專利名稱：彩色信號色名編碼方法
技術領域：
本發明屬于彩色信號數字化處理技術領域。
在現有技術中，彩色信號數字編碼方法可歸納為二種一種是全信號編碼方法，它是將模擬電視信號直接數字化;另一種方法是分量編碼法，該方法是將彩色圖象信號分解為亮度信號和色差信號，分三路編碼，一路亮度編碼，二路色差編碼。
目前，模擬彩色電視信號的傳輸有多種不同制式“正交平衡調幅制””“NTSC”制;“順序傳送彩色與記憶制””“SECAN”制以及“逐行倒相制””“PAL”制等，這些制式的區別在于其行頻、場頻、彩色信號的處理方式有所不同，制式之間的相互轉換也比較麻煩，因此，全信號編碼方法僅僅作為一種過渡形式。
為統一數字電視的傳輸制式，國際無線電咨詢委員會在82年通過了關于電視演播中心數字電視信號編碼標準的601建議，該建議推薦以分量編碼取代全信號編碼方法，并確定625行/50場制式及525行/60場制式可以兼容的數字編碼方法參數;該建議的優點是這種規定有利于三種制式間的轉換，不足之處，是它分三路編碼，它比全信號編碼量大，這使傳輸、記錄都有不便。
利用人的視覺特性，可適當壓縮信號的編碼率。彩色信號可以利用三個基本物理量來表示，即“亮度”、“色調”、“飽和度”(“色調”與“飽和度”又稱色度)，而人的視覺對三個物理量的分辨力不相同，對不同配色的色調敏感度也不相同，例如黃綠區間最高，蘭紫區間最低;而對“飽和度”最不敏感;例如信號的亮度變化1-2%時，人們的視覺可分辨得出，色調變化2%時，人的視覺僅僅可以覺察，但飽和度變化10-20%時，人的視覺卻反映不出;飽和度又隨亮度變化而改變，如圖1a所示其中x表示飽和度，y表示亮度，其規律是在同一色調中飽和度為百分之百時只對應一個特定亮度值，當亮度低于或高于這個特定值時，飽和度都會減小;根據實驗人的視覺對顏色的分辨力與亮度有關，亮度高時，對顏色的分辨力強，亮度低時，對顏色的分辨力弱;在電視系統中，亮度最高時，色調為白色，亮度最低時，色調為黑色，如圖2所示，人的視覺對顏色的分辨能力與色調也有關，近于黃色(其波長為585nm米)和青綠色(其波長為485nm米)時，最為敏感，在可見光范圍內，人的視覺能辨別的顏色約為165種。
在彩色電視圖象中，亮度的變化是連續的，在數字化處理時，量化的級間差應小于人視覺的分辨閾值。色度的變化絕大多數是離散的，不連續的，有明顯界線。在數字化處理時，可以利用這種特性，壓縮編碼量;601建議中的色差編碼使用了和亮度編碼相同的量化級數，它是用一路8bit編碼傳送亮度信號，二路8bit編碼傳送色差信號，把亮度信號均分220級，飽和度信號均分為110級，色調分為690級，與亮度信號相比色調和飽和度分級過細，可進一步壓縮。
為克服分量(色差)編碼法的不足，本發明提出的彩色信號數字編碼方法-色名編碼法，是一種新的分量編碼法其特點是將彩色圖象信號分二路編碼，一路亮度編碼和一路色名編碼，相當于利用一路色名編碼取代了目前分量編碼中的二路色差編碼，減少了一路編碼，壓縮了編碼量約1/4-1/3。本方法與色差編碼法相比，另一優點是能對圖象進行“色度更換”這是色差編碼法無法實現的。
色名編碼法取代色差編碼法，適用于所有彩色信號數字化技術領域，包括彩色電視演播系統，衛星電視圖象傳輸系統，高清晰度電視系統，模擬分量編碼mac制傳輸系統，計算機圖象處理系統。
根據三基色原理，本方法是利用一組二進制代碼N1……Nn分別代表按不同比例混合的色度，也就是對每種常用的色度命名一個二進制數碼。實際上，這種方法是把國際照明協會推薦的色度圖中顯象管能顯示的顏色區域劃分為若干小區域，每個小區域代表一種色度，使用一個二進制數碼命名，定為色名編碼法。區域劃分方式可采取均勻劃分，也可采取非均勻劃分方式，為達到壓縮編碼量的目的，采用非均勻方式劃分，根據人眼視覺敏感特性劃分區間如表1、圖3所示，為3bit色名編碼示意圖表。
色名編碼法對信號的處理方式是將經過γ校正的視頻信號E′R、E′G、E′B和E′Y按照不同比例，以二進制數碼分別命名為亮度編碼及色名編碼。
如圖4所示，在信號發送端視頻信號經編碼器BM處理后，發送亮度編碼及色名編碼，接收端經譯碼器yM處理后，將接收到的亮度編碼乘以該色名編碼代表的相應參數，以還原出相應的視頻信號。對于模擬分量編碼mac制，只要把色名編碼轉化為模擬量進行編碼即可。
為增加特技效果，可以人為地進行色名代換，例如在保證膚色不變的情況下，改變服裝及環境的色度;或有目的的改變畫面中特指部分的色度，即“色度更換”，可靈活運用。
作為數字電視編碼方法，本發明盡可能的符合601建議，也采用8bit亮度編碼Y、8bit色名編碼N，bit數可根據需要增加或減少。亮度編碼Y也采取均勻量化方式，亮度編碼和色名編碼的取樣頻率符合601建議，色名編碼N采取非均勻量化方式，利用統計學方法，對電視圖象中常見到的色調飽和度進行統計分類，根據其出現的概率，選出概率較大的220個，進行色名標度。
在色調確定之后，由于飽和度與亮度之間的相關性，有多種不同的區間劃分方法，可結合
，如圖1a、1b、1c所示的等比例分區編碼法、等飽和度分區編碼法、菱形分區編碼法，等等。
結合
如下圖1亮度與黃色飽和度關系1a等比例分區編碼法圖1b等飽和度分區編碼法圖1c菱形分區編碼法圖2人眼光譜辨別閾圖33bit色名編碼色度圖示意4色名編碼法編碼、解碼原理5等比例分區編碼器電路6等比例分區解碼器電路7等飽和度分區編碼器電路8等飽和度分區解碼器電路9菱形分區解碼器電路圖以下對幾種編碼方法分別進行介紹一.等比例分區編碼法本方法的特點是以視頻信號E′R、E′G、E′B和E′Y的等比例劃分為分區原則，同區內比例相同，如圖1a所示，其色名編碼N表示如下參數kR＝0.299E′R/E′Y±mN kG＝0.587E′G/E′Y±mkB＝0.114E′B/E′Y±m式中m表示分區精度，取值為0-10%。
計算方式如N60%黃色E′Y＝0.299×100%+0.587×100%+0.114×40%＝0.9316kR＝0.299E′R/E′Y＝0.299/0.9316＝0.32
N kG＝0.587E′G/E′Y＝0.587/0.9316＝0.63kB＝0.114E′B/E′Y＝0.114×40%＝0.0456/0.9316＝0.05即 KR＝0.32N60%黃色 KG＝0.63KB＝0.05其余色調飽和度參照此方法轉換，實用中將十進制數轉換為二進制代碼，在編碼端根據已知的視頻信號E′Y、E′R、E′G、E′B編成相應的色名編碼N，在解碼端根據亮度編碼Y和色名編碼N代表的KR、KG、KB還原成為相應的視頻信號E′R、E′G、E′B。
E′R＝kR·E′y/0.299E′G＝kG·E′y/0.587E′G＝kG·E′y/0.114以60%黃色為例，當E′Y＝0.5時kR＝0.32N60% kG＝0.63kB＝0.05E′R＝0.32×0.5/0.299＝0.535E′G＝0.63×0.5/0.587＝0.536E′B＝0.05×0.5/0.114＝0.219這樣就依據視頻信號中的亮度信號E′Y和色名編碼N轉換為視頻信號E′R、E′G、E′B。
等比例分區編碼器電路原理如圖5所示，經過灰度校正的視頻信號E′Y、E′R、E′G調整在1VP-P(峰-峰值)送入輸入端3，E′R和E′G經過衰減，在同步控制器6的控制下，進入取樣保持器4，使0.299E′R和0.587E′G進入8位模數轉換器7、8，在轉換器的標準電壓端送入E′Y，將其轉換成為0.299E′R/E′Y和0.587E′G/E′Y二組8位二進制數碼，也就是kR和kG，經過編碼器14編成相應的色名編碼N，每種編碼代表一組kR、kG參數，由于kR+kG+kB＝1，可根據kR、kG求出kB。
為了符合601建議要求，留出00010000和11110000作為上下邊保護帶。
等比例分區解碼器其電路如圖6所示，8bit亮度編碼Y和8bit色名編碼N送入解碼器數據端16，亮度編碼Y經數模轉換器21，轉換成亮度信號E′Y，再送入數模轉換器22、23、24的標準電壓端，經譯碼器18把色名編碼N譯成kR、kG、kB三路8bit代碼，經過數模轉換器22、23、24運算放大器11、12、13，轉換為E′R、E′G、E′B，以上各步都在同步控制器6控制下與外電路保持同步。
二.等飽和度分區編碼法該方法的特點是按飽和度劃分區間，同區內飽和度相同。以60%飽和度黃色為例，如圖1b所示a點為暗飽和點，a點前飽和度隨亮度的增加而增加，過a點以后，亮度增加，飽和度不變，在這種方法中，色名編碼代表如下參數NYa、kRa、kGa、kBa其中Ya代表暗飽和點a點的亮度，相應的信號為E′YakRa＝0.299E′Ra/E′Ya±mkGa＝0.587E′Ga/E′Ya±mkBa＝0.114E′Ba/E′Ya±m式中m代表分區精度取值為0-10%。
以下以60%黃色為例計算各參數值，Ya為100%的黃色值×60%。
E′Ya＝(0.299×100%+0.587×100%)60%＝0.5316KRa＝0.299E′Ra/E′Ya＝0.337KGa＝0.587E′Ga/E′Ya＝0.663
KBa＝0即Ya＝0.5316N60%黃 KRa＝0.337KGa＝0.663KBa＝0其余色調飽和度參照此法轉換。
在編碼器端，根據已知的E′Y、E′R、E′G、E′B編成色名編碼N，其關系如下當E′Y≤E′Ya時KRa＝0.299E′R/E′Y±mKGa＝0.587E′G/E′Y±mKBa＝0.114E′B/E′Y±m當E′y＞E′yaKRa＝
/E′ya±mKGa＝
/E′ya±mKBa＝
/E′ya±m在解碼器端，根據已知的亮度編碼Y和色名編碼N代表的參數求出視頻信號E′R、E′G、E′B。
當E′y≤E′ya時E′R＝kRa·E′y/0.299E′G＝kGa·E′y/0.587E′B＝kBa·E′y/0.114當E′ya＜E′y時E′R＝[kRa·E′ya+0.299(E′y-E′ya)]/0.299E′G＝[kGa·E′ya+0.587(E′y-E′ya)]/0.587E′B＝[kBa·E′ya+0.114(E′y-E′ya)]/0.114
以下以60%黃色為例，計算視頻信號的數值設E′y＝0.7316Ya＝黃色100%×60%＝0.886×60%＝0.5316Ya＝0.5316N60%黃色 kRa＝0.337kGa＝0.663kBa＝0當E′y＞E′ya時E′R＝
/0.299＝0.799E′G＝0.800E′B＝0.200該分區方法的編碼器電路如圖7所示，經過灰度較正的視頻信號E′R、E′G、E′B送入編碼器輸入端5，經取樣保持器4，送入三路模數轉換器7、8、9，轉換為三路8位二進制代碼，經編碼器15編成220種色名編碼N，按規定留出上、下保護帶。
該分區方法的解碼器電路如圖8所示，將亮度和色名編碼送入解碼器的數據輸入端17，經譯碼器19，色名編碼N，分解成Ya、kRa、kGa、kBa四路8bit編碼;Y、Ya經過數模轉換器21、22轉換成模擬量后進入比較器10，進行比較，當E′Y＜E′Ya時K2接通，把E′Y送入數模轉換器23、24、25的標準電壓端，作為標準源，kRa、kGa、kBa送入數模轉換器23、24、25，轉換成為kRa·E′y、kGa·E′y、kBa·E′y，通過運算放大器11、12、13運算后輸出為E′R、E′G、E′B，當E′y＞E′ya時E′y和E′ya通過比較器10相減形成(E′y-E′ya)通過電阻衰減進入運算放大器11、12、13分別與kRa·E′ya、kGa·E′y、kBa·E′y，相加，在E′R、E′G、E′B輸出端有1V穩壓管，穩壓限幅，防止輸出過高。
編碼器和解碼器都在同步控制器6的控制下與外電路同步工作。
三.菱形分區編碼法該方法的特點在于，在a點前飽和度隨亮度增加而增加(a點為飽和度轉折點)，在a點后飽和度隨亮度增加而減小，如圖1c所示;確定a點的方法如下，本色百分之百飽和轉折點A，及與其相對應的互補色百分之百飽和點B之間連一直線，其余百分比飽和線與之相交的點，即為a點。
菱形分區編碼方法，色名編碼N代表如下參數Ya-代表轉折點a的亮度值E′Ya轉折點a以前的比值kRa＝0.299E′R/E′y±mN kGa＝0.587E′G/E′y±mkBa＝0.114E′B/E′y±m轉折點后的比值kRb＝(0.299E′R-kRa·E′Ya)/(E′y-E′Ya)±mN kGb＝(0.587E′a-kGa·E′Ya)/(E′y-E′Ya)±mkBb＝(0.114E′B-kBa·E′Ya)/(E′y-E′Ya)±m上式中m表示分區精度，取值0-10%下面以60%黃色為例，計算以上各式的取值。
Ya＝(黃色100%-蘭色100%)/2×60%+0.5＝(0.886-0.114)/2×60%+0.5＝0.7316根據等飽和度分區編碼方法各量之間的關系求出E′R、E′G、E′B的數值。
結果E′R＝0.8E′G＝0.8
E′B＝0.2kRa＝0.299E′R/E′Y＝0.299×0.8/0.7316＝0.327kGa＝0.587×0.8/0.7316＝0.642kBa＝0.114×0.2/0.7316＝0.031kRb＝(0.299-0.327×0.7316)/1-0.7316＝0.223kGb＝(0.587-0.642×0.7316)/1-0.7316＝0.437kBb＝(0.114-0.031×0.7316)/1-0.7316＝0.34其余色調飽和度均可以參照此方法計算。
在編碼端，根據視頻信號E′y、E′R、E′G、E′B編成色名編碼N，同樣在解碼端根據亮度編碼Y和色名編碼N還原出視頻信號。
當E′y≤E′ya時E′R＝kRa·Ey/0.299E′G＝kGa·Ey/0.587E′B＝kBa·Ey/0.114當E′y＞E′Ya時E′R＝[kRa·E′ya+kRb(E′y-E′ya)]/0.299E′G＝[kGa·E′ya+kGb(E′y-E′ya)]/0.587E′B＝[kBa·E′ya+kBb(E′y-E′ya)]/0.114以60%黃色為例，設E′y＝0.9時E′R＝
/0.299＝0.925E′G＝
/0.587＝0.925E′B＝
/0.114＝0.701編碼電路與等飽和度分區編碼器相似，只是在編碼器中，依照菱形編碼器的編碼公式進行轉換。解碼器原理如圖9所示，亮度編碼Y和色名編碼N送入其數據輸入端，經譯碼器20譯出相應的Ya、kRa、kGa、kBa、kRb、kGb、kBb等7路8bit數據碼，送入數模轉換器21、22，Y、Ya經轉換進入比較器10進行比較，當Y≤Ya時，K1接通，把亮度信號E′y送入轉換器23、25、27的標準電壓端，此時，由于比較器10輸出為負，E′y-E′ya為零，所以數模轉換器24、26、28無輸出，數模轉換器23、25、27的輸出經過運算放大器11、12、13運算后，輸出為E′R、E′G、E′B;當Y＞Ya時，K2接通，把E′ya送入數模轉換器23、25、27的標準電壓端，此時，比較器10輸出為E′y-E′ya，此電壓信號送入數模轉換器24、26、28的標準電壓端，各轉換器在運算放大器中相加，輸出為E′R、E′G、E′B輸出端設穩壓二極管限壓，防止輸出電壓過高。圖中29為1∶1運算放大器。
在電路工作中還需有同步控制器及寄存器等完成數據轉換及運算。
在以上方法中，為了壓縮編碼率，在不影響收視效果情況下，色名編碼N的數量盡量減少，為保證轉換精度，Ya、kR、kG、kB等參數，在轉換為二進制代碼時，量化級數可以盡量大，如用8bit，10bit等。
以上介紹了色名編碼方法的幾種實例，實際上使用色名編碼方法可設計出多種編碼方式，可制造出多種集成電路，也可以用計算機程序完序完成轉換。
權利要求
1.一種彩色信號色名編碼方法，其特征在于將彩色圖象信號分二路編碼，一路亮度編碼和一路色名編碼，利用一組二進制代碼N1……Nn分別代表按不同比例混合的色度；本方法對信號的處理方式是將經過灰度校正的視頻信號E′R、E′G、E′B和E′Y按照不同比例，以二進制數碼分別編碼。
2.根據權利要求1所述的彩色信號色名編碼方法，其特征在于采用8bit亮度編碼Y、8bit色名編碼N，亮度編碼Y采取均勻量化方式，色名編碼N采取非均勻量化方式。
3.根據權利要求1或2所述的彩色信號色名編碼方法，其特征在于采取等比例分區編碼方式特點是以E′R、E′G、E′B和E′Y的等比例為分區原則，同區內比例相同，色名編碼N表示如下參數kR＝0.299E′R/E′Y±mN kG＝0.587E′G/E′Y±mkB＝0.114E′B/E′Y±m式中m表示分區精度，取值為0-10%。將經過灰度校正的視頻信號E′Y、E′R、E′G調整在1VP-P(峰-峰值)送入編碼器輸入端，E′R和E′G經過衰減，在同步控制器6的控制下，進入取樣保持器4，使0.299E′R和0.587E′G進入8位模數轉換器7、8，在轉換器的標準電壓端送入E′Y，將其轉換成為二組8位二進制數碼，經過編碼器14編成相應的色名編碼N。在解碼端，亮度編碼Y和色名編碼N送入解碼器輸入端16，亮度編碼Y、經數模轉換器21，轉換成亮度信號E′Y，譯碼器18把色名編碼N譯成kR、kG、kB三路代碼，經過數模轉換器22、23、24、運算放大器11、12、13，轉換為相應視頻信號。
4.根據權利要求1或2所述的彩色信號色名編碼方法，其特征在于采取等飽和度分區編碼方式，該方法的特點是按飽和度劃分區間，同區內飽和度相同;在暗飽和點前飽和度隨亮度的增加而增加，過暗飽和點以后，亮度增加，飽和度不變，在這種方法中，色名編碼代表如下參數NYa、kRa、kGa、kBa其中Ya代表暗飽和點的亮度，相應的信號為E′YakRa＝0.299E′Ra/E′Ya±mkGa＝0.587E′Ga/E′Ya±mkBa＝0.114E′Ba/E′Ya±m式中m代表分區精度取值為0-10%;在編碼端經灰度較正的視頻信號E′R、E′G、E′B送入編碼器輸入端5，經取樣保持器4，送入三路模數轉換器7、8、9，轉換為三路二進制代碼，經編碼器15編成色名編碼N;在解碼端將亮度和色名編碼送入解碼器的數據輸入端17，經譯碼器19，分解成Ya、kRa、kGa、kBa四路編碼;Y、Ya經過數模轉換器21、比較器10、運算放大器11、12、13，轉換為相應視頻信號。
5.根據權利要求1或2所述的彩色信號色名編碼方法，其特征在于采取菱形分區編碼方式，該方法的色名編碼N代表如下參數Ya-代表轉折點a的亮度值E′YaN kRa＝0.299E′R/E′y±mkGa＝0.587E′G/E′y±m 轉折點a以前的比值kBa＝0.114E′B/E′y±mkRb＝(0.299E′R-kRa·E′Ya)/(E′y-E′Ya)±mkGb＝(0.587E′a-kGa·E′Ya)/(E′y-E′Ya)±m 轉折點后的比值kBb＝(0.114E′B-kBa·E′Ya)/(E′y-E′Ya)±m上式中m表示分區精度，取值0-10%;在編碼端，根據視頻信號E′y、E′R、E′G、E′B編成亮度與色名編碼N，同樣在解碼端根據亮度編碼Y和色名編碼N還原出視頻信號。
全文摘要
本發明屬于彩色信號數字化處理技術領域。本發明提出的彩色信號數字編碼方法—色名編碼法，是一種新的分量編碼法其特點是將彩色圖象信號分二路編碼，一路亮度編碼和一路色名編碼，相當于利用一路色名編碼取代了目前分量編碼中的二路色差編碼，壓縮了編碼量約1/4-1/3，本方法的另一優點是能對圖象進行“色度更換”。本方法適用于所有彩色信號數字化技術領域，包括彩色電視演播系統，衛星電視圖象傳輸系統，高清晰度電視系統，模擬分量編碼mac制傳輸系統，計算機圖象處理系統。
文檔編號H04N11/04GK1048642SQ9010432
公開日1991年1月16日 申請日期1990年6月18日 優先權日1990年6月18日
發明者陳長元 申請人:陳長元