[发明专利]一种矩阵运算实现色彩空间转换的方法及装置

说明书

本发明涉及一种实现色彩空间转换的方法及装置，特别是涉及一种使用少数矩阵运算实现数字化RGB到数字化YCbCr色彩空间讯号转换的方法及装置。

由於在Y(亮度)、Cb和Cr(色度)色彩空间的讯号比在R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)色彩空间的讯号具有可易於压缩以得到较低传输带宽及较低信息储存条件的结果的优点，从RGB到YCbCr的色彩空间转换在影像及映像应用中是经常被要求的。CCIR 601，其是由ComiteConsultalif International desRadiocommunications(CCIR)提出，建立下列用於从RGB色彩空间转换到YCbCr色彩空间的方程式：

Y=0.299R+0.587G+0.114B-----------(a.1)

Cb=0.564(B-Y)+128  -----------(a.2)

Cr=0.713(R-Y)+128  -----------(a.3)

色彩空间转换常常借助使用多个乘法器或者查表(look-up tables)来达到矩阵乘法运算，及通过结合其最终的分量乘积来完成该转换，而被实现。该矩阵乘法运算支配着运算效率及色彩空间转换装置的硬件复杂度。因此，矩阵乘法运算的数目是关系重大的。一个3×3的乘法矩阵是经常被使用於任何两个有三种色彩分量的色彩空间之间的转换。虽然该种乘法矩阵提供了弹性，然而实施它是相当昂贵的。

执行RGB到YCbCr色彩空间转换的方程式(a.1)至(a.3)，在一以往的色彩空间转换器首先需要执行三个矩阵乘法运算以得到该Y色彩讯号，而後，导出(B-Y)和(R-Y)色差讯号再执行两个矩阵乘法运算以分别得到该Cb和Cr色彩讯号。虽然该色彩空间转换器只需要五个牵涉相当简单的硬件的矩阵乘法运算，该色彩空间转换器的运算效率由於该矩阵乘法运算是在两运算阶段完成，所以是相当差的。 

为了增进该以往色彩空间转换器的运算效率，方程式(a.2)和(a.3)能够被展开，因此该Cb和Cr色彩讯号是完全与该R、G和B讯号有关：

Cb=-0.169R-0.331G+0.5B+128-----(b.1)

Cr=0.5R-0.419G-0.081B+128------(b.2)

然而，方程式(a.1)、(b.1)和(b.2)的实施需要九个矩阵乘法运算。虽然矩阵乘法运算的数目通过使用一算术右移运算来实现具有0.5的系数的两分量乘积而能够被减少到七，矩阵乘法运算的数目仍然是比方程式(a.1)至(a.3)的实现所需的多。

因此，本发明的目的在於提供一种使用少数矩阵运算实现数字化RGB至数字化YCbCr色彩空间讯号转换的方法及装置，具有经济效益的硬件实现及保持高运算效率的结果。

利用色彩分量讯号的系数之间互补的特性，该Y色彩讯号的转换方程式通过建构两个与任何两个R、G和B色彩讯号有关的色差讯号而能够被重新排列如下，以将矩阵乘法运算的数目从三个减少到二个：

Y=R+0.587(G-R)+0.114(B-R)--------(c.1)    

Y=G+0.299(R-G)+0.114(B-G)--------(c.2)

Y=B+0.299(R-B)+0.587(G-B)--------(c.3)

该Cb和Cr转换方程式能够类似地以相同的形式被重写如下，使其可以只用个矩阵乘法运算和一个算术右移运算：

Cb=0.5(B-G)+0.169(G-R)+128--------(d.1)

Cb=0.5(B-R)+0.331(R-G)+128--------(d.2)

Cb=0.5[(B-G)-0.338(R-G)]+128------(d.3)

Cb=0.5[(B-R)-0.662(G-R)]+128------(d.4)

Cr=0.5(R-G)+0.081(G-B)+128--------(e.1)

Cr=0.5(R-B)+0.169(G-R)+128--------(e.2)

Cr=0.5(R-G)-0.162(B-G)+128--------(e.3)

Cr=0.5(R-B)-0.838(G-B)+128--------(e.4)

如此，通过产生一组与R、G和B色彩讯号有关的色差讯号，以及通过选择适当的Y、Cb和Cr转换方程式，RGB到YCbCr色彩空间转换能够在一单一运算阶段中只利用四个矩阵乘法运算来被实现。因此，可以达到相当便宜且高效率的色彩空间转换。