专利名称：彩色信号色名编码方法
技术领域：
本发明属于彩色信号数字化处理技术领域。
在现有技术中，彩色信号数字编码方法可归纳为二种一种是全信号编码方法，它是将模拟电视信号直接数字化;另一种方法是分量编码法，该方法是将彩色图象信号分解为亮度信号和色差信号，分三路编码，一路亮度编码，二路色差编码。
目前，模拟彩色电视信号的传输有多种不同制式“正交平衡调幅制””“NTSC”制;“顺序传送彩色与记忆制””“SECAN”制以及“逐行倒相制””“PAL”制等，这些制式的区别在于其行频、场频、彩色信号的处理方式有所不同，制式之间的相互转换也比较麻烦，因此，全信号编码方法仅仅作为一种过渡形式。
为统一数字电视的传输制式，国际无线电咨询委员会在82年通过了关于电视演播中心数字电视信号编码标准的601建议，该建议推荐以分量编码取代全信号编码方法，并确定625行/50场制式及525行/60场制式可以兼容的数字编码方法参数;该建议的优点是这种规定有利于三种制式间的转换，不足之处，是它分三路编码，它比全信号编码量大，这使传输、记录都有不便。
利用人的视觉特性，可适当压缩信号的编码率。彩色信号可以利用三个基本物理量来表示，即“亮度”、“色调”、“饱和度”(“色调”与“饱和度”又称色度)，而人的视觉对三个物理量的分辨力不相同，对不同配色的色调敏感度也不相同，例如黄绿区间最高，兰紫区间最低;而对“饱和度”最不敏感;例如信号的亮度变化1-2%时，人们的视觉可分辨得出，色调变化2%时，人的视觉仅仅可以觉察，但饱和度变化10-20%时，人的视觉却反映不出;饱和度又随亮度变化而改变，如图1a所示其中x表示饱和度，y表示亮度，其规律是在同一色调中饱和度为百分之百时只对应一个特定亮度值，当亮度低于或高于这个特定值时，饱和度都会减小;根据实验人的视觉对颜色的分辨力与亮度有关，亮度高时，对颜色的分辨力强，亮度低时，对颜色的分辨力弱;在电视系统中，亮度最高时，色调为白色，亮度最低时，色调为黑色，如图2所示，人的视觉对颜色的分辨能力与色调也有关，近于黄色(其波长为585nm米)和青绿色(其波长为485nm米)时，最为敏感，在可见光范围内，人的视觉能辨别的颜色约为165种。
在彩色电视图象中，亮度的变化是连续的，在数字化处理时，量化的级间差应小于人视觉的分辨阈值。色度的变化绝大多数是离散的，不连续的，有明显界线。在数字化处理时，可以利用这种特性，压缩编码量;601建议中的色差编码使用了和亮度编码相同的量化级数，它是用一路8bit编码传送亮度信号，二路8bit编码传送色差信号，把亮度信号均分220级，饱和度信号均分为110级，色调分为690级，与亮度信号相比色调和饱和度分级过细，可进一步压缩。
为克服分量(色差)编码法的不足，本发明提出的彩色信号数字编码方法-色名编码法，是一种新的分量编码法其特点是将彩色图象信号分二路编码，一路亮度编码和一路色名编码，相当于利用一路色名编码取代了目前分量编码中的二路色差编码，减少了一路编码，压缩了编码量约1/4-1/3。本方法与色差编码法相比，另一优点是能对图象进行“色度更换”这是色差编码法无法实现的。
色名编码法取代色差编码法，适用于所有彩色信号数字化技术领域，包括彩色电视演播系统，卫星电视图象传输系统，高清晰度电视系统，模拟分量编码mac制传输系统，计算机图象处理系统。
根据三基色原理，本方法是利用一组二进制代码N1……Nn分别代表按不同比例混合的色度，也就是对每种常用的色度命名一个二进制数码。实际上，这种方法是把国际照明协会推荐的色度图中显象管能显示的颜色区域划分为若干小区域，每个小区域代表一种色度，使用一个二进制数码命名，定为色名编码法。区域划分方式可采取均匀划分，也可采取非均匀划分方式，为达到压缩编码量的目的，采用非均匀方式划分，根据人眼视觉敏感特性划分区间如表1、图3所示，为3bit色名编码示意图表。
色名编码法对信号的处理方式是将经过γ校正的视频信号E′R、E′G、E′B和E′Y按照不同比例，以二进制数码分别命名为亮度编码及色名编码。
如图4所示，在信号发送端视频信号经编码器BM处理后，发送亮度编码及色名编码，接收端经译码器yM处理后，将接收到的亮度编码乘以该色名编码代表的相应参数，以还原出相应的视频信号。对于模拟分量编码mac制，只要把色名编码转化为模拟量进行编码即可。
为增加特技效果，可以人为地进行色名代换，例如在保证肤色不变的情况下，改变服装及环境的色度;或有目的的改变画面中特指部分的色度，即“色度更换”，可灵活运用。
作为数字电视编码方法，本发明尽可能的符合601建议，也采用8bit亮度编码Y、8bit色名编码N，bit数可根据需要增加或减少。亮度编码Y也采取均匀量化方式，亮度编码和色名编码的取样频率符合601建议，色名编码N采取非均匀量化方式，利用统计学方法，对电视图象中常见到的色调饱和度进行统计分类，根据其出现的概率，选出概率较大的220个，进行色名标度。
在色调确定之后，由于饱和度与亮度之间的相关性，有多种不同的区间划分方法，可结合
，如图1a、1b、1c所示的等比例分区编码法、等饱和度分区编码法、菱形分区编码法，等等。
结合
如下图1亮度与黄色饱和度关系1a等比例分区编码法图1b等饱和度分区编码法图1c菱形分区编码法图2人眼光谱辨别阈图33bit色名编码色度图示意4色名编码法编码、解码原理5等比例分区编码器电路6等比例分区解码器电路7等饱和度分区编码器电路8等饱和度分区解码器电路9菱形分区解码器电路图以下对几种编码方法分别进行介绍一.等比例分区编码法本方法的特点是以视频信号E′R、E′G、E′B和E′Y的等比例划分为分区原则，同区内比例相同，如图1a所示，其色名编码N表示如下参数kR＝0.299E′R/E′Y±mN kG＝0.587E′G/E′Y±mkB＝0.114E′B/E′Y±m式中m表示分区精度，取值为0-10%。
计算方式如N60%黄色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%黄色 KG＝0.63KB＝0.05其余色调饱和度参照此方法转换，实用中将十进制数转换为二进制代码，在编码端根据已知的视频信号E′Y、E′R、E′G、E′B编成相应的色名编码N，在解码端根据亮度编码Y和色名编码N代表的KR、KG、KB还原成为相应的视频信号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%黄色为例，当E′Y＝0.5时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这样就依据视频信号中的亮度信号E′Y和色名编码N转换为视频信号E′R、E′G、E′B。
等比例分区编码器电路原理如图5所示，经过灰度校正的视频信号E′Y、E′R、E′G调整在1VP-P(峰-峰值)送入输入端3，E′R和E′G经过衰减，在同步控制器6的控制下，进入取样保持器4，使0.299E′R和0.587E′G进入8位模数转换器7、8，在转换器的标准电压端送入E′Y，将其转换成为0.299E′R/E′Y和0.587E′G/E′Y二组8位二进制数码，也就是kR和kG，经过编码器14编成相应的色名编码N，每种编码代表一组kR、kG参数，由于kR+kG+kB＝1，可根据kR、kG求出kB。
为了符合601建议要求，留出00010000和11110000作为上下边保护带。
等比例分区解码器其电路如图6所示，8bit亮度编码Y和8bit色名编码N送入解码器数据端16，亮度编码Y经数模转换器21，转换成亮度信号E′Y，再送入数模转换器22、23、24的标准电压端，经译码器18把色名编码N译成kR、kG、kB三路8bit代码，经过数模转换器22、23、24运算放大器11、12、13，转换为E′R、E′G、E′B，以上各步都在同步控制器6控制下与外电路保持同步。
二.等饱和度分区编码法该方法的特点是按饱和度划分区间，同区内饱和度相同。以60%饱和度黄色为例，如图1b所示a点为暗饱和点，a点前饱和度随亮度的增加而增加，过a点以后，亮度增加，饱和度不变，在这种方法中，色名编码代表如下参数NYa、kRa、kGa、kBa其中Ya代表暗饱和点a点的亮度，相应的信号为E′YakRa＝0.299E′Ra/E′Ya±mkGa＝0.587E′Ga/E′Ya±mkBa＝0.114E′Ba/E′Ya±m式中m代表分区精度取值为0-10%。
以下以60%黄色为例计算各参数值，Ya为100%的黄色值×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%黄 KRa＝0.337KGa＝0.663KBa＝0其余色调饱和度参照此法转换。
在编码器端，根据已知的E′Y、E′R、E′G、E′B编成色名编码N，其关系如下当E′Y≤E′Ya时KRa＝0.299E′R/E′Y±mKGa＝0.587E′G/E′Y±mKBa＝0.114E′B/E′Y±m当E′y＞E′yaKRa＝
/E′ya±mKGa＝
/E′ya±mKBa＝
/E′ya±m在解码器端，根据已知的亮度编码Y和色名编码N代表的参数求出视频信号E′R、E′G、E′B。
当E′y≤E′ya时E′R＝kRa·E′y/0.299E′G＝kGa·E′y/0.587E′B＝kBa·E′y/0.114当E′ya＜E′y时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%黄色为例，计算视频信号的数值设E′y＝0.7316Ya＝黄色100%×60%＝0.886×60%＝0.5316Ya＝0.5316N60%黄色 kRa＝0.337kGa＝0.663kBa＝0当E′y＞E′ya时E′R＝
/0.299＝0.799E′G＝0.800E′B＝0.200该分区方法的编码器电路如图7所示，经过灰度较正的视频信号E′R、E′G、E′B送入编码器输入端5，经取样保持器4，送入三路模数转换器7、8、9，转换为三路8位二进制代码，经编码器15编成220种色名编码N，按规定留出上、下保护带。
该分区方法的解码器电路如图8所示，将亮度和色名编码送入解码器的数据输入端17，经译码器19，色名编码N，分解成Ya、kRa、kGa、kBa四路8bit编码;Y、Ya经过数模转换器21、22转换成模拟量后进入比较器10，进行比较，当E′Y＜E′Ya时K2接通，把E′Y送入数模转换器23、24、25的标准电压端，作为标准源，kRa、kGa、kBa送入数模转换器23、24、25，转换成为kRa·E′y、kGa·E′y、kBa·E′y，通过运算放大器11、12、13运算后输出为E′R、E′G、E′B，当E′y＞E′ya时E′y和E′ya通过比较器10相减形成(E′y-E′ya)通过电阻衰减进入运算放大器11、12、13分别与kRa·E′ya、kGa·E′y、kBa·E′y，相加，在E′R、E′G、E′B输出端有1V稳压管，稳压限幅，防止输出过高。
编码器和解码器都在同步控制器6的控制下与外电路同步工作。
三.菱形分区编码法该方法的特点在于，在a点前饱和度随亮度增加而增加(a点为饱和度转折点)，在a点后饱和度随亮度增加而减小，如图1c所示;确定a点的方法如下，本色百分之百饱和转折点A，及与其相对应的互补色百分之百饱和点B之间连一直线，其余百分比饱和线与之相交的点，即为a点。
菱形分区编码方法，色名编码N代表如下参数Ya-代表转折点a的亮度值E′Ya转折点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转折点后的比值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表示分区精度，取值0-10%下面以60%黄色为例，计算以上各式的取值。
Ya＝(黄色100%-兰色100%)/2×60%+0.5＝(0.886-0.114)/2×60%+0.5＝0.7316根据等饱和度分区编码方法各量之间的关系求出E′R、E′G、E′B的数值。
结果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其余色调饱和度均可以参照此方法计算。
在编码端，根据视频信号E′y、E′R、E′G、E′B编成色名编码N，同样在解码端根据亮度编码Y和色名编码N还原出视频信号。
当E′y≤E′ya时E′R＝kRa·Ey/0.299E′G＝kGa·Ey/0.587E′B＝kBa·Ey/0.114当E′y＞E′Ya时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%黄色为例，设E′y＝0.9时E′R＝
/0.299＝0.925E′G＝
/0.587＝0.925E′B＝
/0.114＝0.701编码电路与等饱和度分区编码器相似，只是在编码器中，依照菱形编码器的编码公式进行转换。解码器原理如图9所示，亮度编码Y和色名编码N送入其数据输入端，经译码器20译出相应的Ya、kRa、kGa、kBa、kRb、kGb、kBb等7路8bit数据码，送入数模转换器21、22，Y、Ya经转换进入比较器10进行比较，当Y≤Ya时，K1接通，把亮度信号E′y送入转换器23、25、27的标准电压端，此时，由于比较器10输出为负，E′y-E′ya为零，所以数模转换器24、26、28无输出，数模转换器23、25、27的输出经过运算放大器11、12、13运算后，输出为E′R、E′G、E′B;当Y＞Ya时，K2接通，把E′ya送入数模转换器23、25、27的标准电压端，此时，比较器10输出为E′y-E′ya，此电压信号送入数模转换器24、26、28的标准电压端，各转换器在运算放大器中相加，输出为E′R、E′G、E′B输出端设稳压二极管限压，防止输出电压过高。图中29为1∶1运算放大器。
在电路工作中还需有同步控制器及寄存器等完成数据转换及运算。
在以上方法中，为了压缩编码率，在不影响收视效果情况下，色名编码N的数量尽量减少，为保证转换精度，Ya、kR、kG、kB等参数，在转换为二进制代码时，量化级数可以尽量大，如用8bit，10bit等。
以上介绍了色名编码方法的几种实例，实际上使用色名编码方法可设计出多种编码方式，可制造出多种集成电路，也可以用计算机程序完序完成转换。
权利要求
1.一种彩色信号色名编码方法，其特征在于将彩色图象信号分二路编码，一路亮度编码和一路色名编码，利用一组二进制代码N1……Nn分别代表按不同比例混合的色度；本方法对信号的处理方式是将经过灰度校正的视频信号E′R、E′G、E′B和E′Y按照不同比例，以二进制数码分别编码。
2.根据权利要求1所述的彩色信号色名编码方法，其特征在于采用8bit亮度编码Y、8bit色名编码N，亮度编码Y采取均匀量化方式，色名编码N采取非均匀量化方式。
3.根据权利要求1或2所述的彩色信号色名编码方法，其特征在于采取等比例分区编码方式特点是以E′R、E′G、E′B和E′Y的等比例为分区原则，同区内比例相同，色名编码N表示如下参数kR＝0.299E′R/E′Y±mN kG＝0.587E′G/E′Y±mkB＝0.114E′B/E′Y±m式中m表示分区精度，取值为0-10%。将经过灰度校正的视频信号E′Y、E′R、E′G调整在1VP-P(峰-峰值)送入编码器输入端，E′R和E′G经过衰减，在同步控制器6的控制下，进入取样保持器4，使0.299E′R和0.587E′G进入8位模数转换器7、8，在转换器的标准电压端送入E′Y，将其转换成为二组8位二进制数码，经过编码器14编成相应的色名编码N。在解码端，亮度编码Y和色名编码N送入解码器输入端16，亮度编码Y、经数模转换器21，转换成亮度信号E′Y，译码器18把色名编码N译成kR、kG、kB三路代码，经过数模转换器22、23、24、运算放大器11、12、13，转换为相应视频信号。
4.根据权利要求1或2所述的彩色信号色名编码方法，其特征在于采取等饱和度分区编码方式，该方法的特点是按饱和度划分区间，同区内饱和度相同;在暗饱和点前饱和度随亮度的增加而增加，过暗饱和点以后，亮度增加，饱和度不变，在这种方法中，色名编码代表如下参数NYa、kRa、kGa、kBa其中Ya代表暗饱和点的亮度，相应的信号为E′YakRa＝0.299E′Ra/E′Ya±mkGa＝0.587E′Ga/E′Ya±mkBa＝0.114E′Ba/E′Ya±m式中m代表分区精度取值为0-10%;在编码端经灰度较正的视频信号E′R、E′G、E′B送入编码器输入端5，经取样保持器4，送入三路模数转换器7、8、9，转换为三路二进制代码，经编码器15编成色名编码N;在解码端将亮度和色名编码送入解码器的数据输入端17，经译码器19，分解成Ya、kRa、kGa、kBa四路编码;Y、Ya经过数模转换器21、比较器10、运算放大器11、12、13，转换为相应视频信号。
5.根据权利要求1或2所述的彩色信号色名编码方法，其特征在于采取菱形分区编码方式，该方法的色名编码N代表如下参数Ya-代表转折点a的亮度值E′YaN kRa＝0.299E′R/E′y±mkGa＝0.587E′G/E′y±m 转折点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 转折点后的比值kBb＝(0.114E′B-kBa·E′Ya)/(E′y-E′Ya)±m上式中m表示分区精度，取值0-10%;在编码端，根据视频信号E′y、E′R、E′G、E′B编成亮度与色名编码N，同样在解码端根据亮度编码Y和色名编码N还原出视频信号。
全文摘要
本发明属于彩色信号数字化处理技术领域。本发明提出的彩色信号数字编码方法—色名编码法，是一种新的分量编码法其特点是将彩色图象信号分二路编码，一路亮度编码和一路色名编码，相当于利用一路色名编码取代了目前分量编码中的二路色差编码，压缩了编码量约1/4-1/3，本方法的另一优点是能对图象进行“色度更换”。本方法适用于所有彩色信号数字化技术领域，包括彩色电视演播系统，卫星电视图象传输系统，高清晰度电视系统，模拟分量编码mac制传输系统，计算机图象处理系统。
文档编号H04N11/04GK1048642SQ9010432
公开日1991年1月16日 申请日期1990年6月18日 优先权日1990年6月18日
发明者陈长元 申请人:陈长元