CN1860798A - 用于解码多基色显示系统的输入信号的通用彩色解码器和方法 - Google Patents

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Abstract

一种将彩色图像数据转换为用于由具有N基色的显示器来显示的格式的解码器和方法，其中N＞3。多个输入格式转换器中的每个将具有对应彩色格式的输入信号转换为一组X、Y、Z三色激励值，并且输出该组X、Y、Z三色激励值。输入选择器从输入格式转换器的多个输出中的一个或者一个专用的X、Y、Z输入来选择一个选定组的X、Y、Z三色激励值。输出转换器将选定组的X、Y、Z三色激励值转换为对应于N个基色的N色图像像素数据。

Description

用于解码多基色显示系统的输入信号的通用彩色解码器和方法
本发明涉及视频和图像信号处理的领域，并且更具体地涉及一种将视频以及输入信号解码成多基色信号的系统和方法。
人们认为人类的彩色感觉在很大程度上是来源于眼睛的某些物理特性。特别是，眼睛具有三种不同类型的用于接收光线的“圆锥细胞”，其中的每一种不同地处理光谱的不同颜色。这三类圆锥细胞通常被称为蓝敏素、绿敏素和红敏素。蓝敏素对蓝光最敏感，绿敏素对绿光最敏感，而红敏素对红光最敏感。绿敏素和红敏素主要集中在眼睛的视网膜正中凹的区域内。蓝敏素主要在视网膜正中凹的外部被发现。基于测量的响应曲线，当前认为典型的人眼包含6-7百万个圆锥细胞，它们被如下分配：64％的红敏素、32％的绿敏素和2％的蓝敏素。
二十世纪二十年代进行的配色研究表明，色样能够通过组合单基色红(700nm)、绿(546.1nm)和蓝(435.8nm)来进行匹配。大量观察者的平均响应可以通过一组三色匹配函数进行再现。
通常使用的一组配色函数是Commission Internationaled’Eclairage(国际照明委员会)(CIE)的配色函数。图1示出CIE配色函数。
如上所述，基于人眼具有三种不同类型的感色圆锥细胞的事实，眼睛的响应或许能够按照三个“三色激励值”进行最好的描述，所述三个“三色激励值”通常被表示为X、Y和Z。根据CIE配色函数，可以导出规定色度的三色激励值。然而，一旦完成之后将会发现彩色可以按照两个彩色坐标x和y来表示。
Commission Internationale d’Eclairage(国际照明委员会)(CIE)在1931年创建了一个色度图，其根据两个CIE参数：x和y来映射人类彩色感觉的范围。图2示出1931年的CIE标准色度图。这张图包括所有可以被正常人眼感觉到的颜色。如所示，光谱色围绕着“彩色空间”的边缘进行分布，以及它的轮廓包括所有被感觉到的色彩并且提供一个用于研究色彩的框架。
同时，通常现有的彩色显示设备使用只有三个基色的集合来显示图像和视频，所述三个基色典型的是红(R)、绿(G)和蓝(B)。一个现有的显示设备通过适当的加权来组合三基色以产生所有将要显示的各种颜色。
已经为表示来自视频或图像源的彩色图像像素数据的视频或图像信号建立了许多不同的标准格式。一些较为重要的格式包括：欧洲广播联盟(EBU)YUV视频格式、国家电视系统委员会(NTSC)YIQ视频格式、电影电视工程学会-C(SMPTE-C)RGB视频格式、国际电信联盟(ITU)标准BT-709 HDTV演播室产品YCbCr视频格式、SMPTE-240M YPbPr视频格式、KODAK照片YCC格式等等。根据各种格式，视频或图像信息可以是以数字或模拟的形式。
上述的视频和图像格式通常被设计成利用显示系统来操作，所述显示系统利用如上所述的三基色来操作。下表表示上述的每种标准格式的基色R、G和B以及“白色”的CIE色度图坐标。
  格式   红色   绿色   蓝色   白色
  EBU YUV   x＝0.64，y＝0.33   x＝0.29，y＝0.60   x＝0.15，y＝0.06   x＝0.3127，y＝0.329
  NTSC YIQ   x＝0.67，y＝0.33   x＝0.21，y＝0.71   x＝0.14，y＝0.08   x＝0.3101，y＝0.3162
  SMPTE-C   x＝0.63，y＝0.34   x＝0.31，y＝0.595   x＝0.155，y＝0.07   x＝0.3127，y＝0.329
  ITU BT-709YCbCr   x＝0.64，y＝0.33   x＝0.30，y＝0.600   x＝0.15，y＝0.06   x＝0.3127，y＝0.329
  SMPTE-240MYPbPr   x＝0.67，y＝0.33   x＝0.21，y＝0.71   x＝0.15，y＝0.06   x＝0.3127，y＝0.329
  Photo YCC   x＝0.64，y＝0.33   x＝0.30，y＝0.600   x＝0.15，y＝0.06   x＝0.3127，y＝0.329
同时，随着技术的提高，日益需要能够以较高的彩色逼真度和亮度级来显示静止图像和视频的系统和装置。其中高度需要彩色逼真度和亮度的一些应用包括例如时装设计、数字摄像术、数字广告、医学成像、家庭装璜和艺术。这些应用开始对利用超过三(3)个基色来操作的显示系统产生兴趣。
然而，现有的使用上述的任一标准的视频和图像源并不提供以一种容易由具有超过三个基色的显示设备使用的格式的视频和图像信息。此外，由于新的视频和图像标准的发展，所以需要将以这些格式表示的数据转换成适合用于利用超过三个基色操作的显示系统的格式。
因此，希望提供一种通用彩色解码器，它能够接收表示以实际上任何彩色格式的彩色图像像素数据的视频和图像信号，并且将这些数据解码为由具有超过三个基色的显示器使用的格式。也希望提供这样一种解码器，它具有灵活的体系结构以便容易适应尚未创建的未来的视频和图像格式。本发明旨在解决前述涉及的一个或多个问题。
在本发明的一个方面中，一种解码器用于将输入信号的格式转换为用于具有N个基色的显示器的格式，其中N≥3，该解码器包括：多个输入格式转换器，每个适于将具有对应的彩色格式的输入信号转换为一组X、Y、Z三色激励值，并且输出该组X、Y、Z三色激励值；输入选择器，其适于选择输入格式转换器的多个输出中的一个，该输出包括一个选定组的X、Y、Z三色激励值；以及输出转换器，其适于将选定组的X、Y、Z三色激励值转换为对应于N个基色的N色图像像素数据。
在本发明的另一个方面中，一种方法将输入信号转换为用于具有N个基色的显示器的格式，其中N≥3，该方法包括：从多个输入中选择一组X、Y、Z三色激励值，并且将选定组的X、Y、Z三色激励值转换为对应于N个基色的彩色图像像素数据。
在本发明的又一个方面中，一种方法将输入信号转换为用于具有N个基色的显示器的格式，其中N≥3，该方法包括：从多个输入中选择一组X、Y、Z三色激励值，并且将选定组的X、Y、Z三色激励值转换为对应于N个基色的彩色图像像素数据。
更多的和其它的方面将根据后面的描述而变得明显。
图1示出CIE配色函数；
图2示出1931年的CIE标准色度图；
图3示出通用彩色解码器的实施例的框图；以及
图4示出一种将彩色图像数据转换为用于由具有N个基色的显示器来显示的格式的方法的流程图，其中N≥3。
图3示出通用彩色解码器300的框图。该通用彩色解码器300包括：多个输入格式转换器310、一个输入选择器320和一个输出格式转换器330。每个输入格式转换器310具有一个输入和一个输出。输入选择器320具有多个输入和一个输出。输出格式转换器330具有一个输入和多个输出。每个输入格式转换器310的输出被连接到输入选择器320的一个对应的输入上。输入选择器320的输出被连接到输出格式转换器330的输入上。输出格式转换器330的输出分别被连接到多基色显示设备(未示出)的对应的彩色处理或驱动电路上。
现在将对通用彩色解码器300的工作进行解释。
每个输入格式转换器310都适于接收以对应彩色空间的对应彩色格式表示彩色图像像素数据的输入信号。该输入信号例如根据所使用的特定标准而可以是以模拟或数字的格式。有利地，该输入格式转换器310适于将接收到的信号转换为一组国际照明委员会(CIE)标准的X、Y、Z三色激励值，并且输出该组X、Y、Z三色激励值。该通用彩色解码器310包括：第一输入格式转换器310，其适于将以欧洲广播联盟(EBU)YUV彩色格式表示彩色图像像素数据的输入信号转换为CIE的X、Y、Z三色激励值；第二输入格式转换器，其适于将以国家电视系统委员会(NTSC)的YIQ彩色格式表示彩色图像像素数据的输入信号转换为CIE的X、Y、Z三色激励值；第三输入格式转换器，其适于将以电影电视工程师学会-C(SMPTE-C)彩色格式表示彩色图像像素数据的输入信号转换为CIE的X、Y、Z三色激励值；以及第四输入格式转换器，其适于将具有YCC彩色格式的输入信号转换为CIE的X、Y、Z三色激励值。可以为任何以不同彩色格式表示彩色图像像素数据的输入信号提供另外的输入格式转换器310。有利地，每当新的彩色格式被开发或标准化的时候，可以根据需要提供新的输入格式转换器310。在所有情况下，输入格式转换器310提供一个包括CIE的X、Y、Z三色激励值的输出信号。
该CIE的X、Y、Z三色激励值可以对应于1931年的CIE标准或任何稍后的或将来的标准。实际上，通用彩色解码器能够基于人眼的彩色感觉特性来利用任何组的X、Y、Z三色激励值进行操作，其中输入格式转换器适于将各种输入信号的彩色格式转换为对应的X、Y、Z三色激励值。
下面的等式(1)到等式(3)提供用于将对于EBU YUV彩色空间格式化的输入信号转换为CIE的X、Y、Z三色激励值所必需的变换：
1)X＝0.431(Y+1.140V)+0.342(Y-0.396U-0.581V)+0.178(Y+2.029U)
2)Y＝0.222(Y+1.140V)+0.707(Y-0.396U-0.581V)+0.071(Y+2.029U)
3)Z＝0.020(Y+1.140V)+0.130(Y-0.396U-0.581V)+0.939(Y+2.029U)
下面的等式(4)到等式(6)提供用于将对于NTSC YIQ彩色空间格式化的输入信号转换为CIE的X、Y、Z三色激励值所必需的变换：
4)X＝0.607(Y+0.956I+0.621Q)+0.174(Y-0.272I-0.647Q)+0.200(Y-1.105I+1.702Q)
5)Y＝0.299(Y+0.956I+0.621Q)+0.587(Y-0.272I-0.647Q)+0.114(Y-1.105I+1.702Q)
6)Z＝0.066(Y-0.272I-0.647Q)+1.116(Y-1.105I+1.702Q)
下面的等式(7)到等式(9)提供用于将对于SMPTE-C RGB彩色空间格式化的输入信号转换为CIE的X、Y、Z三色激励值所必需的变换：
7)X＝0.3935R+0.3653G+0.1916B
8)Y＝0.2124R+0.7011G+0.0866B
9)Z＝0.0187R+0.1119G+0.9582B
对于利用其它彩色格式表示彩色图像像素数据的输入信号，可以使用类似的适当等式。
输入格式转换器310可以以硬件和/或软件来实现，例如利用模拟或数字滤波器(在适当时)、利用微处理器、利用数字信号处理器、利用专用集成电路(ASIC)等。
输入选择器320适于选择在其输入端之一提供的输入信号，并且输出选定的信号，该信号包括选定组的X、Y、Z三色激励值。该选择可以在用户的控制下进行，或者可以自动地进行，例如当只使用一个输入时通过确定哪个输入正在接收包括一组X、Y、Z三色激励值的信号来进行。输入选择器320可以是一个多路复用器或一个开关。
有利地，输入选择器320具有一个专用输入，其适于接收一个外部提供的已经是以X、Y、Z三色激励值格式的输入信号。这使得能够使用显示系统可以处理的最大色域。这对于宽色域的显示系统特别有利。这样的宽色域系统可以利用超过三个基色进行操作，它对于某些苛求的专业应用特别有益，例如时装设计、艺术、销售点显示等。当处理例如从数码相机接收的信号时，一个直接的X、Y、Z输入是有利的。数码相机可以包括电荷耦合器件(CCD)芯片，其使用尽可能接近地模拟视觉灵敏度曲线的滤波器来拍摄图像。在这种情况下，没有必要在输出格式解码器330之前将相机中产生的X、Y、Z信号转换为任何其它的彩色信号。
输出格式转换器330适于将选定组的X、Y、Z三色激励值转换为适合驱动具有多于三个基色的显示设备的输出信号。有利地，该输出信号包括用于N个基色中每个的单独彩色通道的单独彩色数据，其中N≥3。因为不同的显示设备能够并且将使用不同的彩色元素(element)，并因此具有不同的基色点和/或不同数量的彩色N，所以可以看出，输出格式转换器330是适合特定显示设备的参数的。如果希望同时驱动两个或更多个不同型号或类型的显示设备，则通用彩色解码器300应该包括两个或更多个不同的输出格式转换器330，全部都对同样的X、Y、Z三色激励值输入数据进行操作，但是每个产生适合于一个对应显示设备的输出数据。
为了讨论的简单起见，我们将把用于N基色的数据看作包括N色图像像素数据，并且每个彩色的数据将被称为Pi，其中i0{1，N}。
正如可以看到的，基色的数量大于三色激励值的数量。所以在一些情况下，一个单独的X、Y、Z三色激励值组可以被映射到多于一组的用于Pi：i0{1，N}的值。这样，输出格式转换器330可以使用各种规则来确定输出用于Pi：i0{1，N}的哪组。例如，显示器可以包括一个或多个彩色元素，该彩色元素具有位于或靠近CIE色度图边缘的色点(高度饱和的彩色)，以及一个或多个其它彩色元素，该彩色元素具有更靠近CIE色度图的中心但是能够进行更高的光输出(更高的亮度)的色点。在这种情况下，输出格式转换器330可以被设计成将选定的X、Y、Z三色激励值数据转换为具有最高的总的光输出(最高的亮度)的N色图像像素数据。然而，可以代替地使用其它的规则。
图4示出一种将彩色图像数据转换为用于由具有N个基色的显示器来显示的格式的方法的流程图，其中N≥3。图4的方法可以通过使用通用彩色解码器300来执行。
正如从上面的描述中所看到的，通用彩色解码器300首先将任何的输入信号转换为X、Y、Z三色激励值，并且然后将X、Y、Z三色激励值转换为用于N基色显示器的特定于显示器的彩色图像像素数据。因此，输入信号格式和输出信号格式彼此没有影响。这提供了几个好处，首先，每当显示设备被改变时(例如变为具有不同的彩色数量N或者带有不同色点的不同彩色元素的设备)，仅仅通过改变输出转换器330的参数来调整通用彩色解码器300是相对较容易的。同时，输入格式转换器310和输入选择器320可以保持不变。第二，每当新的视频或图像格式被开发或标准化的时候，仅仅提供针对新格式的新的输入格式转换器310就可以更新通用彩色解码器300。其它的输入格式转换器310、输入选择器320和输出格式转换器330可以保持不变。
虽然在这里公开了优选实施例，但是许多仍然在本发明的概念和范围内变化是可能的。这样的变化对于本领域普通技术人员在检查了在此的说明书、附图和权利要求书之后将变为明显的。因此，本发明除了在所附权利要求书的精神和范围内以外不受到限制。

Claims (20)

1、一种用于将输入信号的格式转换为用于具有N基色的显示器的格式的解码器，其中N≥3，该解码器包括：
多个输入格式转换器，每个适于将具有对应的彩色格式的输入信号转换为一组X、Y、Z三色激励值，并且输出该组的X、Y、Z三色激励值；
输入选择器，其适于选择一个选定组的X、Y、Z三色激励值；以及
输出转换器，其适于将选定组的X、Y、Z三色激励值转换为对应于N基色的N色图像像素数据。
2、权利要求1所述的解码器，其中多个输入格式转换器包括第一输入格式转换器，其适于将具有欧洲广播联盟(EBU)YUV彩色格式的输入信号转换为X、Y、Z三色激励值。
3、权利要求2所述的解码器，其中多个输入格式转换器包括第二输入格式转换器，其适于将具有国家电视系统委员会(NTSC)YIQ彩色格式的输入信号转换为X、Y、Z三色激励值。
4、权利要求3所述的解码器，其中多个输入格式转换器包括第三输入格式转换器，其适于将具有电影电视工程师学会-C(SMPTE-C)RGB彩色格式的输入信号转换为X、Y、Z三色激励值。
5、权利要求4所述的解码器，其中多个输入格式转换器包括第四输入格式转换器，其适于将具有国际电信联盟(ITU)标准BT-709YCbCr彩色格式的输入信号转换为X、Y、Z三色激励值。
6、权利要求2所述的解码器，其中多个输入格式转换器包括输入格式转换器，其适于将具有国家电视系统委员会(NTSC)YIQ彩色格式的输入信号转换为X、Y、Z三色激励值。
7、权利要求2所述的解码器，其中多个输入格式转换器包括输入格式转换器，其适于将具有电影电视工程师学会-C(SMPTE-C)彩色格式的输入信号转换为X、Y、Z三色激励值。
8、权利要求2所述的解码器，其中多个输入格式转换器包括输入格式转换器，其适于将具有国际电信联盟(ITU)标准BT-709YCbCr彩色格式的输入信号转换为X、Y、Z三色激励值。
9、权利要求1所述的解码器，其中N＞3。
10、一种显示系统，包括显示器和权利要求1所述的解码器，该解码器向所述显示器提供N色图像像素数据。
11、一种将输入信号转换为用于具有N基色的显示器的格式的方法，其中N≥3，该方法包括：
从多个输入中选择一组X、Y、Z三色激励值；以及
将选定组的X、Y、Z三色激励值转换为对应于N基色的彩色图像像素数据。
12、权利要求11所述的方法，进一步包括将具有第一彩色格式的输入信号转换为所述组的X、Y、Z三色激励值。
13、权利要求12所述的方法，其中第一彩色格式是欧洲广播联盟(EBU)YUV格式。
14、权利要求12所述的方法，其中第一彩色格式是国家电视系统委员会(NTSC)YIQ格式。
15、权利要求12所述的方法，其中第一格式是电影电视工程师学会-C(SMPTE-C)彩色格式。
16、权利要求12所述的方法，其中第一格式是国际电信联盟(ITU)标准BT-709YCbCr彩色格式。
17、一种将彩色图像数据转换为用于由具有N基色的显示器来显示的格式的方法，其中N≥3，该方法包括：
(a)接收以第一格式表示彩色图像像素数据的输入信号；
(b)将接收到的彩色图像像素数据转换为X、Y、Z三色激励值；以及
(c)将X、Y、Z三色激励值转换为适于驱动具有多于三个基色的显示设备的输出信号。
18、权利要求17所述的方法，其中输出信号包括适于驱动显示器的N基色的N色图像像素数据。
19、权利要求17所述的方法，其中第一格式是下述之一：欧洲广播联盟(EBU)YUV格式、国家电视系统委员会(NTSC)YIQ格式、电影电视工程师学会-C(SMPTE-C)彩色格式、或者国际电信联盟(ITU)标准BT-709YCbCr彩色格式。
20、权利要求17所述的方法，在步骤(a)、(b)和(c)之后进一步包括：
(d)接收以第二格式表示第二彩色图像像素数据的第二输入信号；
(e)将接收到的第二彩色图像像素数据转换为第二X、Y、Z三色激励值；以及
(f)将第二X、Y、Z三色激励值转换为适于驱动具有多于三个基色的显示设备的输出信号。
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