面向視頻應(yīng)用的擴(kuò)展色域YCC彩色空間—xvYCC標(biāo)準(zhǔn)簡介

溫 娜，徐 巖

（1.國家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100015；2.天津大學(xué)，天津 300072）

1 引言

以更大的色彩范圍實(shí)現(xiàn)真正自然和高清晰度的影像畫面是當(dāng)前視頻顯示的熱點(diǎn)。隨著顯示技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)展色域的產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，大部分都采用了IEC 61966-2-4《多媒體系統(tǒng)和設(shè)備-彩色測量與管理2-4：彩色管理-面向視頻應(yīng)用的擴(kuò)展色域YCC彩色空間-xvYCC》標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)用于視頻系統(tǒng)的YCC彩色編碼和交換，以及在規(guī)定的基準(zhǔn)攝取條件下規(guī)定編碼轉(zhuǎn)換的其他類似應(yīng)用。該標(biāo)準(zhǔn)對于進(jìn)行擴(kuò)展色域顯示應(yīng)用和研究具有重要意義。

2 標(biāo)準(zhǔn)介紹

標(biāo)準(zhǔn)主要分成5部分，包括引用標(biāo)準(zhǔn)，術(shù)語和定義，色度參數(shù)和相關(guān)特征，編碼轉(zhuǎn)換，附錄（本文略）。色度參數(shù)和相關(guān)特征章節(jié)中定義了基準(zhǔn)攝取設(shè)備的色度參數(shù)和相關(guān)特點(diǎn)。編碼轉(zhuǎn)換部分給出了xvYCC數(shù)值和CIE 1931 XYZ數(shù)值之間的編碼轉(zhuǎn)換方法，為顯示所攝取景物的最佳圖像彩色提供了依據(jù)。

IEC 61966-2-4標(biāo)準(zhǔn)引用了3個標(biāo)準(zhǔn)，分別是：1）IEC 60050-845:1987國際電工技術(shù)詞匯 （IEV）-845部分：亮度。2）ITU-R Rec.BT.601-5:1995， 面向標(biāo)準(zhǔn) 4∶3和寬屏16∶9幅型比的數(shù)字電視演播室編碼參數(shù)。3）ITU-R Rec.BT.709-5:2002，用于制作和國際間節(jié)目交換的高清晰度電視（HDTV）標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值。

標(biāo)準(zhǔn)文件應(yīng)用了下列術(shù)語和定義以及IEC60050-845 中的照度（illuminance），亮度（luminance），三刺激（tristimulus）和其他相關(guān)的光學(xué)術(shù)語。

1） 與景物有關(guān)的彩色編碼（scene-referred colour encoding）。表述原始景物估算的色空間坐標(biāo)，該景物定義為相對光譜輻射。

2） 與輸出有關(guān)的彩色編碼（output-referred colour encoding）。表述適合特定輸出設(shè)備和觀看條件的圖像數(shù)據(jù)估算的彩色空間坐標(biāo)。

3） 擴(kuò)展色域（extended gamut）。 超出IEC 61966-2-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的sRGB CRT顯示器色域的那部分色域。

4） 亮度（luma）。SMPTE/EG28:1993中定義的亮度信號。

2.1 色度參數(shù)和相關(guān)特征

色度參數(shù)和相關(guān)特征部分包括基色和基準(zhǔn)白、光電轉(zhuǎn)換特性、YCC（亮-色-色）編碼方法、數(shù)字量化方法。

2.1.1 基色和基準(zhǔn)白

表1給出標(biāo)準(zhǔn)紅、綠、藍(lán)基色的CIE色度以及CIE標(biāo)準(zhǔn)亮度D65基準(zhǔn)白的色度坐標(biāo)。這些基色和基準(zhǔn)白色度坐標(biāo)值與ITU-R BT.709.5相同。

表1 基色和基準(zhǔn)白的CIE色度坐標(biāo)

2.1.2光電轉(zhuǎn)換特性

光電轉(zhuǎn)換特性（即γ特性）定義如下

如果 R，G，B≥0.018

式中：R，G，B是用基準(zhǔn)白電平歸一化的電壓。正比于基準(zhǔn)攝像機(jī)彩色信道檢測到的光密度；R′，G′，B′是所得的非線性基色信號。

2.1.3 YCC（亮-色-色）編碼方法

從 RGB 基色信號 R′，G′，B′轉(zhuǎn)換為 YCC 信號 Y′，Cb′，Cr′的編碼方程有2種，在特定的應(yīng)用中使用其中一種。

xvYCC601，主要用于由ITU-R BT.601-5定義的SDTV（標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視）應(yīng)用，由下式定義

注：式中的系數(shù)是由ITU-R BT.601-5定義的，該標(biāo)準(zhǔn)將YCC中的Y′的取值精度定為小數(shù)點(diǎn)后3位，式（4）中取4位小數(shù)，是為了與本標(biāo)準(zhǔn)中定義的其他矩陣系數(shù)一致。

xvYCC709主要用于由ITU-R BT.709-5定義的HDTV（高清晰度電視）應(yīng)用，由下式定義

2.1.4 數(shù)字量化方法

YCC（亮-色-色）信號 Y′，Cb′，Cr′的量化由下式定義:

對8 bit量化表述為

注：式中round[]表示數(shù)字信號量化時，四舍五入取最接近的整數(shù)，與常見的int相當(dāng)，以下同。

注：“從 0 到 2N－8－1”和從“255×2N－8到 2N－1”（8 bit編碼情況下是0和255）的比特電平專用于同步信號，不能用來存儲彩色數(shù)值。 從“2N－8”到“255×2N－8－1”（8 bit編碼情況下是從 1 到 254）的電平可用于存儲彩色數(shù)值。

2.2 編碼轉(zhuǎn)換

xvYCC數(shù)值和CIE 1931 XYZ數(shù)值之間的編碼轉(zhuǎn)換為顯示所攝取景物的最佳圖像色彩提供了明確的方法。景物色度是相對于白色目標(biāo)定義的，并假定該白色目標(biāo)輻射被正確地控制（編者注：這里“白色目標(biāo)”類似演播室的“基準(zhǔn)白”照明條件，任何景物的色度坐標(biāo)（色調(diào)即主波長、色飽和度）都與基準(zhǔn)白色溫的選擇有關(guān)，基準(zhǔn)白色溫的選擇不同，色度坐標(biāo)不同）。應(yīng)說明的是：當(dāng)存儲寬動態(tài)范圍圖像時，需要動態(tài)范圍壓縮。另外，如果攝取設(shè)備的條件偏離前面規(guī)定的理想條件，也需要進(jìn)行諸如彩色補(bǔ)償，彩色校正和某些彩色色調(diào)的修正計(jì)算。然而，這些計(jì)算方法已超出了本標(biāo)準(zhǔn)范圍。

2.2.1 從xvYCC數(shù)值到CIE 1931 XYZ數(shù)值的轉(zhuǎn)換

對于 24 bit編碼 （8 bit/信道），8 bit數(shù)值和 Y′，Cb′，Cr′之間的關(guān)系由下式確定

對于 N bit/信道 （N>8），N bit數(shù)值和 Y′，Cb′，Cr′之間的關(guān)系由下式確定

對于 xvYCC601編碼， 非線性的 Y′，Cb′，Cr′數(shù)值被轉(zhuǎn)換成非線性的 R′，G′，B′數(shù)值，如下式所示

注：例如：非線性的 R′G′B′（601）的允許范圍可以由式（10），在－1.073 2和2.083 5之間計(jì)算。

對于 xvYCC709編碼， 非線性的 Y′，Cb′，Cr′數(shù)值轉(zhuǎn)換成非線性的 R′，G′，B′數(shù)值，如下式所示

注：例如：非線性的 R′G′B′（709）的允許范圍可以由式（10），在－1.120 6和2.130 5之間計(jì)算。

非線性的 R′，G′，B′數(shù)值可以轉(zhuǎn)換成線性的 R，G，B數(shù)值，如下式所示

如果 R′，G′，B′≤－0.081，則

如果－0.081＜R′，G′，B′＜0.081，則

如果 R′，G′，B′≥0.081，則

線性的R，G，B數(shù)值轉(zhuǎn)換為CIE 1931XYZ的數(shù)值，如下式所示

注：當(dāng)攝取設(shè)備壓縮比白還亮（例如：鏡白信號（Specular））的分量信號動態(tài)范圍時，壓縮的彩色將被顯示在基準(zhǔn)顯示器的高端范圍。此時，壓縮分量的XYZ三刺激數(shù)值表示修正的景物色度坐標(biāo)，而不是原始景物的色度坐標(biāo)。

2.2.2 從CIE 1931 XYZ數(shù)值到xvYCC數(shù)值的轉(zhuǎn)換

CIE1931 XYZ數(shù)值可被轉(zhuǎn)換成線性的R，G，B數(shù)值，如下式所示

在xvYCC編碼過程中，保留負(fù)的RGB三刺激值和比1.0大的RGB三刺激值。

線性的R，G，B數(shù)值轉(zhuǎn)換到非線性的R，G，B數(shù)值，如下式所示

如果 R，G，B≤－0.018，則

非線性的 R′，G′，B′和 xvYCC601之間的關(guān)系由下式規(guī)定

非線性的 R′，G′，B′和 xvYCC709之間的關(guān)系由下式規(guī)定

注：如果攝取設(shè)備能夠存儲比 238/219（或 1.086 758）大的 Y′值，此階段可以進(jìn)行動態(tài)范圍壓縮。

24 bit（8 bit/信道）編碼的xvYCC量化由下式規(guī)定

根據(jù)式（22），對于24 bit編碼，xvYCC數(shù)值被限制在從1到254范圍內(nèi)。

根據(jù)式（23），對于 N bit信道編碼，xvYCC數(shù)值被限制在從“2N-8”到“254×2N-8”范圍內(nèi)。