TWI321959B - Method for transforming color space of image - Google Patents

Description

1321959 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明與影像轉換方法有關，更特 a w疋一種於影像县憂 不糸統上用於轉換YUV4:2:0色彩空間之方法。 ^ 【先前技術】 人眼、電腦及電視通常會利 及藍。起初為顯現色彩，顯示器會使—些覆蓋於顯示^

部之螢光材質發光。上述用於產生具有紅、綠、藍色彩之 方法係稱為紅綠藍（RGB )色彩空間。 y 現今的彩色電視系統使用YUV色彩編碼系統。上述 YUV模式定義一色彩空間係依據一亮度及兩色度成分。γ 係用於亮度分量（明亮度）及U與V係為色度（色彩）分 量。YUV被使用於逐行倒相（PAL)及全國電視規格委= 會（NTSC)之電視播放系統，上述系統係為世界上大部分 地區之規格。YUV塑造出較使用於電腦圖像硬體之RgB 規格模式更為接近人類對於色彩的感知能力，但並未如色 調、濃度、亮度（HSV )色彩空間般地接近。 YUV訊號從一原始的RGB (紅、綠及藍）源頭所產 生。累加紅、綠及監色之加權值以產生一獨特之γ訊號, 呈現整體的亮度或某點色度。上述U訊號係藉由扣除來自 原始RGB藍色訊號之Y而接續產生，然後縮放比例；及v 说號藉由扣除來自紅色訊號之Y而接續產生，然後藉由不 同的係數縮放比例。上述能以類比電路圖輕易地達成。 YUV與RGB之轉換公式如下： 1321959 Υ - 0.299R + 0.587G + 0.114Β • U = 0.492 ( Β - Υ) • = - 0.147R - 0.289G + 0.436Β V = 0.877 ( R - Υ) =0.615R - 0.515G - 0.100Β YUV與RGB之轉換公式如下：

R = Y+1.14V

• G =Y-0_39U-0.58V B =Y+2.03U 利用縮減取樣（Downsampling)技術於YUV色彩空 間進行有效率地壓縮影像。色度取樣（Chroma subsampling)係指使用比亮度訊號低的色彩（或色度）訊 號解析度來表示影像。人眼對於色彩並不像對於亮度般敏 感。上述之影像色彩值並不要求與亮度般具有相同解析 • 度。然而，許多視訊系統在色彩通道相對於亮度通道上使 用較低之取樣解析度，對於不明顯降低影像品質的同時亦 降低視訊訊號之總頻寬。上述於YCbCr或Ypbpr色彩空 間上的第一個值係指亮度分量（Y)，及後兩個值係指色彩 - 分量樣本之數量’其中U/Cb分量在前，V/Cr分量在後。 當比較影像品質時，在此三個值之間的比值係比三個值更 為重要’及亮度樣本之數量值通常係為4。 第一圖顯示四個YUV4:4:4圖素（pixel)，及資料串係 為：Y0U0V0Y1U1V1Y2U2V2Y3U3V3，其被映射為下述 6 1321959 四個圖素：[Y0U0V0][Y1U1V1][Y2U2V2][Y3U3V3]。第二 圖顯示四個YUV4:2:2圖素，其中資料串係為：Y0U0Y1 .· V1Y2U2Y3V3,及被映射為下述四個圖素：[Y0U0V1][Y1U0 V1][Y2U2V3][Y3U2V3]。多數高階視訊元件格式使用 YUV4:2:2，例如：digital betacam，DVCPRO50，D-9， CCIR601/serial digital interface/Dl。 第三圖說明四個YUV4:1:1圖素，其中資料串係為： Y0U0Y1Y2V2Y3及被映射為下述四個圖素：〔Y0U0V2〕 • 〔 Y1U0V2〕〔 Y2U0V2〕〔 Y3U0V2〕。一些應用使用 YUV4:1 :卜例如 DVCPRO，NTSC，DV，DVCAM，D-7。 第四圖顯示YUV4:2:0格式圖素，其中資料串係為： YoO UoO Yol Yo2 Uo2 Yo3 / YeO VeO Yel Ye2 Ve2 Ye3，及 被映射為下述四個圖素：〔YoO UoO VeO〕〔 Yol UoO VeO〕 〔Yo2 Uo2 Ve2〕〔 Yo3 Uo2 Ve2〕/〔 YeO UoO VeO〕〔 Yel UoO VeO〕〔 Ye2 Uo2 Ve2〕〔 Ye3 Uo2 Ve2〕。上述 YUV4:2:0 係為 • 逐行倒相（PAL )及順序傳送色彩與記憶制彩色電視系統 (SEC AM )標準色彩系統，此外藉由視訊編碼器（encoder ) /解碼器（decoder )使用一標準之輸入/輸出格式。上述 YUV4:2:0通常應用於DVD及另一應用於MPEG-2，PAL DV及DVCAM，JPEG，MJPEG格式之主要概況。 在大多數影像編碼技術之應用上，上述YUV格式， 特別是YUV4:2:0被廣泛地使用於節省存儲空間。 YUV4:2:0意指對於每行掃描線而言，只有一種色彩分量以 2:1取樣頻率取樣及儲存。相鄰的掃描線儲存不同之色彩 7 1321959 分量。也就是說，若有一行為4:2:0比例時，下一行為4:0:2 比例，及再下一相鄰行為4:2.·0比例..以此類推。對於每一 . 色彩分量而言，水平及垂直方向之取樣頻率皆為2:1，因 此對於每一色彩分量之取樣頻率係為4:1。上述YUV4:2:0 特別適用於逐行倒相（PAL )標準色彩系統及順序傳送色 彩與記憶制彩色電視系統（SECAM )標準色彩系統。及大 多數視訊編碼器/解碼器使用YUV4:2:0格式作為標準之輸 入格式。 ® —典型之6x4 RGB影像501係顯示於第五圖，其通常 被使用於電腦影像應用上。無論是RGB1、RGB4、RGB8、 RGB565、RGB555、RGB24 或 RGB32，每一圖素具有其獨 立值，及每一圖素順序映射於記憶體上之連續位置。上述 影像501順時針旋轉90度後成為直接旋轉後之影像502。 上述YUV格式，除YUV4:4:4外，每一圖素具有其Y 值，而U、V值相依於彼此鄰近之圖素間，因此造成影像 • 直接旋轉困難。以往對於YUV格式影像之旋轉，影像必 須先轉換成YUV4:4:4格式。然後影像之色彩空間藉由上 述所提之方程式轉換成RGB格式。在旋轉之後，上述影像 轉回YUV格式。因此，轉換YUV格式影像比RGB格式 _ 影像需花費較長之時間。 在上述觀點中，用於克服上述缺點之數位視訊裝置， 本發明提供一旋轉YUV4:2:0色彩空間之改善方法。 【發明内容】 為達到上述與另一目的及根據本發明之用途，揭露一 8 1321959 用於旋轉影像及相同系統之方法。 本發明提供一用於轉換YUV色彩空間之方法，方法 包含步驟有：從YUV色彩空間中分離出Y分量矩陣 (matrix )，餘留u、V分量矩陣於色彩空間内。其後分離 之Y分量矩陣被轉換以達到一轉換後之γ分量矩陣，及 U、V分量矩陣被轉換以達到一轉換後之u、v分量矩陣。 而下述之步驟係為組合轉換後之γ分量矩陣與轉換後之 > u、v分置矩陣。上述γ係指影像之明亮度因子，卩、ν分 別代表藍與紅色彩因子其已分別移除γ因子。 在另一觀點上，本發明揭露一用於轉換色彩空 間=方法，方法包含步驟有：從γυν色彩空間+分離γ 分量矩陣，餘留U、V分量矩陣於色彩空間内；對γ分量 矩陣進行-矩陣旋轉計算；對u、v分量矩陣進行一逆旋 轉矩陣計算；及組合處理過之丫分量矩陣與處理過之… V分量矩陣以完成轉換後之YUV色彩空間。 >【實施方式】 用於轉換影像之方法及結構 再敉迷如下。以下敘述中 泎夕特疋之細節係提供以充分睁 ^兀刀嗯解本發明之實施例，及 發明亚非限定於所主張之申請專利範圍。 本發明與一影像旋轉系統〗

Tv c 、纪你 啕關例如無線數位機. 皿（TV-setbox)。影像旋轉系統1包含：一 3，運曾媛h 4w .·，員示模組（moduh 連#杈組4，记憶模組5，中央處理哭〇 > 模组6，月心人/一山y ° ’计算（computing 悮且6 ’及輸入/輸出模組7。運首 £ 出影偟 力*棋，·且4於顯示器上運4 出〜像，及圯憶杈組5被使用於儲存 心像貝料。中央處ij 9 1321959 器2控制用於計算根據出自輸入/輸出模組7的輸入程式之 計算模組6。計算模組6應具有執行矩陣轉換之能力。

在最初的電視系射，YUV色彩系統除了使用RGB 色彩系統外，還有用於亮度之Y分量、用於色彩之 分量。上述旋轉之Υ矩陣係與RGB矩陣相同，因此能被 分離。因為人眼對於色彩並不像對亮度般敏感，因此可接 受些許色差。 置於YUV4:2:0色彩系統中之影像資料，通常係為壓 縮格式，如第四圖所示。本發明特別揭露於γυν4:2:〇色 彩空間上用於直接旋轉影像之快速旋轉γυν演算法 (algorithm )。最初之影像資料必須被轉換成γυν4 4 4格 式。每-圖素具有獨立之γ值而U、v值與相鄰之圖素相 依，因此它們不能直接被旋轉。上述旋轉γυν4:2:〇影像 之另-方法係為轉換色彩空間。計算每一圖素之rgb值， 然後於旋轉後轉換成Yuv。對於旋轉之呢G影像格式， DCT ( Discrete Cosine Transf_，離散餘弦轉換）表^ 先行旋轉，然後將影像解壓縮。上述解I缩結果係為咖 一組6X4YUV4:2:0色彩空間7〇1係顯示於第七 通常於一編碼影像解壓縮後獲得，例如JPEG。首先，如Λ :Β圖所不’ γ分量矩陣7〇2係從色彩空間之最初資料女 第七Α圖所示中離析。於資料串中每一圖素具有一 值其與RGB資料串相似。因此，丫分 例如所要求之旋轉方向或方式。例如，藉由使^時轉^ 1321959 轉演算法，Y分量矩陣7G2能被順時針旋轉…用於順時 針旋轉演算法之C程式語言範例如下所示： 、 for ( x-0； x<original_pic_width; x++) { for ( y=〇riginal—pic—height-1; y>=〇; y〜） { *pTarget_pic = * ( pOriginal_ _pic+ (y*original_pic_width +x ) +i )； pTarget_pic++; 然後最初之U及V分量矩陣703如第七C圖所示係 逆時針旋轉至直接對應之位置上如第七D圖所示。旋轉後 之U及V分量矩陣結果顯示於第七e圖。藉由組合第七B 圖中之旋轉後之Y分量矩陣702與第七D圖中之旋轉後之 • 卩及V分量矩陣704,最後獲得旋轉後之4x6 YlJV4:2:〇色 彩空間（影像）705於第七F圖中。上述所提及之順時針 旋轉演算法如下所示： for ( x=0; x<original_pic_width; x++) { for ( y=original一pic一height-1; y>=〇; y··) { *pLumaTarget = * ( pLumaSrc+ ( y* original—pic_width+x)); 11 1321959 pLumaTarget++; for ( x=0; x< original_pic_width; x+=2 ) { for ( y= original_pic一height/2-1; y>=0; y--) {

*pChromaTarget = * ( pChromaSrc+ original_pic_width*y+x ); pChromaTarget++; *pChromaTarget = * ( pChromaSrc+ original_pic_width*y+x+l ); pGhromaTarget++; 用相同方式，第八A圖至第八E圖顯示本發明之逆時 • 針旋轉YUV4:2:0影像。上述最初之6x4 YUV影像801係 分隔成一 Y分量矩陣802與一 U及V分量矩陣803。Y分 量矩陣802能直接進行逆時針旋轉。然後U及V分量矩陣 803係順時針旋轉至對應之位置上如第八D圖所示。藉由 組合旋轉後之Y分量矩陣與旋轉後之U及V分量矩陣804 獲得一逆時針旋轉4x6 YUV4:2:0色彩空間或影像。上述逆 時針旋轉演算法如下所示： for ( x= original_pic_width-1 ; x>=0; x++) 12 1321959 for ( y=0; y< original一pic_height; y--) *pLumaTarget = * ( pLumaSrc+ ( y* original_pic_width+x )); pLumaTarget++; } }

for (-x= original_pic_width-2; x>=0; x-=2) for ( y=0; y< original_pic_height/2; y++) { *pChromaTarget = * ( pChromaSrc+ original_pic_width*y+x ); pChromaTarget++; *pChromaTarget = * ( pChromaSrc+ original_pic_width*y+x+l ); • pChromaTarget++; 第九A圖及第九B圖顯示本發明之一 YUV4:2:0水平 鏡射（reflection )實施例。上述U及V分量矩陣901中之 分量係從左/右至右/左調換位置。藉由組合旋轉後之U及 V分量矩陣901與旋轉後之Y分量矩陣如第九B圖所示， 然後獲得一水平鏡射YUV4:2:0影像902。上述水平鏡射 (horizontal reflection)演算法如下所示： 13 1321959 for ( y=0; y<pic一height; y++) { for ( x=pic_width-1; x>=0; X--) { *pLumaTarget = * ( pLumaSrc+ ( y*pic_width+x )); pLumaTarget ++;

for ( y=0; y<pic一height/2; y++) { for ( x=pic_width-2; x>=0; x-=2 ) { *pChromaTarget = * (pChromaSrc+pic_width*y+x ); pChromaTarget ++; • * pChromaTarget = * ( pChromaSrc +pic_width*y+x+1 ); pChromaTarget ++; } . } 第十A圖及第十B圖顯示本發明之一 YUV4:2:0垂直 鏡射實施例。上述U及V分量矩陣1001中之上層分量與 下層分量調換位置。藉由組合旋轉後之U及V分量矩陣 1001與旋轉後之Y分量矩陣如第十B圖所示，然後獲得 14 1321959 一水平鏡射YUV4:2:0影像1002。上述垂直鏡射演算法如 下所示： for ( y=pic_height-1; y>=0; y++) for ( x=0; x<pic_width; x++) * pLumaTarget = *( pLumaSrc+( y*pic_width+x ));

pLumaTarget ++; } } for ( y=pic_height/2-1; y〉=0; y++) { for ( x=0; x<pic_width; x++) { *pChromaTarget = * (pChromaSrc+pic_width*y+x ); pChromaTarget ++; 特別是上述旋轉之細部程式碼及鏡射演算法提供對於 本發明之充分瞭解但並非用以限定本發明之範圍。本發明 之旋轉方法能.被執行於任何角度下。而本發明之鏡射光軸 並非限定於水平或垂直方向。 第十一圖係為根據本發明之轉換影像色彩空間之方法 15 20之流程圖。本發明之轉換影像色彩空間之方法係為 一種用於轉換YUV芦势介+丄 谓色彩空間中分離色二:二了f，包含下列步驟：從 雖出Y刀I矩陣’餘留U及v分量矩 陣於色=空間内’步驟21;轉換分離後之Υ分量矩陣，進 仃刀=矩陣之第一矩陣旋轉計算，步驟U ;完成轉換後 之：分篁矩陣’步驟23;轉換分離後之U及V分量矩陣， 進行υ及V分量矩隍夕势 . 矩陣之第二矩陣旋轉計算，步驟24 ;完 成轉換後之U及V公旦& # , 里矩陣’步驟2 5 ;組合處理過後之γ 分量矩陣與處理過後之分量 轉換後之YUV色彩空間，步驟27。 4 θ取後’本發明提供一快速旋轉YUV影像方法，特別 疋用於YUV衫像系統。上述方法包含順時針旋轉演算 逆夺針方疋轉演异法、水平鏡射演算法、垂直鏡射演算 法。根據本發明之系統能被應用於一逐行倒相（PAL)標 準色彩系統及順序傳送色彩與記憶制彩色電視系統 SECAM ) &準“系統。本發明之優點係為直接旋轉一 YUV4:2:〇影像格式’誠如於細色彩空間中之旋轉方 因此’本發明之方法提供—於視訊系統中旋轉影像之 有效方法。 、然而僅說明及描述其較佳實施例，在不脫離本發明精 神與範圍内，凡熟悉此領域之技藝者，所做之更動或潤澤， 均屬於本發明所揭示精神下所完成之等效改變或設計，且 應包含在下述之申請專利範圍内。 【圖式簡單說明】

16 、 上述本發明之目的與另一之特色及優點，在閱讀下列 詳細之說明與附加圖式後將變得較為顯而易見，其尹： 第一圖係為一 yuv4··4··4圖素之概要圖式。八· 第二圊係為一 YUV4:2:2圖素之概要圖式。 第三圖係為一 YUV4:i:1圖素之概要圖式。 第四圖係為—YUV4.2.G圖素之概要圖式。 ^五圖係為—轉換卿格式影像之概要圓式。 第=ΐ為—本發明之影像顯示系統概要圖式。 像順^針式圖係為一根據本發明潰倒影 像逆時針旋要W圖係為—根據本發明爾4:2: 〇影 第九Α圖至第九3圖 像水平鏡射之概要圖式。 根據本發明YUV4:2:〇影 第十八圖至第十㈣ 像垂直鏡射之概要圖式。 根據本發明YUV4:2:〇影 第十一圖係為根摅 【主要元件符號說明】之影像轉換方法之流程圖。 1景々像顯示系統 2中央處理器 3顯示模組 4運算模組 5 έ己憶模組 6計算模組 17 13.21959 7輸入/輸出模組 * 20方法 ’ 501 6x4 RGB 影像 502 4x6 RGB 影像 701 6x4 YUV4:2:0 色彩空間 702旋轉後之Y分量矩陣 703最初之U及V分量矩陣 704、804旋轉後之U及V分量矩陣 705旋轉後之4x6 YUV4:2:0色彩空間 801最初之6x4 YUV影像 802 Y分量矩陣 803、901 U及V分量矩陣 902、1002水平鏡射YUV4:2:0影像 1001 U及V分量矩陣 18

Claims (1)

1321959 A A if 十、申請專利範圍： L 一種用於轉換YUV色彩空間之方法’該方法包含： 從該YUV色彩空間中分離出γ分量矩陣，餘留u及V 分量矩陣於該色彩空間内； 轉換該分離後之Y分量矩陣以完成一轉換後之Y分量 矩陣及轉換該U及V分量矩陣以完成一轉換後之u及 V分量矩陣；及 組合該轉換後之y分量矩陣與該轉換後之u及v分量 矩陣以獲得一轉換後之YUV色彩空間。 2.如申請專利範圍第"員之用於轉換Yuv M 方 =其中該Y分量矩陣藉由使用順時針旋轉演二轉

3.如申請專利範圍第2 法’其中該U及V分 法轉換。 1之用於轉換Yuv色彩空間方 置矩陣藉錢料時針旋轉演算 1項之用於轉換 量矩陣藉由使用逆 4.如申請專利範圍第 法，其中該γ分 換。 YUV色彩空間方 時針旋轉演算法轉 D. 如申請專利範圍第4 法，其中該分量轉換YUV色彩空間方 里矩陣错由使用順時針旋轉演^ 19 1321959 法轉換 6· 士申明專利fc圍第！項之用於轉換γυν色彩空間方 法八中肩γ分篁矩陣藉由使用鏡射演算法轉換。 士申"月專利1(1圍第6項之用於轉換γυν色彩空間方 法其中4U及V分量矩陣藉由使用鏡射演算法轉換。 8.如申請專利範圍第7項之用於轉換谓色彩空間方 鏡射演算法 法，其中該Y、U及V分量矩陣係使用水平 轉換。 9.如申請專利範圍第7項 、之用於轉換YUV色彩空間方 法，其中該Y、U及V分詈铝陆尨m 里矩陣係使用垂直鏡射演算法 轉換。

之方法’該方法包含： 丫分量矩陣，餘留U及V 10.—種用於轉換YUV色彩空間 從該YUV色彩空間中分離出 分量矩陣於該色彩空間内； ;及 之U及V 進行該Y分量矩陣之第一矩陣旋轉計瞀 進行該U及V分量矩陣之第二矩陣旋i 該處理過後之γ分量矩陣與該處理 77 ®矩陣以完成一轉換後之Yuv色彩空 20 ".如申請專利範圍ζ!±ί! 法，其中該第一矩 項之用於轉換γυν色彩空間方 計算，該第二旋轉矩灰轉計算係為—9G度順時針旋轉 算。 陣计算係為一 90度逆時針旋轉計 12.如申請專利範圍第 法，苴中哕筮▲ 、之用於轉換YUV色彩空間方 、T 4弟一矩陣 計算，該第二旋辕# ± °十^係為一 90度逆時針旋轉 算。 陣计异係為一 90度順時針旋轉計 13. 1 〇項之用於轉換 陣旋轉計算與該第 如申請專利範圍第 法，其中該第—矩 為一鏡射計算。 yuv色彩空間方 二旋轉矩陣計算係

14·如申請專利範 法，其中該第 圍第13項之料轉換YUV色彩空間方 二矩陣旋轉計算係進行垂直鏡射計算。 21