TWI489442B

TWI489442B - Adaptive color space conversion system and method

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Publication number: TWI489442B
Application number: TW097112358A
Authority: TW
Original assignee: Sunplus Technology Co Ltd
Priority date: 2008-04-03
Filing date: 2008-04-03
Publication date: 2015-06-21
Also published as: US8174537B2; TW200943268A; US20090251487A1

Description

適應性色彩空間轉換系統及方法

本發明係關於色彩處理之技術領域，尤指一種適應性色彩空間轉換方法及系統。

市場上銷售的彩色影像設備(例如：電腦顯示器)大多使用RGB訊號作為色彩表現。由於習知彩色影像設備是依據CRT螢幕所能呈現的色域範圍來設計，故為了能讓週邊資訊產品能夠有一致性的色彩表現，於是便以電腦多媒體應用領域為中心，制定了一種所謂的標準紅藍綠(Standard RGB,sRGB)來當作資訊產品的標準色彩空間。

標準紅藍綠(sRGB)的規範是由HP和Microsoft共同提出。在標準紅藍綠的規範中，定義了顏色的標準條件以及編解碼交換模式。由於習知影像廣播內容的顏色範圍多考慮到CRT螢幕的色彩再現性，多以標準紅藍綠的規範作為基礎。

然而，由於顯示技術快速演進，標準紅藍綠的規範已無法滿足高畫質電視(High Definition TV,HDTV)環境下色彩的表現。對於色彩表現能力及需求比標準紅藍綠(sRGB)規格還大的顯示產品，因為這樣的限制，使得影像廣播內容只能達到標準紅藍綠(sRGB)的範圍，進而使得這些高階產品的色彩顯示特性無法充分的發揮。

針對上述問題，ICE 61966-2-4係針對於色彩空間所制定的新標準，簡稱xvYCC，俾能支援廣色域的色彩資訊。

xvYCC是在高畫質電視(HDTV)的條件下，因為要確保與標準紅藍綠(sRGB)的相容性，所以採用了ITU-R BT.709色域，來規範更寬廣的色域空間。在標準紅藍綠(sRGB)規範中，是利用0至1的範圍內來表現色彩，而在xvYCC的規範中，是利用-1至+1的範圍內來表現色彩，超過了標準紅藍綠(sRGB)規範中定義的色彩範圍。由於xvYCC規範相容於標準紅藍綠(sRGB)，而能夠讓目前包括電視等的影像輸出產品都能夠即使接受到xvYCC規範的影像內容，也可無誤的依照標準紅藍綠(sRGB)規範中的色域定義顯示影片顏色。

xvYCC規範與標準紅藍綠(sRGB)規範的YCbCr相比較，主要差異為範圍定義上的差別，圖1係一xvYCC規範與標準紅藍綠規範中的YCbCr示意圖。如圖1所示，斜線範圍為BT.709 RGB轉換到YCbCr時的範圍，也就是標準紅藍綠的YCbCr範圍。而xvYCC規範的YCbCr範圍則是延伸其舊有空間，如白色範圍所顯示，藉此延伸色彩空間的範圍。美國專利第7,271,812號公告揭露一色彩空間轉換的方法，以調整轉換前後的色彩空間。

然而，當xvYCC規範的YCbCr轉換回BT.709 RGB時，則會發生RGB值超出範圍的問題。習知方法係當遇到轉換後RGB值超出範圍時，將超出的值限制到最大與最小值，此種方法稱為硬式截波(hard clip)。圖2係一習知硬式截波方法的示意圖。以8位元為例，當超出255時，則限制在255，如小於0則限制在0。亦即，當RGB輸入值超出一門檻值(255)時，不論RGB輸入值為何都會限定成最大值(255)。當影像中像素的RGB值超出該門檻值時，經由硬式截波(hard clip)方法，則輸出的結果多為最大值(255)，這樣會使得影像內容的細節部份損失，也就是輸出的影像內容在細節部份的表現上較差。

針對上述問題，習知軟式截波(soft clip)則是當RGB輸入值超出一預設值時，利用另一條斜線來規範RGB輸入值及RGB輸出值的關係。圖3係一習知軟式截波方法的示意圖。如圖3所示，於軟式截波方法中，當RGB輸入值小於一第一門檻值(a)時，RGB輸入值與RGB輸出值的關係與硬式截波方法相同。當RGB輸入值大於一第一門檻值(a)且小於一第二門檻值(b)時，利用一條斜率較小的斜線來規範RGB輸入值及RGB輸出值的關係。藉此減少硬式截波方法中影像內容的細節部份損失的問題。

然而，軟式截波方法面對灰階影像時，由於影像被截波，而無法顯示灰階的最大值，而導致影像亮度減少，容易讓觀賞者的眼睛引起不愉悅的感覺，甚至誤以為色彩失真。由此可知，習知的軟式截波方法及系統仍有諸多缺失而有予以改善之必要。

本發明之目的係提供一種適應性色彩空間轉換系統及方法，以解決習知軟式截波方法無法顯示灰階的最大值的問題，同時減少讓觀賞者的眼睛引起不愉悅感覺的問題。

依據本發明之一特色，係提出一種適應性色彩空間轉換系統，其包含一色彩空間轉換裝置、一亮度適應性控制裝置、及一軟性截波裝置(Soft Clipper)。該色彩空間轉換裝置接收一第一色彩空間格式訊號，並將該第一色彩空間格式訊號轉換為一第二色彩空間格式訊號。該亮度適應性控制裝置耦合至該色彩空間轉換裝置，以依據一亮度值，而產生一增益值及一偏移值。該軟性截波裝置(Soft Clipper)連接至該色彩空間轉換裝置及該亮度適應性控制裝置，以依據該增益值及該偏移值對該第二色彩空間格式訊號進行截波，而產生一修正第二色彩空間格式訊號。

依據本發明之另一特色，係提出一種適應性色彩空間轉換方法，其包含：一色彩空間轉換步驟，其接收一第一色彩空間格式訊號，並將該第一色彩空間格式訊號轉換為一第二色彩空間格式訊號；一亮度適應性控制步驟，其依據一亮度值，以產生一增益值及一偏移值；一軟性截波步驟，其依據該增益值及該偏移值對該第二色彩空間格式訊號進行截波，以產生一修正第二色彩空間格式訊號。

請參見圖4，其係本發明適應性色彩空間轉換系統400的方塊圖，其包含一色彩空間轉換裝置410、一亮度適應性控制裝置420、及一軟性截波裝置(Soft Clipper)430。

該色彩空間轉換裝置410接收一第一色彩空間格式訊號，並將該第一色彩空間格式訊號轉換為一第二色彩空間格式訊號。當中，該第一色彩空間格式訊號可為亮度及色度訊號(YCbCr,YUV)，該第二色彩空間格式訊號為一RGB訊號，亦即紅(R)色訊號、綠(G)色訊號、藍(B)色訊號。

當該第一色彩空間格式訊號為亮度及色度訊號(YCbCr)時，該色彩空間轉換裝置410由下列矩陣公式，將該第一色彩空間格式訊號(YCbCr)轉換為一第二色彩空間格式訊號(RGB)：

該亮度適應性控制裝置420耦合至該色彩空間轉換裝置410，以依據一亮度值Y ，而產生一增益值gain _Y 及一偏移值offset _Y ，其中，該亮度值由該第二色彩空間格式訊號計算而得。

該亮度適應性控制裝置420依據下列公式以產生該亮度值Y ：Y =0.2126×R +0.7152×G +0.0722×B ，當中，Y 為該亮度值，R、G、B分別為該第二色彩空間格式訊號中的紅色訊號、綠色訊號、及藍色訊號。於其他實施例中，該亮度值Y 可直接使用該第一色彩空間格式訊號中的亮度訊號。

該亮度適應性控制裝置420依據下列公式，以計算該增益值：當中，rgb _max 為該第二色彩空間格式訊號的最大值，gain _Y 為該增益值，Y 為該亮度值，K 為一常數。當該修正第二色彩空間格式訊號為n位元時，K 為2ⁿ －1。

該亮度適應性控制裝置420又依據下列公式，以計算該偏移值：當中，offset _Y 為該偏移值。

由於該亮度適應性控制裝置420係依據該亮度值Y 來計算軟性截波裝置430的增益值gain _Y 及偏移值offset _Y ，故本發明的軟性截波裝置430不會像習知軟性截波裝置產生無法顯示灰階最大值的問題，而可克服習知軟性截波裝置產生影像亮度減少的現象。

該軟性截波裝置430連接至該色彩空間轉換裝置410及該亮度適應性控制裝置420，以依據該增益值gain _Y 及該偏移值offset _Y 對該第二色彩空間格式訊號(RGB )進行截波，而產生一修正第二色彩空間格式訊號(RGB _out )。

該軟性截波裝置430依據下列公式，以計算該修正第二色彩空間格式訊號：RGB _out =min(RGB ,RGB ×gain _Y +offset _Y )，當中，RGB _out 為修正第二色彩空間格式訊號，gain _Y 為該增益值，offset _Y 為該偏移值，RGB 為該第二色彩空間格式訊號。

本發明的該亮度適應性控制裝置420能依據亮度資訊(Y)來決定軟性截波的區域大小。圖5係本發明依據亮度資訊來改變軟性截波的對應方式之示意圖。當亮度值大於初始設定軟性截波的起始點a時，則改變所對應的輸入輸出關係。如圖5所示，當亮度值小於a、且R,G,B小於a時，則對應的關係則為C線段，當亮度值小於a、且R,G,B大於a時，則對應的關係則為A線段。如果亮度值Y大於a、且R,G,B小於亮度值Y時，則對應的關係則為C線段，如果亮度值Y大於a、且R,G,B大於亮度值Y時，則對應的關係則為B線段。也就是起始點的位置依照亮度不同而改變，亮度值小於a時起始點皆為a，亮度值大於a時起始點則為亮度值Y大小。此時，該亮度適應性控制裝置420能依據亮度資訊輸出不同增益值gain _Y 及偏移值offset _Y 。同時，該修正第二色彩空間格式訊號RGB _out 係取RGB 或RGB ×gain _Y +offset _Y 中之較小者，由於亮度值Y越大，軟性截波的起始點越大，所以當亮度值Y達到最大時，軟性截波的區域則為零，故本發明技術能保留灰階影像的亮度不受到軟性截波的影響而變小。

本發明技術主要針對該第二色彩空間格式訊號RGB 值發生溢位(Overflow)的情況。圖6係本發明軟性截波的示意圖。以該修正第二色彩空間格式訊號RGB _out 為8位元為例，該修正第二色彩空間格式訊號RGB _out 範圍定為0至255，由於該修正第二色彩空間格式訊號RGB _out 為8位元，該第二色彩空間格式訊號RGB 大於8位元，該第二色彩空間格式訊號RGB 較佳為9位元。軟性截波操作區域的起始點定為start_point。該起始點start_point為介於0至255的一個可設定值。該第二色彩空間格式訊號(RGB )可能出現的最大值定為rgb_max。其中rgb_max的大小為可調整的一個參數，其可以藉由xvYCC規範中的資訊來決定，或是統計一段時間的影像色彩內容而決定。

當亮度值Y 大於start_point時，軟性截波則開始依據亮度值Y 而產生不同的增益值gain _Y 及偏移值offset _Y 。首先亮度值Y 小於或等於start_point時，計算增益值gain _Y 及偏移值offset _Y 之算式如下：當中，start _point 為該起始點的值，rgb _max 為可調整的一個參數，舉例子而言，rgb _max 可為350。而亮度值Y 大於start_point時，計算增益值gain _Y 及偏移值offset _Y 之算式如下：

於實際設計該亮度適應性控制裝置420及該軟性截波裝置430時，首先設定參數start_point＝200，rgb_max＝350。該第二色彩空間格式訊號RGB 為BT.709規範的RGB，因此亮度值Y 的計算公式如下：Y ＝0.2126×R ＋0.7152×G ＋0.0722×B ，對於亮度值Y 的計算上也可以改用其他方式，只要能代表亮度資訊即可，例如：Y ＝(R ＋G +B )/3。該亮度值Y 亦可直接使用該第一色彩空間格式訊號中的亮度訊號。

該亮度適應性控制裝置420可以如上述使用公式以產生該增益值gain _Y 及該偏移值offse _tY 。該亮度適應性控制裝置420亦可利用查表(Look Up Table)以產生該增益值gain _Y 及該偏移值offset _Y 。圖7係本發明適應性色彩空間轉換系統400使用查表方法以產生增益值及偏移值的示意圖。

縱上所述，習知軟式截波方法並不考慮亮度的資訊，故習知軟式截波方法面對灰階影像時，無法顯示灰階的最大值，容易導致影像亮度減少。而本發明依據亮度資訊來改變軟性截波的對應方式，主要目的是改善色彩轉換時，當資料數值超出目標範圍大小時的調整，藉由不同的亮度值來調整軟性截波裝置430的增益值gain _Y 及偏移值offset _Y ，以獲得細節特徵的還原，如此可以對於灰階影像不會造成任何的損失，而達到保留影像細節的結果。同時對於xvYCC規範的影像內容，在輸出訊號於一般顯示裝置(不支援xvYCC色彩空間)時，能有保留影像細節的功效。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

400‧‧‧適應性色彩空間轉換系統

410‧‧‧色彩空間轉換裝置

420‧‧‧亮度適應性控制裝置

430‧‧‧軟性截波裝置

圖1係一xvYCC規範與標準紅藍綠(sRGB)規範中的YCbCr示意圖。

圖2係一習知硬式截波方法的示意圖。

圖3係一習知軟式截波方法的示意圖。

圖4係本發明適應性色彩空間轉換系統的方塊圖。

圖5係本發明依據亮度資訊來改變軟性截波的對應方式之示意圖。

圖6係本發明軟性截波的示意圖。

圖7係本發明適應性色彩空間轉換系統使用查表方法以產生增益值及偏移值的示意圖。

適應性色彩空間轉換系統‧‧‧400

色彩空間轉換裝置‧‧‧410

亮度適應性控制裝置‧‧‧420

軟性截波裝置‧‧‧430

Claims

一種適應性色彩空間轉換系統，其包含：一色彩空間轉換裝置，其接收一第一色彩空間格式訊號，並將該第一色彩空間格式訊號轉換為一第二色彩空間格式訊號；一亮度適應性控制裝置，耦合至該色彩空間轉換裝置，以依據一亮度值，進而產生一增益值及一偏移值；以及一軟性截波裝置，連接至該色彩空間轉換裝置及該亮度適應性控制裝置，依據該增益值及該偏移值對該第二色彩空間格式訊號進行截波，進而產生一修正第二色彩空間格式訊號；其中，該軟性截波裝置對該第二色彩空間格式訊號乘上該增益值後，產生一乘法值，該乘法值加上該偏移值，產生一修改第二色彩空間格式訊號，該軟性截波裝置由該該第二色彩空間格式訊號及該修改第二色彩空間格式訊號選擇較小者，而為該修正第二色彩空間格式訊號。
如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該第二色彩空間格式訊號為一RGB訊號。
如申請專利範圍第2項所述之系統，其中，該亮度適應性控制裝置依據下列公式，以計算該增益值，該亮度值小於或等於一起始點時，該增益值為：該亮度值大於該起始點時，該增益值gain _Y 為：當中，start_po int為該起始點之值，rgb_max 為該第二色彩空間格式訊號的最大值，gain _{start_point} 及gain _Y 為該增益值，Y 為該亮度值，當該修正第二色彩空間格式訊號為n位元時，K 為2ⁿ -1。
如申請專利範圍第3項所述之系統，其中，該亮度適應性控制裝置依據下列公式，以計算該偏移值，該亮度值小於或等於一起始點時，該偏移值為：該亮度值大於該起始點時，該偏移值為：當中，start_po int為該起始點之值，rgb_max 為該第二色彩空間格式訊號的最大值，offset _{start_point} 及offset _Y 為該偏移值，Y 為該亮度值。
如申請專利範圍第4項所述之系統，其中，該軟性截波裝置依據下列公式，以計算該修正第二色彩空間格式訊號：RGB _out =min(RGB ,RGB ×gain _Y +offset _Y )，當中，RGB _out 為該修正第二色彩空間格式訊號，gain _Y 為該增益值，offset _Y 為該偏移值，RGB 為該第二色彩空間格式訊號。
如申請專利範圍第4項所述之系統，其中，該增益值及該偏移值係經由一表格查表而產生。
如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該第一色彩空間格式訊號為一亮度與色度訊號。
如申請專利範圍第7項所述之系統，其中，該色彩空間轉換裝置由下列矩陣，將該第一色彩空間格式訊號轉換為該第二色彩空間格式訊號：
如申請專利範圍第2項所述之系統，其中，該亮度適應性控制裝置依據下列公式以產生該亮度值：Y =0.2126×R +0.7152×G +0.0722×B ，當中，Y 為該亮度值，R為該紅色訊號、G為該綠色訊號、B為該藍色訊號。
一種適應性色彩空間轉換方法，其係用用一高畫質電視，該方法包含：一色彩空間轉換步驟，其接收一第一色彩空間格式訊號，並將該第一色彩空間格式訊號轉換為一第二色彩空間格式訊號；一亮度適應性控制步驟，其依據一亮度值，以產生一增益值及一偏移值；以及一軟性截波步驟，其依據該增益值及該偏移值對該第二色彩空間格式訊號進行截波，以產生一修正第二色彩空間格式訊號；其中，該軟性截波步驟對該第二色彩空間格式訊號乘上該增益值後，產生一乘法值，該乘法值加上該偏移值，產生一修改第二色彩空間格式訊號，該軟性截波步驟由該該第二色彩空間格式訊號及該修改第二色彩空間格式訊號選擇較小者，而為該修正第二色彩空間格式訊號；以及其中，該色彩空間轉換步驟、該亮度適應性控制步驟、及該軟性截波步驟係在該高畫質電視中實施(implement)。
如申請專利範圍第10項所述之方法，其中於該色彩空間轉換步驟中，該第二色彩空間格式訊號為一RGB訊號。
如申請專利範圍第11項所述之方法，其中，該亮度適應性控制步驟依據下列公式，以計算該增益值，該亮度值小於或等於一起始點時，該增益值為：該亮度值大於該起始點時，該增益值為：當中，start_po int為該起始點之值，rgb_max 為該第二色彩空間格式訊號的最大值，gain _{start_point} 及gain _Y 為該增益值，Y 為該亮度值，當該修正第二色彩空間格式訊號為n位元時，K 為2ⁿ -1。
如申請專利範圍第12項所述之方法，其中，該亮度適應性控制步驟依據下列公式，以計算該偏移值，該亮度值小於或等於一起始點時，該偏移值為：該亮度值大於該起始點時，該偏移值為：當中，start_po int為該起始點之值，rgb_max 為該第二色彩空間格式訊號的最大值，offset _{start_point} 及offset _Y 為該偏移值，Y 為該亮度值。
如申請專利範圍第13項所述之方法，其中，該軟性截波步驟依據下列公式，以計算該修正第二色彩空間格式訊號：RGB _out =min(RGB ,RGB ×gain _Y +offset _Y )，當中，RGB _out 為該修正第二色彩空間格式訊號，gain _Y 為該增益值，offset _Y 為該偏移值，RGB 為該第二色彩空間格式訊號。
如申請專利範圍第13項所述之方法，其中，該增益值及該偏移值係經由一表格查表而產生。
如申請專利範圍第10項所述之方法，其中於該色彩空間轉換步驟中，該第一色彩空間格式訊號為一亮度與色度訊號。
如申請專利範圍第16項所述之方法，其中，該色彩空間轉換步驟由下列矩陣，將該第一色彩空間格式訊號轉換為該第二色彩空間格式訊號：
如申請專利範圍第11項所述之方法，其中，該亮度適應性控制步驟依據下列公式以產生該亮度值：Y =0.2126×R +0.7152×G +0.0722×B ，當中，Y 為該亮度值，R為該紅色訊號、G為該綠色訊號、B為該藍色訊號。