基于获取最宽可感知色域三基色的编码方案

摘要

本发明涉及数字电视、宽色域理论与技术。具体讲，涉及对应于ITU-R BT.1361基于获取最宽可感知色域三基色的编码方案，本发明采用的技术方案是：基于获取最宽可感知色域三基色的编码方案，使用遍历取点计算的方法，即令伽马校正输入信号LR、LG、LB分别在[-0.25，1.33]范围内随机取值，将每取一组值构造得到的彩色与舌型光谱曲线比较得到所有可感知彩色，并根据彩条信号的特点，经推导得到对应ITU-RBT.1361最宽可感知色域的三个基色，并导出基于前述最宽可感知色域的三个基色的编码实现方案。本发明主要用于彩色电视系统中兼容数据传输。

说明书

技术领域

本发明涉及数字电视、宽色域理论与技术。具体讲，涉及对应于ITU-R BT.1361基于获取最宽可感知色域三基色的编码方案。

技术背景

随着现代科技和工业的迅速发展，近年来多种新型显示器件和显示技术不断涌现，除传统的阴极射线管(CRT)外，液晶显示器(LCD)、等离子体显示器(PDP)、数字光学处理器(DLP)、硅基液晶显示器(LCoS)、发光二极管背光源液晶显示器(LED-LCD)等多种新型显示器件已实用化或已研制成功。在显示方式方面，除直视型外，前投影、背投影和激光投影显示等也已投入实用。这些新型高端显示器件和显示方式基于不同原理，采用不同材料、器件和技术，彩色还原能力在增强，性能在提高，一些“未来型”显示器还将涌现。另一方面消费市场对显示效果也有了越来越高的要求，仅仅提高清晰度已不能满足人们对真实再现场景的要求，彩色还原能力也在成为衡量显示器显示效果的重要指标。

目前通用的电视系统仍基于早年科技成果，按CRT特性选定系统参数，限制了自然界存在、人工能合成或计算机能产生，而又能被视觉感知、因而电视系统应传输和重现的色域宽度，使目前的色域覆盖率不足视觉能感受色域范围的40％。也不能满足卫星DTV(数字电视)、有线DTV和地面DTV开播，数字电视正在取代模拟电视，数字电视技术已用于电影制作和数字影院等的要求。而当代摄像和显像技术的进步、计算机和数字信号处理技术深入数字电视领域已使拓宽数字电视色域成为可能。鉴于此，构建宽色域电视系统的原理、宽色域电视信号的传输和重现方式等，已成为目前国际学术界的热点课题和相关产业界的新增长点，宽色域电视技术对于下一代数字电视编码、传输和接收显示会产生重大影响。

目前，相关国际标准化组织已相继制定出一些宽色域标准。其中，ITU-R BT.1361和IEC61966系列标准是面向数字视频系统的宽色域标准。前者以Pointer色域为目标色域，规定红绿蓝三基色伽马校正输入信号L_R、L_G、L_B的动态范围为[-0.25，1.33]，采用正负不对称的伽马校正曲线实现对宽色域视频信号的压缩。后者规范的xvYCC色空间对输入信号的幅度范围无限制，采用正负对称的伽马校正曲线，通过扩大可用量化范围的方法实现宽色域视频信号的传输。IEC 61966还对摄像机、CRT、LCD、PDP等的色彩管理分别制订了标准。

ITU-R BT.1361是针对视频系统的宽色域标准，以Pointer色域为目标色域，规定红绿蓝三基色伽马校正输入信号L_R、L_G、L_B的动态范围为[-0.25，1.33]。显然当信号L_R、L_G、L_B分别在该范围内随机取值时，所构造的某些颜色将会位于舌型光谱曲线之外，即为人眼不可见颜色。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于避免当信号L_R、L_G、L_B分别在该范围内随机取值时，所构造的某些颜色将会位于舌型光谱曲线之外，即为人眼不可见颜色，实现ITU-RBT.1361最宽可感知色域的传输与重显。

本发明采用的技术方案是：使用遍历取点计算的方法，即令红绿蓝三基色伽马校正输入信号L_R、L_G、L_B分别在[-0.25，1.33]范围内随机取值，将每取一组值构造得到的彩色与舌型光谱曲线比较得到所有可感知彩色，并根据彩条信号的特点，经推导得到对应ITU-R BT.1361最宽可感知色域的三个基色，并导出基于前述最宽可感知色域的三个基色的编码实现方案。

所述的令伽马校正输入信号L_R、L_G、L_B分别在[-0.25，1.33]范围内随机取值，将每取一组值构造得到的彩色与舌型光谱曲线比较得到所有可感知彩色是，取L_R、L_G、L_B的遍历步长为0.01，共测试159³种彩色，检测每种彩色是否位于舌型光谱曲线所包围的区域内，若在，则说明该彩色是人眼可感知彩色，记录该彩色并计算其在三维色空间L*u′v′中的u′v′坐标，白条和黑条分别对应于亮度信号E′_Y的最大值和最小值，蓝色和黄色信号分别对应于蓝色度信号E′_CB的最大值和最小值，而红色和青色则分别对应于红色度信号E′_CR的最大值和最小值，分别比较由范围[-0.25，1.33]限定的所有可感知颜色的亮度信号值和色度信号值，可得其最大和最小值，结果如表1所列：

表1.亮度和色度信号最大、最小值及对应的六种颜色及其色度坐标

根据表1中所示的结果，可得蓝、红基色及黄、青补色。

所述经推导得到对应ITU-R BT.1361最宽可感知色域的三个基色是，使用遍历取点计算的方法得到蓝、红基色及黄、青补色色度坐标，采用映射方法：首先在u′v′坐标系下分别确定对应于“E′_CB_max”的“蓝色”，对应于“E′_CB_min”的“黄色”，对应于“E′_CR_max”的“红色”，对应于“E′_CR_min”的“青色”，射线“蓝-青”和“红-黄”的交点即为“绿色”，而射线“绿-D65”和“蓝-红”的交点即为“品色”，由此，可得绿基色及其补色品色在u′v′坐标系中的坐标，计算所得数据分别为(0.1038，0.5830)和(0.3594，0.2717)，继续使用遍历方法，在[-0.25，1.33]范围内，分别找到与“绿色”(0.1038，0.5830)、“品色”(0.3594，0.2717)色度坐标相同的取值，于是得知这两种颜色的L_R、L_G、L_B值。

所述导出基于前述最宽可感知色域的三个基色的编码实现方案是，用上述最宽可感知色域的三个基色和光源的xyz色度坐标，导出的RGB空间到xyz空间的色空间转换矩阵如式(1)所示：

$\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}0.4545& 0.3147& 0.1822\\ 0.1665& 0.7857& 0.0478\\ 0.0082& 0.0097& 1.0715\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right)---\left(1\right)$

根据公式(1)，亮度和两个色度信号为：

$\left(\begin{array}{c}Y=0.1665R+0.7857G+0.0478B\\ R-Y=0.8335R-0.7857G-0.0478B\\ B-Y=-0.1665R-0.7857G+0.9522B\end{array}\right)---\left(2\right)$

用本发明所得新三基色，按配色比例，彩条信号如表3所示：

表3.新三基色彩条信号配色比

L_R、L_G、L_B经伽马校正对应成为E′_R、E′_G、E′_B。基于新三基色、用式(2)编码彩条信号，其亮度和两个色度分量信号如表4所示：

表4.按式(2)编码新三基色彩条信号所得亮度和色度信号

表4中E′_R-E′_Y信号的峰峰值为1.667，本发明确定信号E′_CR的压缩系数为1.667；

同理，信号E′_CB的压缩系数为1.9044；

基于上述分析及式(2)，本发明采用如编码方程式(3)所示编码得到传输信号E′_Y、E′_CB、E′_CR：

$\left(\begin{array}{c}{E}_Y^{\prime }=0.1665E_R^{\prime }+0.7857E_G^{\prime }+0.0478E_B^{\prime }\\ E_{\mathrm{CR}}^{\prime }=0.5E_R^{\prime }-0.4713E_G^{\prime }-0.0287E_B^{\prime }\\ E_{\mathrm{CB}}^{\prime }=-0.0874E_R^{\prime }-0.4126E_G^{\prime }+0.5E_B^{\prime }\end{array}\right)---\left(3\right)$

式(3)编码得到的基于新三基色的彩条信号的亮度和色度分量信号如表5所示：

表5.新三基色彩条信号式(3)编码所得亮度和色度分量信号

本发明按表5编码的亮度信号E′_Y的动态范围是[0，1]，色度信号E′_CB、E′_CR的动态范围是[-0.5，0.5]，此动态范围信号可用ITU-R BT.709给出的传统线性量化方法量化，E′_Y将会被量化至[16，235]，E′_CB、E′_CR将会被量化至[16，240]，在现行彩色电视系统中兼容传输。

本发明具有以下技术效果：

本发明基于ITU-R BT.1361、用遍历方法得到ITU-R BT.1361规定范围内的视频系统人眼可见最大色域，借助由三基色及其补色构成的彩条信号，导出了对应该宽色域的新三基色，进而给出了采用新三基色的亮度、色度信号编码实现。

附图说明

图1ITU-R BT.1361可实现的最宽色域及其与ITU-R B T.709常规色域的对比。

具体实施方式

本发明基于ITU-R BT.1361标准，推导出对应该标准的最宽可感知色域以及编码实现方案。

ITU-R BT.1361是针对视频系统的宽色域标准，以Pointer色域为目标色域，规定红绿蓝三基色伽马校正输入信号L_R、L_G、L_B的动态范围为[-0.25，1.33]。显然当信号L_R、L_G、L_B分别在该范围内随机取值时，所构造的某些颜色将会位于舌型光谱曲线之外，即为人眼不可见颜色。

为得到范围[-0.25，1.33]界定的最宽可感知色域，本发明使用遍历取点计算的方法，即令L_R、L_G、L_B分别在[-0.25，1.33]范围内随机取值，将每取一组值构造得到的彩色与舌型光谱曲线比较得到所有可感知彩色，并根据彩条信号的特点，经推导得到对应ITU-R BT.1361最宽可感知色域的三个基色，并导出基于新三基色的编码实现方案。

使用本发明提出的三基色及其编码方案，即可实现ITU-R BT.1361最宽可感知色域的传输与重显。

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

本发明在数据计算中取L_R、L_G、L_B的遍历步长为0.01，共测试159³种彩色，检测每种彩色是否位于舌型光谱曲线所包围的区域内。若在，则说明该彩色是人眼可感知彩色，记录该彩色并计算其在三维色空间L*u′v′中的u′v′坐标。测试结果表明，在总共159³种测试颜色中，有81.59％是人眼可感知颜色。

彩色电视系统基于三基色原理和相加混色原理，色度图上由三个基色限定的三角形区域即为彩色电视系统能够实现的最大色域。基于此设计的彩条信号普遍用于彩色电视系统设计和测试。通常彩条信号由红(R)、绿(G)、蓝(B)三个基色及其补色(青，品，黄)以及一个白条和一个黑条组成。在这八种颜色中，白条和黑条分别对应于亮度信号E′_Y的最大值和最小值，蓝色和黄色信号分别对应于蓝色度信号E′_CB的最大值和最小值，而红色和青色则分别对应于红色度信号E′_CB的最大值和最小值。基于上述分析，分别比较由范围[-0.25，1.33]限定的所有可感知颜色的亮度信号值和色度信号值，可得其最大和最小值，结果如表1所列。

表1.亮度和色度信号最大、最小值及对应的六种颜色及其色度坐标

表1给出了信号E′_Y、E′_CB、E′_CR的最大和最小值，它们对应的颜色及其u′v′坐标系中的色度坐标。根据表1中所示的实验结果，可得蓝、红基色及黄、青补色。

为得到另一个绿基色，本发明采用映射方法。首先在u′v′坐标系下分别确定对应于“E′_CB_max”的“蓝色”，对应于“E′_CB_min”的“黄色”，对应于“E′_CR_max”的“红色”，对应于“E′_CR_min”的“青色”，射线“蓝-青”和“红-黄”的交点即为“绿色”，而射线“绿-D65”和“蓝-红”的交点即为“品色”。这样，可得绿基色及其补色品色在u′v′坐标系中的坐标，计算所得数据分别为(0.1038，0.5830)和(0.3594，0.2717)。

由上述所得三基色限定的三角形区域即为遵循ITU-R BT.1361标准、基于三基色原理的视频系统可实现的最宽色域，如图1中点划线三角形所示，其色域覆盖率为60.65％。图1中还比较了ITU-R BT.709标准给出的常规色域，如图1中虚线三角形所示，其色域覆盖率为33.24％。

因用上述映射法在u′v′坐标系中找到的绿色和品色坐标不包含亮度信息，故尚不能根据其u′v′坐标得到这两种颜色的L_R、L_G、L_B值。为此，本发明继续使用遍历方法，在[-0.25，1.33]范围内，分别找到与“绿色”(0.1038，0.5830)、“品色”(0.3594，0.2717)色度坐标相同的取值，于是得知这两种颜色的L_R、L_G、L_B值。结果表明：与这两种颜色色度坐标对应，各有一组值。

综上所述，本发明导出的人眼可见，符合ITU-R BT.1361标准，具有最大信号动态范围，表征电视系统基色、补色和中性色的彩条信号参数如表2所示。

表2.人眼可见、符合ITU-R BT.1361标准、具有最宽色域的彩条信号参数

根据表2所列本发明导出、与ITU-R BT.1361对应、具有最宽感知色域的新三基色，本发明进一步提供了一种编码实现方法。这种方法基于该组新三基色，通过下列新的亮度和色度信号编码方程实现。

本发明以D65为光源，用上述新三基色和D65的xyz色度坐标，导出的RGB空间到XYZ空间的色空间转换矩阵如式(1)所示：

$\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}0.4545& 0.3147& 0.1822\\ 0.1665& 0.7857& 0.0478\\ 0.0082& 0.0097& 1.0715\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right)---\left(1\right)$

根据公式(1)，亮度和两个色度信号为：

$\left(\begin{array}{c}Y=0.1665R+0.7857G+0.0478B\\ R-Y=0.8335R-0.7857G-0.0478B\\ B-Y=-0.1665R-0.7857G+0.9522B\end{array}\right)---\left(2\right)$

用本发明所得新三基色，按配色比例，彩条信号如表3所示：

表3.新三基色彩条信号配色比

L_R、L_G、L_B经伽马校正成为E′_R、E′_G、E′_B。基于新三基色、用式(2)编码彩条信号，其亮度和两个色度分量信号如表4所示：

表4.按式(2)编码新三基色彩条信号所得亮度和色度信号

表4中E′_R-E′_Y信号的峰峰值为1.667，本发明确定信号E′_CR的压缩系数为1.667。同理，信号E′_CB的压缩系数为1.9044。

基于上述分析及式(2)，本发明采用如编码方程式(3)所示编码得到传输信号E′_Y，E′_CR，E′_CB：

$\left(\begin{array}{c}{E}_Y^{\prime }=0.1665E_R^{\prime }+0.7857E_G^{\prime }+0.0478E_B^{\prime }\\ E_{\mathrm{CR}}^{\prime }=0.5E_R^{\prime }-0.4713E_G^{\prime }-0.0287E_B^{\prime }\\ E_{\mathrm{CB}}^{\prime }=-0.0874E_R^{\prime }-0.4126E_G^{\prime }+0.5E_B^{\prime }\end{array}\right)---\left(3\right)$

式(3)编码得到的基于新三基色的彩条信号的亮度和色度分量信号如表5所示：

表5.新三基色彩条信号式(3)编码所得亮度和色度分量信号

本发明按表5编码的亮度信号E′_Y的动态范围是[0，1]，色度信号E′_CR、E′_CB的动态范围是[-0.5，0.5]。此动态范围信号可用ITU-R BT.709给出的传统线性量化方法量化，E′_Y将会被量化至[16，235]，E′_CR、E′_CB将会被量化至[16，240]，在现行彩色电视系统中兼容传输。

有益效果

现行通用的常规色域与人眼可见色域相距甚远，ITU-R BT.1361是面向数字视频系统的宽色域标准，以Pointer色域为目标色域，规定伽马校正输入信号的动态范围为[-0.25，1.33]，采用正负不对称的伽马校正曲线实现对宽色域视频信号的压缩。本发明基于ITU-R BT.1361、用遍历方法得到ITU-R BT.1361规定范围内的视频系统人眼可见最大色域，借助由三基色及其补色构成的彩条信号，导出了对应该宽色域的新三基色，进而给出了采用新三基色的亮度、色度信号编码实现。

采用本发明提出的新三基色和亮度、色度信号编码方程，可使数字电视系统传输色域的色域覆盖率约提高一倍，由现行常规色域的33.24％提至60.65％，实现ITU-R BT.1361允许信号动态范围的最大可感知色域，并使编码的亮度和色度信号得以在现行彩色电视系统中兼容传输。

将数字彩色电视系统的三基色定义为本发明提出的三基色，其色度坐标如表2所示。对输入宽色域彩色电视信号按ITU-R BT.1361规定的伽马校正方法进行非线性校正，然后按式(3)对校正后的基色信号进行模拟分量信号编码，得到亮度和色度信号，再经传统的数字编码，即可在现行彩色电视系统中兼容传输，使接收端得到的彩色电视信号的色域范围最大可达到60.65％。