TWI410953B - 色彩空間轉換電路及方法 - Google Patents

Description

色彩空間轉換電路及方法

本發明係有關於色彩空間轉換(color space conversion)，尤指一種色彩空間轉換電路及方法。

YCbCr與sRGB(standard RGB)為常用的標準色彩空間，在實際應用上，舉例來說，影像裝置(如數位攝影機或DVD播放器等)可輸出YCbCr格式之視訊訊號至顯示裝置(如數位電視等)，顯示裝置再將其轉換為sRGB格式，以進行顯示。在CCIR Recommendation 601規格中，Y(明度)、Cb及Cr(彩度)各以8個位元來編碼，其中Y的範圍為16~235，Cb、Cr的範圍各為16~240。在將YCbCr色彩空間轉換為sRGB色彩空間時，利用以下的轉換公式：

可得知紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)分量的範圍分別為0~1，以8位元來表示即為0~255的範圍。

由於消費者對視覺效果的要求日益提高，YCbCr色彩空間漸不敷使用，於是近年來，以YCbCr色彩空間為基礎，發展出xvYcc(eXtended Video YCC，或稱為x.v.Color)色彩空間，其色域為原YCbCr色彩空間的約1.8倍大，以提供更豐富的色彩表現。在xvYcc色彩空間中，若同樣以8位元來編碼，則Y、Cb及Cr的範圍各可擴大為1~254。若依照前述之轉換公式對此擴大的範圍進行轉換，則R、G、B分量的範圍也分別擴大為-17.46~277，如第1圖所示。然而，超出0~255的部分，即-17.46~0以及255~277的部分，並無法以8位元表示。習知技藝係將-17.46~0的部分皆捨棄而視為0，255~277的部分皆捨棄而視為255，使得xvYcc色彩空間之寬廣色域無法在sRGB色彩空間中充分表現，而無法提昇視覺效果。

有鑑於此，本發明之一目的，在於提供一種色彩空間轉換電路及方法，可在執行xvYcc色彩空間至sRGB色彩空間的轉換時，以簡化的電路設計，將超出sRGB色彩空間的部分，壓縮至sRGB色彩空間內，以提昇視覺效果。

本發明揭露一種色彩空間轉換電路，用以將一像素訊號從第一色彩空間轉換至第二色彩空間，第二色彩空間具有至少一色彩空間維度。該色彩空間轉換電路包含：轉換單元，用以產生像素訊號在該色彩空間維度上之像素分量，並於像素分量位於一壓縮區間時，對像素分量進行壓縮以輸出壓縮像素分量；其中，壓縮像素分量不超出第二色彩空間在該色彩空間維度上之涵蓋範圍。

本發明另揭露一種色彩空間轉換方法，包含下列步驟：接收一屬於第一色彩空間之像素訊號；產生像素訊號在第二色彩空間之色彩空間維度上之像素分量；以及當像素分量位於一壓縮區間時，對像素分量進行壓縮以輸出壓縮像素分量，其中壓縮像素分量不超出第二色彩空間在其色彩空間維度上之涵蓋範圍。

第2圖係本發明之色彩空間轉換電路20之一實施例的方塊圖，包含一暫存單元24及一轉換單元23。色彩空間轉換電路20可執行xvYcc色彩空間(下文簡稱xvYcc)至sRGB色彩空間(下文簡稱sRGB)的轉換。sRGB具有三個色彩空間維度，即紅色、綠色、藍色維度。sRGB在每個維度皆有一涵蓋範圍，該涵蓋範圍具有一下限值與一上限值(下文分別稱為第一下限值與第一上限值)，若以8位元來表示，分別為0與255。在將xvYcc轉換至sRGB時，xvYcc在紅色、綠色、藍色維度上亦各具一下限值及一上限值(下文分別稱為第二下限值與第二上限值)，若以8位元表示，分別為-17.46與277。因此，第二下限值小於第一下限值，第二上限值大於第一上限值。

暫存單元24可包含暫存器21與22。暫存器21儲存第一臨界值及第一斜率，暫存器22儲存第二臨界值及第二斜率，第一臨界值大於第二臨界值。暫存器21、22所儲存的這些參數可依實際需要來進行調整。轉換單元23耦接至暫存器21、22，可依據暫存器21、22所儲存之參數值，將一屬於xvYcc之輸入像素訊號，轉換為屬於sRGB的輸出像素訊號後輸出。在這個轉換過程中，轉換單元23先將輸入像素訊號轉換為sRGB之各個色彩空間維度上之像素分量，即紅色分量、綠色分量及藍色分量。接著，轉換單元23判斷每一像素分量的大小是否位於壓縮區間，若是，則進行壓縮；否則，不進行壓縮。換言之，壓縮區間代表需進行壓縮之像素值區間。於此實施例中，壓縮區間包含：下限與上限分別為第一臨界值與第二上限值的像素值區間，以及下限與上限分別為第二下限值與第二臨界值的像素值區間。因此，壓縮區間的大小可藉由改變第一臨界值或第二臨界值來調整。當任一像素分量(如紅色分量)大於第一臨界值且不大於第二上限值(如xvYcc在紅色維度上之上限值)時，轉換單元23對該像素分量執行第一壓縮動作以輸出第一壓縮像素分量，使得第一壓縮像素分量不高於第一上限值(如sRGB在紅色維度上之上限值)，且第一壓縮像素分量與該像素分量間為具有第一斜率之線性關係；當任一像素分量小於第二臨界值且不小於第二下限值時，轉換單元23對該像素分量執行第二壓縮動作以輸出第二壓縮像素分量，使得第二壓縮像素分量不低於第一下限值，且第二壓縮像素分量與該像素分量為具有第二斜率之線性關係；另一方面，轉換單元23對介於第一臨界值與第二臨界值間之任一像素分量，則不執行任何壓縮動作，直接輸出該像素分量。因此，在轉換單元23所輸出之輸出像素訊號中，紅色、綠色及藍色分量皆在sRGB的色域範圍內。

第3圖係顯示轉換單元23如何進行壓縮動作的示意圖，其中，輸入像素分量為第2圖之輸入像素訊號所轉換之紅色、綠色及藍色分量其中之一，輸出像素分量為第2圖之輸出像素訊號所包含之紅色、綠色及藍色分量其中之一。在第3圖中，當輸入像素分量大於第一臨界值且不大於第二上限值，或者，小於第二臨界值且不小於第二下限值時，會被壓縮以產生輸出像素分量，如此，原本超過sRGB色域範圍之像素分量即可壓縮在sRGB色域範圍內，以顯現不同層次的色彩，而不會被當成同一色彩來處理。舉例來說，260與270(皆超過255的上限)的紅色分量，在經過壓縮處理後，會呈現不同層次的紅色，而不會都被當成255的紅色來顯示。第3圖顯示了兩種壓縮方式，於此實施例中，一為曲線壓縮(curve compression)，另一為線性壓縮(linear compression)。較佳地，曲線壓縮依據Gamma曲線所產生，以符合人眼的視覺。或者，在本發明之色彩空間轉換電路20中，以線性壓縮的方式來逼近曲線壓縮，如此可降低電路成本，並達到與曲線壓縮非常近似的視覺效果。

於此實施例中，在第一臨界值與第二上限值間之斜線，其斜率為第一斜率，前述第一壓縮動作即依據第一斜率來執行線性壓縮，亦即：

輸出像素分量(即第一壓縮像素分量)=(輸入像素分量-第一臨界值)×第一斜率＋第一臨界值　式(1)

在第二臨界值與第二下限值間之斜線，其斜率為第二斜率，前述第二壓縮動作即依據第二斜率來執行線性壓縮，亦即：

輸出像素分量(即第二壓縮像素分量)=(輸入像素分量一第二臨界值)×第二斜率＋第二臨界值　式(2)

式(1)可視為在第一臨界值與第二上限值間執行線性內插(linear interpolation)，式(2)可視為在第二臨界值與第二下限值間執行線性內插。較佳地，轉換電路23包含內插電路(圖未顯示)，用以執行式(1)與式(2)之線性內插運算。

式(1)中，當輸入像素分量與第一壓縮像素分量分別為第二上限值及第一上限值時，若第一臨界值為已知，則第一斜率可藉由將第一臨界值、第一上限值及第二上限值代入式(1)而推導產生；若第一斜率為已知，則第一臨界值可藉由將第一斜率、第一上限值及第二上限值代入式(1)而推導產生。同理，式(2)中，當輸入像素分量與第二壓縮像素分量分別為第二下限值及第一下限值時，若第二臨界值為已知，則第二斜率可藉由將第二臨界值、第一下限值及第二下限值代入式(2)而推導產生；若第二斜率為已知，則第二臨界值可藉由將第二斜率、第一下限值及第二下限值代入式(2)而推導產生。因此，在此種情形下，暫存器21僅需儲存第一臨界值與第一斜率兩者其一，而暫存器22僅需儲存第二臨界值與第二斜率兩者其一，未儲存者可由推導產生，如此可節省記憶空間。

在另一具體實施例中，轉換單元23包含一查詢表(lookup table，圖未顯示)，用以儲存輸入像素分量及對應之輸出像素分量，其中，當輸入像素分量大於第一臨界值且不大於第二上限值時，對應之輸出像素分量為第一壓縮像素分量；當輸入像素分量小於第二臨界值且不小於第二下限值時，對應之輸出像素分量為第二壓縮像素分量；當輸入像素分量介於第一臨界值與第二臨界值時，對應之輸出像素分量即為原本之輸入像素分量。因此，轉換單元23可依據該查詢表，快速地執行第一壓縮動作與第二壓縮動作。

較佳地，對於xvYcc之輸入像素訊號經轉換所產生之紅色、綠色及藍色分量，轉換單元23可分別使用不同的臨界值與斜率，來執行前述之線性壓縮。這些不同的臨界值與斜率，可儲存於暫存器21、22中。

由於高清晰度多媒體介面(High-definition Multimedia Interface,HDMI)在其1.3版本的規格中開始支援xvYcc，本發明之色彩空間轉換電路20可適用於HDMI接收器，用以將HDMI接收器所接收之xvYcc格式的訊號，轉換為sRGB格式的訊號，在顯示裝置如數位電視上顯示。

第4圖係本發明之色彩空間轉換方法之一實施例的流程圖，用於第一色彩空間至第二色彩空間之轉換。該方法包含下列步驟：

步驟41：接收一屬於第一色彩空間之像素訊號。

步驟42：產生該像素訊號在第二色彩空間之各色彩空間維度上之像素分量。

步驟43：當任一色彩空間維度上之像素分量大於第一臨界值且不大於該像素分量之上限值時，對該像素分量執行第一壓縮動作以輸出第一壓縮像素分量，其中第一壓縮像素分量不高於第二色彩空間在該色彩空間維度上之上限值，且第一壓縮像素分量與該像素分量間為具有第一斜率之線性關係。

步驟44：當任一色彩空間維度上之像素分量小於第二臨界值且不小於該像素分量之下限值時，對該像素分量執行第二壓縮動作以輸出第二壓縮像素分量，其中第二壓縮像素分量不低於第二色彩空間在該色彩空間維度上之下限值，且第二壓縮像素分量與該像素分量間為具有第二斜率之線性關係。

步驟45：當任一色彩空間維度上之像素分量介於第一臨界值與第二臨界值之間時，直接輸出該像素分量。

前述步驟中，第一臨界值大於第二臨界值；任一色彩空間維度上之像素分量的上限值大於第二色彩空間在該色彩空間維度上之上限值；任一色彩空間維度上之像素分量的下限值小於第二色彩空間在該色彩空間維度上之下限值。

較佳地，第一色彩空間為xvYcc色彩空間，第二色彩空間為sRGB色彩空間，其包含紅色、綠色及藍色維度等三個色彩空間維度。第4圖之色彩空間轉換方法可施用於HDMI接收器。

較佳地，步驟43~45係依據一查詢表執行。該查詢表預先儲存步驟42所產生之不同大小的像素分量及步驟43~45所對應輸出之像素分量，即第一壓縮像素分量、第二壓縮像素分量或未經壓縮之原像素分量，如此可加快步驟43~45的執行速度。

以上所述係利用較佳實施例詳細說明本發明，而非限制本發明之範圍。凡熟知此項技藝人士皆能明瞭，可根據以上實施例之揭示而做出諸多可能變化，仍不脫離本發明之精神和範圍。

20．．．色彩空間轉換電路

21、22．．．暫存器

23．．．轉換單元

24．．．暫存單元

41~45．．．色彩空間轉換方法之一實施例的流程

第1圖係顯示YCbCr色彩空間與xvYcc色彩空間之相對大小的示意圖。

第2圖係本發明之色彩空間轉換電路之一實施例的方塊圖。

第3圖係顯示第2圖之轉換單元如何進行壓縮動作的示意圖。

第4圖係本發明之色彩空間轉換方法之一實施例的流程圖。

20．．．色彩空間轉換電路

21、22．．．暫存器

23．．．轉換單元

24．．．暫存單元

Claims (31)

1. 一種色彩空間轉換電路，包含：一轉換單元，用以將一像素訊號從一第一色彩空間轉換至一第二色彩空間，該第二色彩空間具有至少一色彩空間維度；其中，該轉換單元產生該像素訊號在該色彩空間維度上之一像素分量，並於該像素分量位於一壓縮區間時，對該像素分量進行壓縮以輸出一壓縮像素分量，使得該壓縮像素分量不超出該第二色彩空間在該色彩空間維度上之一涵蓋範圍；其中該轉換單元包含一查詢表，用以儲存該像素分量及對應之該壓縮像素分量；該轉換單元依據該查詢表對該像素分量進行壓縮。
2. 如申請專利範圍第1項所述之色彩空間轉換電路，其中當該像素分量位於該壓縮區間外時，該轉換單元直接輸出該像素分量。
3. 如申請專利範圍第1項所述之色彩空間轉換電路，其中該壓縮像素分量與該像素分量間為一線性關係。
4. 如申請專利範圍第3項所述之色彩空間轉換電路，更包含：一暫存單元，耦接至該轉換單元，用以儲存該線性關係之一斜率。
5. 如申請專利範圍第1或3項所述之色彩空間轉換電路，其中該壓縮區間之下限與上限分別為一第一臨界值與該像素分量之一上限值，該壓縮像素分量不高於 該涵蓋範圍之一上限值。
6. 如申請專利範圍第5項所述之色彩空間轉換電路，其中該像素分量之該上限值大於該涵蓋範圍之該上限值。
7. 如申請專利範圍第5項所述之色彩空間轉換電路，其中該壓縮像素分量係依據該像素分量、該第一臨界值及該線性關係之一斜率而決定。
8. 如申請專利範圍第5項所述之色彩空間轉換電路，更包含：一暫存單元，耦接至該轉換單元，用以儲存該第一臨界值。
9. 如申請專利範圍第5項所述之色彩空間轉換電路，其中該線性關係之一斜率係依據該第一臨界值、該像素分量之該上限值及該涵蓋範圍之該上限值而決定。
10. 如申請專利範圍第1或3項所述之色彩空間轉換電路，其中該壓縮區間之上限與下限分別為一第二臨界值與該像素分量之一下限值，該壓縮像素分量不低於該涵蓋範圍之一下限值。
11. 如申請專利範圍第10項所述之色彩空間轉換電路，其中該像素分量之該下限值小於該涵蓋範圍之該下限值。
12. 如申請專利範圍第10項所述之色彩空間轉換電路，其中該壓縮像素分量係依據該像素分量、該第二臨界值及該線性關係之一斜率而決定。
13. 如申請專利範圍第10項所述之色彩空間轉換電路， 更包含：一暫存單元，耦接至該轉換單元，用以儲存該第二臨界值。
14. 如申請專利範圍第10項所述之色彩空間轉換電路，其中該線性關係之一斜率係依據該第二臨界值、該像素分量之該下限值及該涵蓋範圍之該下限值而決定。
15. 如申請專利範圍第1項所述之色彩空間轉換電路，其中該第一色彩空間為xvYcc色彩空間，該第二色彩空間為sRGB色彩空間。
16. 如申請專利範圍第15項所述之色彩空間轉換電路，其中該色彩空間維度為紅色維度、綠色維度或藍色維度。
17. 如申請專利範圍第15項所述之色彩空間轉換電路，其中該色彩空間轉換電路適用於一高清晰度多媒體介面(HDMI)接收器。
18. 一種色彩空間轉換方法，包含：藉由一轉換單元接收一屬於一第一色彩空間之像素訊號；該轉換單元將該像素訊號從該第一色彩空間轉換至一第二色彩空間以產生該第二色彩空間之一色彩空間維度上之一像素分量；以及當該像素分量位於一壓縮區間時，該轉換單元對該像素分量進行壓縮以輸出一壓縮像素分量，使得該壓縮像素分量不超出該第二色彩空間在該色彩空間維度上之一涵蓋範圍； 其中該轉換單元包含一查詢表，用以儲存該像素分量及對應之該壓縮像素分量；該轉換單元依據該查詢表對該像素分量進行壓縮。
19. 如申請專利範圍第18項所述之色彩空間轉換方法，更包含：當該像素分量位於該壓縮區間外時，直接輸出該像素分量。
20. 如申請專利範圍第18項所述之色彩空間轉換方法，其中該壓縮像素分量與該像素分量間為一線性關係。
21. 如申請專利範圍第18或20項所述之色彩空間轉換方法，其中該壓縮區間之下限與上限分別為一第一臨界值與該像素分量之一上限值，該壓縮像素分量不高於該涵蓋範圍之一上限值。
22. 如申請專利範圍第21項所述之色彩空間轉換方法，其中該像素分量之該上限值大於該涵蓋範圍之該上限值。
23. 如申請專利範圍第21項所述之色彩空間轉換方法，其中該壓縮像素分量係依據該像素分量、該第一臨界值及該線性關係之一斜率而決定。
24. 如申請專利範圍第21項所述之色彩空間轉換方法，其中該線性關係之一斜率係依據該第一臨界值、該像素分量之該上限值及該涵蓋範圍之該上限值而決定。
25. 如申請專利範圍第18或20項所述之色彩空間轉換方法，其中該壓縮區間之上限與下限分別為一第二臨界值與該像素分量之一下限值，該壓縮像素分量不低於 該涵蓋範圍之一下限值。
26. 如申請專利範圍第25項所述之色彩空間轉換方法，其中該像素分量之該下限值小於該涵蓋範圍之該下限值。
27. 如申請專利範圍第25項所述之色彩空間轉換方法，其中該壓縮像素分量係依據該像素分量、該第二臨界值及該線性關係之一斜率而決定。
28. 如申請專利範圍第25項所述之色彩空間轉換方法，其中該線性關係之一斜率係依據該第二臨界值、該像素分量之該下限值及該涵蓋範圍之該下限值而決定。
29. 如申請專利範圍第18項所述之色彩空間轉換方法，其中該第一色彩空間為xvYcc色彩空間，該第二色彩空間為sRGB色彩空間。
30. 如申請專利範圍第29項所述之色彩空間轉換方法，其中該色彩空間維度為紅色維度、綠色維度或藍色維度。
31. 如申請專利範圍第29項所述之色彩空間轉換方法，其中該色彩空間轉換方法適用於一高清晰度多媒體介面(HDMI)接收器。