等。

24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述第一色彩空间是由RGB色彩分量组表示的色彩空间，动态范围补偿器利用L1范数标准化所述本征向量(Φ^T)中的每个元素，并且所述变换函数实质上等于以下矩阵

$\left[\begin{array}{ccc}0.646& 0.688& 0.666\\ -1.0& 0.212& 0.788\\ -0.322& 1.0& -0.678\end{array}\right].$

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