FR2670593A1 - Procede permettant de realiser la conversion entre deux espaces de couleurs dans un microprocesseur de 32 bits. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé perfectionné permettant de réaliser la conversion entre deux espaces de couleurs tels que l'espace RGB et l'espace YIQ, à l'aide d'un microprocesseur de 32 bits. L'invention demande simplement, comme nombre total d'opérations, trois recherches dans des tables, deux additions, deux décalages en barillet et deux opérations de masquage. Du point de vue de la rapidité, on estime que l'invention est optimale pour les microprocesseurs tels que les microprocesseurs de 32 bits.

Description

La présente invention concerne un procédé perfectionné permettant de

réaliser une conversion entre deux espaces de

couleurs, par exemple entre l'espace RGB et l'espace YIQ.

Dans de nombreuses applications qui effectuent un traite-

ment d'images en couleurs, il est nécessaire de réaliser, dans un sens et dans l'autre, des conversions entre deux espaces de couleurs On peut considérer, par exemple, le domaine de la compression des images en couleurs, même si l'invention ne se

limite pas à cette seule application.

Un appareil typique de compression d'images en couleurs

comporte un télécopieur couleur d'émission, une connexion télépho-

nique et un télécopieur couleur de réception A l'extrémité émettrice, le télécopieur doit d'abord analyser l'image en la balayant. Les procédés d'analyse les plus classiques effectuent le balayage dans l'espace de couleurs RGB (rouge, vert et bleu) Ceci est ordinairement ce qu'il y a de plus simple, pour des raisons de matériel et de coût Toutefois, il a été montré, lors de précédents travaux, que, pour comprimer une image en couleurs, il valait mieux effectuer la conversion sur un espace de couleur qui comprenait un plan de luminance et deux plans de chrominance Cet espace de

couleurs est l'espace de couleurs YIQ.

Il apparaît que l'espace de couleur YIQ se révèle supé-

rieur pour la compression d'images en couleurs, du fait que, en termes spatiaux, le taux de variation des plans I et Q est moins perceptible à l'oeil humain que le plan de luminance Y Les techniques de compression tirent avantage de ce fait, en effectuant une simple compression spatiale sur les plans I et Q avant d'effectuer toute quantification réelle visant à comprimer encore

les données.

Un exemple typique de système de compression comprendrait un numériseur graphique frontal (d'entrée) qui produirait une image

en couleurs offrant 24 bits de données par élément d'image (pixel).

Il s'agit normalement de 8 bits de rouge, 8 bits de vert et 8 bits de bleu La conversion en Y, I, Q peut donner trois nouveaux nombres de 8 bits, mais, en combinant ensemble deux valeurs de I voisines et deux valeurs de Q voisines, on obtient alors, en effet net, une donnée qui n'a que 16 bits par pixel On a donc supprimé,

presque immédiatement, 8 bits par pixel.

Assez souvent, la conversion RGB en YIQ s'effectue par des moyens logiciels, à l'aide d'une machine telle que celle proposée par la société Motorola sous la référence " 68030 " La

figure la montre la transformation linéaire associée à la conver-

sion de RGB en YIQ On note que les nombres de la matrice 3 x 3 ne sont pas très "sympathiques" Ce sont des nombres à virgule flottante affectés d'un signe Si l'utilisateur décide d'effectuer la conversion en utilisant la simple multiplication, ceci demande 9 multiplications et 6 additions, à savoir:

Y = ( 0,299 R) + ( 0,587 G) + ( 0,114 B)

le calcul étant à répéter deux fois encore pour I et Q. Alors que ceci semblerait être la manière la plus simple du point de vue des exigences en matière de longueurs de code et de capacités de mémorisation, ce n'est certainement pas l'approche la

plus rapide du fait de la nécessité de devoir effectuer ces multi-

plications. Une approche très courante, qui est utilisée pour éLiminer les multiplications, consiste à faire appel à des tables de recherche préprogrammées L'utilisateur doit prémultiplier toutes les valeurs R, G, B possibles et les emmagasiner dans des tables de recherche Un examen initial révélerait la nécessité de 9 tables de recherche distinctes, ayant chacune 256 entrées sur 16 bits Les intervalles possibles pour R, G et B sont normalement de 0-255, mémorisés en un nombre unique de 8 bits Toutefois, après la conversion linéaire, Y présente une gamme de 0-255 ( 8 bits), I possède un intervalle de + 151 à -151, et Q possède un intervalle de + 136 à -136 Pour représenter ces valeurs, il faut 9 bits au lieu de 8. En raison de la structure des systèmes microprocesseurs modernes, dès qu'on dépasse 8 bits, on saute normalement à 16 bits, parce que l'adressage est plus commode Ainsi, la capacité de mémorisation totale nécesaire est maintenant de 9 x 256 x 2 octets,

ou 4,5 K-octets.

Pour effectuer la conversion, l'utilisateur construit un programme qui prend la valeur R et la positionne dans la table Y(R), recherche la valeur et la conserve; puis prend la valeur G, recherche la valeur Y(G) et ajoute cette valeur à la valeur Y(R); et, enfin, fait de même pour B et ajoute au total précédent afin d'obtenir la valeur finale de Y Ceci nécessite 3 recherches et 2 additions Le même processus est effectué pour I et Q, ce qui donne 9 recherches et 6 additions Par comparaison avec ce qui a été indiqué ci-dessus, les 9 multiplications ont été remplacées par 9 recherches, qui sont typiquement plus rapides, d'un ordre de

grandeur, que des multiplications.

Un but de l'invention est de fournir un procédé perfec-

tionné permettant de réaliser une conversion entre deux espaces de

couleurs dans un microprocesseur de 32 bits.

Un but plus particulier de l'invention est de produire un procédé perfectionné permettant de réaliser une conversion entre

les espaces de couleurs respectifs RGB et YIQ.

L'invention propose une technique de conversion perfec-

tionnée Par exemple, dans un mode de réalisation, l'invention permet de réaliser la conversion entre les espaces de couleurs RGB et YIQ, le nombre total d'opérations nécessaires se ramenant à trois recherches dans des tables, deux additions, deux décalages en

barillet, et deux opérations de masquage.

La description suivante, conçue à titre d'illustration de

l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: les figures la et lb représentent des matrices de conversion respectives de l'espace de couleurs RGB à l'espace YIQ, et de l'espace YIQ à l'espace RGB; la figure 2 montre la disposition de données dans un registre à décalage de 32 bits; et

la figure 3 est un schéma montrant une version à préci-

sion améliorée, selon l'invention.

De nombreux microprocesseurs, comme le " 68030 ", contien-

nent un mécanisme de décalage en barillet (barrel shifting) incor-

poré Traditionnellement, le décalage était une opération

logicielle assez lente, puisque le temps d'exécution de l'instruc-

tion était proportionnel au nombre de décalages nécessaires Par exemple, si un nombre X est dans un registre DO et doit être décalé fois, cela prend 300 ns S'il est souhaitable de décaler de positions, cela prend alors probablement environ 600 ns, en

l'absence d'un registre à décalage en barillet.

L'avantage d'un registre à décalage en barillet est que

tous les décalages, quel que soit le nombre de positions, s'effec-

tuent dans un même temps L'invention tire avantage de ce dispo-

sitif en demandant seulement trois tables de recherche au lieu des

neuf précédemment mentionnées.

Il y a 256 entrées, de 32 bits chacune Ainsi, la capa-

cité d'emmagasinage totale nécessaire est de 3 fois 256 x 4 octets,

soit seulement 3 K-octets, ce qui est 1/3 de moins que précédem-

ment On produit les tables de la manière suivante.

On divise les emplacements de 32 bits en 3 compartiments de 10 bits On place chaque élément de recherche Drécalculé dans le compartiment approprié de l'emplacement de 32 bits Les opérations

nécessaires pour effectuer la conversion se montent alors à exacte-

ment trois recherches.

Tout d'abord, on recherche un nombre de 32 bits pour la composante rouge On conserve cette valeur Ensuite, on recherche un nombre de 32 bits pour la composante verte, et on additionne ensemble les deux nombres de 32 bits Finalement, on recherche une

valeur de 32 bits pour la composante bleue et on ajoute au précé-

dent total de 32 bits Il n'y a alors à conserver qu'un seul

résultat de 32 bits.

Pour produire la valeur Y (qui se situe dans les 10 bits inférieurs de la valeur de 32), le procédé selon l'invention supprime par masquage les 8 bits inférieurs On note que, dans le cas o la valeur Y est dans l'intervalle 0-255, ce masquage n'est

pas nécessaire.

Le masquage est une opération unique qui demande approxi-

mativement le temps d'une seule addition Ensuite, selon le procédé, on décale le nombre de 32 bits 10 fois vers la droite et on supprime par masquage les 9 bits inférieurs Pour produire I, il

faut un unique décalage en barillet et une opération de masquage.

Enfin, pour produire Q, se Lon le procédé, on décale le nombre de 32 bits 10 fois de plus vers la droite et on supprime par masquage

les 9 bits inférieurs Ainsi, le nombre total d'opérations néces-

saires est de 3 recherches, 2 additions, 2 décalages en barillet et 2 opérations de masquage Du point de vue de la vitesse, on estime que ce procédé est optimal pour Les processeurs tels que le " 68030 "

et les autres dispositifs analogues à 32 bits.

Pour illustrer la marche du processus, on va décrire un exemple particulier en passant par toutes les opérations dans les deux sens Il est important de noter que les étapes de recherche peuvent introduire de petites erreurs numériques qui sont dues à l'arrondissement effectué lors de l'établissement de la table Ceci explique pourquoi les valeurs d'entrée et de sortie diffèrent d'une

petite quantité.

La figure 2 est un diagramme montrant l'organisation des données à l'intérieur des emplacements de 32 bits Les trois valeurs de recherche en mémoire sont ajoutées dans un unique registe de données, puis le résultat est masqué et décalé de manière à produire les valeurs Y, I et Q. On prend comme valeurs d'entrée: R= 50, G= 75 et B= 97 (en

supposant la base 16).

En se reportant aux tables de recherche annexées (appen-

dice A), on va à la "R YI Qtbl" Pour localiser R= 50, on descend la première colonne jusqu'à la 11 e ligne On prend le nombre de 32 bits '"S Ob 08018 " On fait maintenant la même chose pour G= 75 dans la "GYI Qtbl" On trouve la valeur " 5 Od 73 ac 45 " On ajoute à la valeur précédente et on obtient "$Oe 242 c 5 d" Pour finir, on localise B= 97 dans la "B YI Qtbl" On ajoute "$ 01 f 380011 " au total précédent et on obtient le résultat "'1017 ac 6 e" Commencent alors

les opérations de masquage et de décalage.

On part de la valeur "$ 1017 ac 6 e" En masquant les 8 bits inférieurs avec " 00000 $Off", on obtient une valeur Y de "$ 6 e", (ou

bien + 110 en notation décimale).

On décale maintenant ce nombre de 32 bits 10 fois vers la droite Ceci produit un nombre "$ 000405 eb" On masque maintenant les 8 bits d'ordre inférieur avec un masque "$OOOOO Off", et on obtient "$eb" Ceci équivaut à la valeur décimale -21, puisque que

I est un nombe affecté d'un signe.

On décale maintenant cette valeur de 32 bits de 10 posi-

tions de plus vers la droite Ceci donne le nombre "$ 00000101 " On masque les 8 bits d'ordre inférieur, et on obtient une valeur pour

Q de "$ 01 ".

Ainsi, Y=$ 6 e, I=$eb, Q=$ 01.

On utilise maintenant le deuxième ensemble de tables pour

effectuer l'opération inverse.

Pour Y=$ 6 e, YRB Gtbl donne "$ 06 elb 86 e".

Pour 1 =$eb, IRB Gtbl donne " 5023027 e 2 ".

Pour Q=$ 01, a RG Btbl donne "$ 003 ffc 01 ".

On les ajoute ensemble et on obtient "$ 0951 dc 51 ".

On masque les 8 bits d'ordre inférieur et on obtient Red = $ 51 ("$ 50 " était la valeur initiale) Un décalage effectué dix fois vers la droite donne "$ 00025477 " Le masquage des 8 bits inférieurs donne Green = $ 77 (initialement "$ 75 ") Le décalage de dix autres positions vers la droite donne "$ 00000095 " Alors,

Blue = $ 95.

Ceci met fin au processus.

Dans l'ensemble de tables présenté en annexe et formant l'appendice A, les valeurs de recherche pour I et Q ont été soumises à une réduction d'échelle de 1,5 Toutefois, il faut insister sur le fait que la technique ci-dessus sera complètement opérationnelle pour I et Q se présentant sous la forme de nombres de 9 bits affectés d'un signe, compris entre + 151 et -151 pour I et + 136 et -136 pour Q. Discussion des performances Les performahces sont, dans l'absolu, difficiles à préciser Elles dépendent du processeur réellement utilisé, de la fréquence d'horloge, du fait qu'une antémémoire est ou non validée, etc Toutefois, pour permettre une comparaison, on va supposer qu'on utilise un processeur " 68030 " On va compter les cycles machine pour éLiminer la variable de la fréquence d'horloge On suppose également que la multiplication est effectuée en unités entières (on suppose un certain étalonnage des multiplicateurs par un facteur de 1000 par exemple) En réalité, un tel étalonnage demanderait un étage final de division, même si ceci n'est pas

compté dans les calculs.

Procédé 1: Multiplication

9 multiplications à 28 cycles chacune = 252 cycles.

6 additions à 2 cycles chacune = 12 cycles.

Total = 264 cycles.

Procédé 2: Procédé de recherche simple

9 recherches à 4 cycles chacune = 36 cycles.

6 additions à 2 cycles chacune = 12 cycles.

Total = 48 cycles.

Procédé 3: Procédé de recherche nouveau

3 recherches à 4 cycles chacune = 12 cycles.

2 additions à 2 cycles chacune = 4 cycles.

2 masques à 2 cycles chacun = 4 cycles.

2 décalages de 10 bits à 2 cycles chacun = 4 cycles.

Total = 24 cycles.

Ceci conduit à une amélioration de rapidité d'environ 50 % Pour une image en couleurs possédant 1 024 x 1 024 pixels, une économie de 24 cycles par pixel pour les deux conversions économise plus de 50 millions de cycles de fonctionnement Sur un processeur " 68030 ' de 16 M Hz, ceci permet d'économiser 3 S de

temps de traitement.

Précision et mode de fonctionnement amélioré Dans de nombreux cas, la précision atteinte à l'aide du procédé ci-dessus présenté convient Dans un système de compression d'images en couleurs, pour des débits binaires élevés, l'erreur introduite par la recherche peut se révéler inacceptable Par conséquent, un mode à précision améliorée est souhaitable, même si

cela conduit à l'addition d'une instruction machine.

Le meilleur mode de fonctionnement est présenté sur la figure 3 Alors, au lieu d'attribuer 3 cellules de 10 bits, on attribue 11 bits à Y et I et 10 bits à Q Par conséquent, les 32 bits sont tous utilisés On utilise les 11 bits associés à Y

de la manière suivante La valeur de Y peut s'étendre de O à 255.

On utilise les 3 bits supplémentaires pour représenter la précision à droite de la virgule Ainsi, selon l'invention, on peut mémoriser avec une précision allant jusqu'à 1/8 pour Y Par conséquent, lors de la production des composantes YR, YG et YB, au lieu d'arrondir à l'entier le plus proche, on arrondit au 1/8 le plus proche On donne ci-dessous un exemple dans lequel l'amélioration nette

apportée par rapport à la première version apparait.

Soit R= 65, G= 28, B= 37 Avec le premier schéma, les compo-

santes suivantes sont produites:

YR= 65 x O,299 = 19,435, qui serait arrondi à 19.

YG= 28 x O,587 = 16,436, qui serait arrondi à 16.

YB= 37 x 0,114 = 4,218, qui serait arrondi à 4.

En additionnant ces valeurs YR, YG et YB, on obtient

Y= 39.

Avec le nouveau schéma, on a: YR = 19,435, qui serait arrondi à 19,375 ou 19 3/8, YG = 16,436 r qui serait arrondi à 14,375 ou 14 3/8,

YB = 4,218, qui serait arrondi à 4,25 ou 4 1/4.

En additionnant ces valeurs, on obtient Y= 40.

Si l'on avait additionné les nombres initiaux en virgule flottante, on aurait obtenue 40,089 Par conséquent, la nouvelle

estimation, 40, est beaucoup plus proche que l'ancienne, 39.

Pour I, on réserve deux bits supplémentaires pour arrondir au 1/4 le plus proche, et, pour Q, on laisse un bit

supplémentaire de façon à pouvoir arrondir au 1/2 le plus proche.

Ceci constitue une distribution arbitraire des bits supplémen-

taires On notera que d'autres combinaisons peuvent amener une

précision encore meilleure.

Pour le calcul inverse, soit de l'espace YIQ à l'espace RGB, on doit choisir des règles de précision différentes En raison de l'existence de multiplicateurs tels que 1,703, il est nécessaire de prévoir plus de bits à gauche de la virgule, de sorte qu'on doit sacrifier la précision à droite de la virgule Il n'a pas été jugé nécessaire de discuter plus loin l'exercice consistant à optimiser

l'attribution de ces bits.

La figure 3 montre qu'un décalage supplémentaire est nécessaire pour obtenir les mêmes résultats Le premier décalage, qui est de 3 positions, permet de supprimer les bits non voulus situés à droite de la virgule On note qu'il est également possible

d'arrondir le résultat sur la base de la valeur de ces trois bits.

Si le troisième bit est mis à 1, on arrondit, sinon on ne fait

rien Toutefois, ceci demanderait une instruction supplémentaire.

Le deuxième décalage, qui est de 10 position, donne la composante I, un arrondissement est de nouveau possible, et, enfin, un décalage de 9 positions donne la composante Q. Pourvu qu'on n'ajoute qu'un seul décalage, il ne faut alors que deux cycles d'horloge supplémentaires, ce qui donne un

total de 26 cycles.

Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer,

à partir du procédé dont la description vient d'être donnée à titre

simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes

et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention.

APPENDICE A

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Claims (1)

1. REVENDICATION

   Procédé permettant de réaliser la conversion entre les espaces de couleurs RGB et YIQ, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: produire une première, une deuxième et une troisième table de recherche, qui possèdent chacune un nombre prédéterminé d'éléments

   précalcu Lés d'un certain nombre d'emplacements binaires correspon-

   dant audit espace de couleurs RGB, diviser chacun des emplacements binaires en au moins trois compartiments d'un nombre inférieur d'emplacements binaires,

   rechercher un nombre d'un premier emplacement binaire corres-

   pondant à la composante R (rouge),

   rechercher un emplacement d'un nombre binaire pour la compo-

   sante G (vert) et ajouter ensemble les deux emplacements de nombres binaires, rechercher un emplacement binaire pour la composante B (bleu) et ajouter celle-ci au total binaire précédent afin de former un résultat binaire calculé, masquer un certain nombre de bits d'ordre inférieur afin d'obtenir la valeur de la composante Y dudit deuxième espace de couleurs, décaler le nombre binaire un certain nombre de fois et masquer les bits d'ordre inférieur au moyen d'une opération unique de décalage en barillet de masquage, afin de former la composante I, et décaler le nombre binaire un certain nombre de fois de plus vers la droite et masquer les bits d'ordre inférieur afin de former la composante Q.