CN1238101A - 由彩色信号处理造成的亮度不足的补偿方法及设备 - Google Patents

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Abstract

在模拟电视***中，已知可以通过利用发送端补偿信号来补偿由于γ－前置补偿彩色信号的接收端低通滤波所引起的接收端亮度不足。这种用于亮度补偿的方法也可以被用于与调制解调图像编码方法(例如，MPEG)结合使用。一补偿信号从该解码后的彩色信号中导出，并被用于该亮度的编码中。为预测而的运动补偿的宏块基于相应的解码彩色信号以及被解码和补偿的亮度信号。

Description

由彩色信号处理造成的亮度不足的补偿方法及设备
本发明所涉及的是对由彩色信号处理造成的亮度不足的补偿方法及设备。
欧洲专利EP-A-0176093、德国专利DE-A-3516110和EP-A-0253218描述了利用补偿信号对由于在发射端对灰度失真的彩度信号进行低通滤波而造成的接收端亮度不足进行补偿的方法。这个方法仅能用在发射端，而且完成适合于现有设备。这就使高饱和彩色区的图像质量得到改善。
在现代图像编码方法MPEG-1(ISO/IEC11172)和MPEG-2(ISO/IEC13818)中，只有传输路径的接收端即解码器是标准化的。传输路径的发射端即译码器是非标准化的。必要的只是要保证译码器发射的位流能够被标准的解码器所解码。MPEG-2目前被用于数码电视信号的传输，所需的译码器的数量少，但所需的解码器的数量多。当MPEG-2编码器的成本使得消费者可以应用时，数码MPEG-2录像机就能够得到应用。为了能够兼容，标准化的位流必须被录入存储媒体(磁媒体或光媒体)，而适合于这些录像机的解码器必须遵从这一标准。这样，在用标准化的解码器再现图像时，由于编码器的不同会产生不同质量的图像，各译码器厂商之间的竞争就会逐渐形成。
本发明所基于的目的就是，从对信号的分量进行数字图像编码的角度，给出对由于对彩色信号进行处理造成的亮度不足进行补偿的方法。该目的是由权利要求1中所给出的方法实现的。本发明所基于的另一个目的就是给出应用与根据本发明的方法所需的设备。该目的是由权利要求6中所给出的设备实现的。
本发明已经认识到，上述的亮度补偿法可以方便地与现代的图像编码方法如MPEG-1和MPEG-2一起使用。这种补偿法所依据的原理是，图象中所包含的作为发射端的灰度前置补偿结果的亮度信息部分是分为两个彩色信号分量而被发射的。这一部分越大，各个色彩的亮度信号就越小而且它的彩色饱和也越大。这两个彩色信号分量中的第一个发生变化都将导致它们所发射的亮度信息的变化。例如，在前面所述的彩色电视发射标准中，这样的一个变化就是在发射之前对两个彩色信号分量进行的低通滤波。根据MPEG标准的图像信息的编码也是利用灰度前置补偿信号进行的。两个彩色信号分量由于偏离度减小而发生变化，而这是通过对DCT(离散余弦变换)-编码信号的值进行数字量化以及通过通常的低通滤波实现的。这种变化还将导致彩彩色信号分量中所包含的亮度信息的变化，而亮度信息的变化在对MPEG编码的视频信号进行再现的过程中是看得见的，特别是，象在严重饱和区出现的画面模糊，以及出现的亮度干扰信号那样。这种亮度干扰信号是按与量化噪声同样的形式显现出来的。
模拟电视标准中对亮度进行补偿的已知方法目前也可以有效地在按照MPEG标准对数码图像进行的编码中得到应用，以便改进图像的质量。为此，对彩色信号进行编码，然后再用译码器进行解码。从经过解码器的彩色信号中导出补偿信号以供在对亮度信号进行编码时使用。得到前置补偿的宏块就是基于这种同位解码的彩色信号以及经过解码和补偿的亮度信号。
总体上讲，源于本发明的这一方法包括以下步骤，即对由彩色信号处理造成的这种不足进行补偿：
一对一个像素区的彩色信号分量进行编码；
一从经过编码的彩色信号分量中获得该像素区的经过编码的彩色信号分量在编码器一端的模拟信号，该模拟信号将由接收器进行解码；
一用模拟的彩色信号分量和尚未编码的亮度信号来生成亮度补偿信号；
对各个像素区，对与亮度补偿信号相合并的亮度信号分量进行编码。
对本发明的这一方法的有益发展体现在相关的从属权利要求中。
总的来讲，本发明的对由于彩色信号的处理造成的亮度不足进行补偿的设备具有：
一第一个编码装置，用于对来自一个像素区的彩色信号分量进行编码；
接收经过编码的彩色信号分量并将该像素区的经过编码的彩色信号分量转换为编码器一端的模拟信号的装置，该模拟信号将由接收器进行解码；
补偿装置，用模拟的彩色信号分量和尚未编码的亮度信号来生成亮度补偿信号；
第二个编码器，为各个像素区，对与亮度补偿信号相结合的亮度信号进行编码。
对本发明的设备的有益发展体现在相关从属权利要求中。
本发明的典型实例将参照附图进行描述，在这些附图中：
图1示出常规的彩色电视发射***的原理；
图2示出一个MPEG编码器的方块图；
图3示出一个MPEG编码器的简化方块图，分为亮度信号和彩色信号分量两部分；
图4示出根据本发明的具有亮度补偿的MPEG编码器；
图5示出一个宏块的像素的概略图解，数据格式为4∶2∶2与4∶2∶0。
在下文中，首先对通常的PAL(逐行倒相)制式的模拟彩色电视发射***的相关部分进行描述，然后，出于对亮度补偿方法应用的需要，对MPEG编码方式进行介绍。
图1展示的是这样的一种常规的彩色电视发射方法的原理。在发射器TR中，被记录下来的光发射信号用它的标准彩色参数X1、Y1和Z1来表示，并且通过电视摄象机CAM的带有光电转换器FiR、FiG、FiB的三个理想滤光器被首先转换成与彩色参数R1、G1和B1相对应的三个电信号。
这些信号经三个前置补偿器I/γ的γ-前置补偿，生成彩色参数信号ER1、EG1和EB1，然后经/C矩阵转换器CMX转换，生成亮度EY1和两个彩色信号分量EU1和EV1。出于接收端的需要，这些信号还要经过一个装置CAT进行调整，以便进行编码和发射。
到达接收器REC的信号一般来讲同在接收端时的信号是不同的，因此用EY2、EU2和EV2来表示。在接收器REC中，向彩色参数信号ER2、EG2和EB2的转换是在/D矩阵转换器DMX中进行的，这些彩色参数信号被输送到图像再现管TU进行灰度补偿γ，然后作为R2、G2、B2信号，通过荧光材料PR、PG和PB来激活具有标准彩色参数X2、Y2、Z2的再现光发射信号。如果ER1、EG1和EB1向EY1、EU1和EV1转换与EY2、EU2和EV2向ER2、EG2和EB2转换，FiR、FiG、FiB中的滤光器和荧光物质PR、PG和PB，以及灰度前置补偿1/γ和灰度失真γ是分别互逆对应的，而且在转换中没有错误出现，则再现的标准彩色参数X2、Y2和Z2就会与记录下来的标准彩色参数X1、Y1和Z1相对应。使用一个亮度信号和两个彩色信号分量的目的在于利用亮度信号EY和分为两个彩色信号分量EU和EY的彩色信息来分别发射亮度信息(等亮度法)。然后由于灰度前置补偿，这种分离一般来讲是不会达到目的的。
根据MPEG-1或MPEG-2对视频信号进行编码大致可以分为三个步骤：
·进行动态补偿，以便能够更好地利用连续图像的冗余的时间相关性，
·接着以对DCT光谱参数进行量化的方式实现二维的DCT编码，以便对不恰当的组合进行换算。
·对经过适当分类、量化的DCT光谱参数和编码系数进行平均信息编码。
按照MPEG或者其它图像编码方法，如对于电视电话、数码相机和数码录像机来说，对视频信号进行编码也是通过同时发射一个亮度信号、两个彩色信号分量，和经过前置灰度补偿的彩色参数信号的方式来完成的。
如在图2和5中示出的那样，原始图像OP被分成多个宏块。在这种情况下，所谓的I区是内编码的，也就是说，与在时间上相邻的图像是无关的。对于所谓I图像的特殊情况而言，这也适用于图像的所有分区块。
对于非内编码区，首先在减法器S中求出从经过动态补偿的比较图像MCP中减去相应的块MCB而得到的差，然后，以DCT(离散余弦转换)方式将该差转换成谱域。光谱参数作为块类型(内编码/非内编码)和输出缓冲器BUF的函数进行量化。量化器Q量化的有效光谱分量越多，转换结果就比量化的有效光谱分量较少时更不精确，在某些情况下，所谓更重要的光谱分量被完全省略。这种量化将导致对彩色信号分量的光带的限制，这种情况通常是会出现的，并且其影响程度比对亮度信号的影响还要大，此外，还会导致信息量的减少以及视频信号EY、EU和EV的质量变糟。
上面提到的差值生成方法也可以通过指定一个全零块以作为经过动态补偿的比较块MCB的方式面应用于内编码块。所有的经过动态补偿的比较块加在一起可以被认为是经过动态补偿的比较图像MCP，而MCP是在减法器中S中从原始图像OP减得的。
经过量化的光谱值被巧妙地分类，然后进行无错的平均信息量编码处理ENC，输出的代码字被写入到缓冲存储器BUF。从这个缓冲存储器，数据作为MPEG数据流经过通往接收端的传输信道被发射出去。正如上面提到的，输出缓冲器的占用密度是衡量量化及其对应的反向量化的一个尺度。如果缓冲器有可能被充满，则量化过程就会被粗化，结果，生成的数据的数量就会变小。如果缓冲器有可能变空，则量化过程就会被细化，以便使生成的数据的数量变大。
经过动态补偿的比较图像MCP是在动态补偿电路MC中生成的MCP是以原始图像OP为基础生成的，考虑到由于对恰当组合进行换算造成的错误，MCP的生成还要基于经过相应的反向量化和反向DCT转换的量化器Q的输出信号。特别是，动态补偿必须准确地再现在接收端出现的图像，而且该图像在发射过程中没有出现数据错误。为此，反向量化Q-1和反向DCT转换DCT- 1也在编码器中进行。
由于上面提供到的灰度前置补偿，亮度信息被包含于两个彩色信号分量EU和EV中，更确切地说，包含的亮度信息越多，彩色就越饱和，而且相关的亮度信号的各自的亮度就越低。因此，彩色信号分量的改变将导致再现亮度的变化。正象从所提到的现行技术中了解到的那样，对于模拟电视信号而言，以兼容的方式对在发射端出现的这些错误进行补偿是可行的。这种措施可以改善图像的质量。如果未经补偿即可见到相同质量的图像，那么，增加彩色信号分量的允许错误值就是可行的。通过适当的参数选择，把图像质量的改善与较粗的量化结合起来也是可行的。
首先，必须求出将以彩色信号分量没有任何错误的面貌出现的亮度，即所谓的理想亮度Y理想：Y理想＝WRER1 γ＋WGEG1 γ＋WBEB1 γ                        (1)
这里，WR、WG和WB是分别与再现亮度相对应的三原色的系数。以下的值用于求得EBU的三原色含量：WR＝0.2219，WG＝0.7068，WB＝0.0713，            (2)
其中，γ是图像再管TU的灰度值。下面的适用于目前常用的显像管：
2.2≤γ≤2.8                                (3)
也可以通过方程(1)的如下替换式来求出理想的亮度Y理想：
                                            (4)
其中，CR、CG和CB是与亮度信号相对应的三原色信号的值的系数，而其中
CR＝0.299，CG＝0.587，CB＝0.114，           (5)
而且，KU和KV是两个彩色信号分量的系数，其中
KU＝0.493，而KV＝0.587。                    (6)
在亮度信号保持不变而彩色信号分量已经变化之后出现的实际亮度Y实 际可以用与关系式用与关系式(4)对应的方式求出：
Figure A9719986300092
                                            (7)
这里，EU2和EV2是已经改变的彩色信号分量。一般情况下，Y理想和Y实际的值对于每个像素来讲是不同的。这样，给发射端的亮度信号EY1加上一个补偿信号ΔEY以便使Y理想和Y实际更为接近就是可行的。作为这种加值处理的结果，应该应用以下公式计算：
Figure A9719986300093
                                           (8)
当γ≠1时，该关系式对ΔEY无解。然而，ΔEY可以象期望的那样，通过迭代法求出逼近值。
补偿信号ΔEY的第一个可能的估算值是：
Figure A9719986300101
                                           (9)
如果用估算值ΔEYS进行补偿应该是不适当的，则可以根据(8)利用迭代法求出具有理想精度的ΔEY。这里，ΔEYS可以作为起始值来使用。(7)和(8)显示，为了对由于处理彩色信号分量导致的亮度不足进行补偿，在发射端对已改变的彩色信号分量进行计算的同时，必须计算出再现的亮度Y实际。这一点在图像编码协议如MPEG中尤为重要，因为接收器接收到的图像无论如何都是在发射端再现的，即使该图像是在MPEG数据流的无差错发射中获得的。
图3用一个简化方块图展示了根据MPEG对一个像素区进行编码的序列。图像被分成一个个的原始块ORB，除了量化器Q的置位之外，在每个块中不恰当组合的换算相互之间是分别进行的。三个分量EY1，EU1和EV1的编码过程ENCB相互之间也是分别进行的。为了清晰起见，图中只绘出了一个块的编码过程。对于一个图像的所有块反复进行操作。用于三个分量中的每一个分量的经过处理的块PRB在所有情况下都是通过把反向DCT的输出信号与经过相应的动态补偿的比较块MCB结合起来而形成的。
然而，在使用本发明的亮度补偿法时，现在，相互独立地处理一个个的信号分量已不再可能了。相反，为了求出方程(7)的解，必须给出接收端的彩色信号分量EU2和EV2。因此，从时间顺序上看，对两个彩色信号分量的处理是在对亮度信号进行处理之前完成的。图4示出了信号处理的顺序。
理想亮度Y理想是在第一个计算装置DETYD中，例如通过方程式(4)从原始块ORB的信号值EY1、EU1和EV1中计算出来的。接着在经过动态补偿的块MCB的减法SY、SU、SV做完之后，如果合适的话，首先进行彩色信号分量的DCT(离散余弦转换)和Q(量化)。经过量化的光谱系数被送往平均信息量编码装置ENCB进行处理，ENCB也有一个缓冲器，它的占用率对量化器Q进行控制。块PRB存在于接收端而且，如上所述，它是进一步的动态补偿所必须的。为获得PRB的像素值，把由反向量化器Q-1和反向离散余弦转换装置DCT-1再现的差值信号EU2 D和EV2 D与经过动态补偿的比较块MCB相加。方程式(7)所要求的信号EU2和EV2就是通过这种方式获得的。这些信号与亮度信号EY1一起被用来在第二个计算装置DETYA中根据方程(7)求出实际亮度Y实际。Y理想与Y实际之间的差值是在第三个计算装置DETYA中求出来的，该差值用彩色信号分量的变化来描述再现端亮度的变坏，而彩色信号分量的变化是在对不恰当组合进行换算期间依据MPEG进行的。
为了对亮度的变坏进行补偿，补偿信号ΔEY也在第三个计算装置DETYY中算出，例如作为根据方程(9)求出的估算或者根据方程(8)求出的迭代值。在后一种情况，信号EY1、EU2和EV2还必须送往该方块以求出补偿信号ΔEY。在补偿信号ΔEY被算出之后，与差值亮度信号EY1 D相加。然后，以常规的方法对以这种方式获得的经过补偿的亮度信号EY1 D＋ΔEY进行MPEG编码。为获得存在于接收端的该块的亮度信号值，将经过动态补偿的比较块MCB的信号值EY V与在第二个加法器AY2中再现的信号EY2 D的值相加，继而形成信号EY2。
MPEG-2标准支持不同的数据格式，这些不同的数据格式共享的优点是，亮度信号的像素的数量一般来说同彩色信号分量的像素的数量是不相等的。例如，这些数据的格式是4∶2∶2和4∶2∶0。在第一种情况，在水平方向上与亮度信号的像素数量比较，彩色信号分量的像素数量只为它的一半，而在第二种情况，在水平和垂直方向，彩色信号分量的像素的数量都只为亮度信号的像素数量的一半。
图5以图解的方式示出了在一个关于亮度信号的16×16个像素的宏块中像素安排情况的例子。在4∶2∶2格式的情况下，彩色信号EU的16×8的像素值和彩色信号EV的16×8的像素值是与16×16亮度信号值相关联的。因此，在每种情况下，对于两个在水平方向上相邻的亮度信号的值而言，相关的彩色信号的值是相等的。与此相对应，在4∶2∶0格式中，在每种情况下，被安排在一个四边形中的四个亮度信号被分别赋予一个彩色信号的值EU和EV。
理想亮度和实际亮度必须参照与每个像素对应的亮度信号计算出来，而在这样做的时候，如上所述的彩色信号值的安排必须参与计算。
为避免可能出现的肉眼可见的梯形结构以及由此引致的数据流量的增加，所求出的补偿值可以在ENCB编码之前，在水平方向上再次进行后置滤波，还可以进行垂直方向的后置滤波，这与在4∶2∶0格式中相同。
据初步试验，在根据MPEG进行编码时，较低的数据流量会导致图像模糊和抑制效应，对于彩色和再现亮度方面均是如此。在某些情况下，在直接相邻的高饱和彩色区可见到明显的模糊现象。由于对彩色信号分量进行处理而引起的对再现亮度的影响是通过应用本发明的亮度补偿措施而加以避免的。剩下的对再现彩色的明显影响要小得多。然而，由于人对色彩的视觉的限制，这不会有太大的影响。
补偿信号ΔEY还要与实施亮度信号EY相加，结果，亮度信号的统计特性就可能出现变化。然而，作为结果，发射亮度信号所要求的数据容量最大只能增加10％，或者说以一个预定的数据流量进行发射，因此，再现亮度的信噪比只会稍有下降。
本发明还可用于所有其它的图像编码方法，只要从时间顺序上看，彩色信号分量的处理和再现能在亮度信号的处理和再现之前进行即可。除DCT之外，其它的转换方式也可以使用，例如按片断进行图像编码的方式。
已经考虑的应用领域的例子有：数码相机、数码录像机、MPEG-4、DVD(数字通用光盘)、DVB(数码视频广播)、DDS/Direc电视机和可视电话等。

Claims (8)

1.一种对由于采用正交转换编码/解码的图像数据压缩方式对彩色信号(EU1、EV1)进行处理而造成的亮度不足进行补偿(DETEY)的方法，其特征在于具有以下步骤：
对一个像素区(ORB)的彩色信号分量(EU1、EV1)进行编码(SU、SV、DCT、Q)；
从经过编码的彩色信号分量中获得该像素区(ORB)的经过编码的彩色信号分量(EU2、EV2)在编码器一端的模拟信号(Q-1、DCT-1、AU、AV)，该模拟信号将由接收器进行解码；
用模拟的彩色信号分量(EU2、EV2)和尚未编码的亮度信号(EY1 D)来生成(DETYD、DETYA、DETEY)亮度补偿信号(ΔEY)；
对于各个像素区，对亮度信号分量亮度补偿信号之和(EY1 D＋ΔEY)进行编码(DCT、Q)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中彩色信号分量的编码和亮度信号分量与亮度补偿信号之和(EY1 D＋ΔEY)的编码包括一个离散余弦变换(DCT)和一个量化过程(Q)，而其中经过编码的彩色信号分量(EU2、EV2)在编码器一端的模拟过程包括一个相应的反向量化过程(Q-1)和反离散余弦变换(DCT-1)，该模拟信号将由一个接收器进行解码。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，其中的编码方法符合MPEG-1或MPEG-2标准，或者是某一个其他的帧内/帧间或半帧内/半帧间编码方法。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，其中关于帧间或者半帧间的编码，一个原始像素区(ORB)和源于前一个图像的一个经过动态补偿的像素区(MCB)之间的各个差值信号(EY1 D、EU1 D、EV1 D)被输往离散余弦变换(DCT)。
5.根据权利要求1至4中的任一所述的方法，其特征在于，其中亮度补偿信号(ΔEY)的生成包括以下步骤：
通过将亮度信号分量(EY1)的像素值部分与源于各自的原始像素区(ORB)的两个彩色信号分量(EU1、EV1)的像素值部分相加的方式，或者通过将相应的RGB信号的像素值部分相加的方式，计算(DETYD)出Y理想值；
通过将来自各自的原始像素区(ORB)的亮度信号分量(EY1)的像素值部分与各自的经过模拟的彩色信号分量(EU2、EV2)相加的方式计算(DETYA)出Y实际值；
计算差值：
Figure A9719986300031
6.一种对由于采用正交转换编码/解码的图像数据压缩方式对彩色信号(EU1、EV1)进行处理而造成的亮度不足进行补偿(DETEY)的设备，其特征在于：
第一个编码器(SU、SV、DCT、Q)，用于对来自一个像素区(ORB)的彩色信号分量(EU1、EV1)进行编码；
装置(Q-1、DCT-1、AU、AV)，其接收经过编码的彩色信号分量，并将该像素区(ORB)的这一经过编码的彩色信号分量(EU2、EV2)转换为编码器一端的模拟信号，该模拟信号将由接收器进行解码；
补偿装置(DETYD、DETYA、DETEY)，用模拟的彩色信号分量(EU2、EV2)和尚未编码的亮度信号(EY1 D)来生成亮度补偿信号(ΔEY)；
第二个编码器(DCT、Q)，对于各个像素区，用于把亮度信号分量与亮度补偿信号相合并(EY1 D＋ΔEY)。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，其中第一个编码器包括一个离散余弦变换(DCT)部分和一个量化器(Q)，而且其中对经过编码的彩色信号分量在编码器一端的模拟信号(EU2、EV2)进行处理的装置包括一个相应的反向量化器(Q-1)和一个反离散余弦变换(DCT-1)部分，模拟信号将由一个接收器进行解码。
8.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于，其中第一、第二个编码器以及对经过编码的彩色信号分量在编码器一端的模拟信号进行处理的装置符合MPEG-1或MPEG-2标准。
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