用于減少經(jīng)壓縮及經(jīng)解壓縮數(shù)字圖像及視頻的顯示中的可見偽影的系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的實(shí)施例涉及圖像處理，且更特定來(lái)說(shuō)涉及改進(jìn)現(xiàn)有圖像及視頻壓縮方法 的感知質(zhì)量及/或效率。
【背景技術(shù)】
[0002] 實(shí)現(xiàn)良好圖像及視頻壓縮效率需要選擇緊密逼近人類視覺系統(tǒng)（下文中，HVS)的 差分敏感性的圖像色彩及亮度的符號(hào)表示;否則，譯碼速率被浪費(fèi)，如以引用的方式并入本 文中的瓊L.米切爾（Joan L.Mitchell)等人的"MPEG視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)（MPEG Video Compression Standard)"（查普曼與霍爾有限責(zé)任公司，倫敦，英國(guó)，1996)中所描述。由于 HVS的感知機(jī)制是復(fù)雜且非線性的，因此用于視頻及圖像壓縮、發(fā)射及顯示的色彩系統(tǒng)及色 彩空間的設(shè)計(jì)遭受準(zhǔn)確度及精確度對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜性及實(shí)際實(shí)施方案的折衷。
[0003] 國(guó)際照明委員會(huì)（通常縮寫為CIE ( Commi ss ion internat i onaI e de 1 ' eclairage))色彩空間（下文中"CIE1931XYZ"）提出基于人類色彩感知的粗略測(cè)量而產(chǎn)生色 彩空間的第一次嘗試（即，1931指的是出版年代）<XIE1931XYZ用于基于JPEG2000的編解碼 器系統(tǒng)（例如數(shù)字電影封包所使用的那些系統(tǒng)，如"數(shù)字電影系統(tǒng)規(guī)范版本1.2與勘誤表" (DCI，LLC，2012年10月10日）中所規(guī)定）中，但其在其它方面由于其復(fù)雜性及對(duì)由系統(tǒng)實(shí)施 者（或終端用戶）提供標(biāo)準(zhǔn)照明與三色刺激值的需要而未廣泛用于視頻發(fā)射系統(tǒng)中。盡管 CIE1931XYZ有對(duì)HVS的色彩感知敏感性的良好逼近，但CIE1931XYZ遠(yuǎn)不是HVS對(duì)色彩差異的 敏感性的完美表示-即便其中使所需三色刺激值及照明值保持恒定-作為對(duì)HVS及其感知敏 感性的調(diào)查及仔細(xì)測(cè)量的結(jié)果而獲得的知識(shí)，如國(guó)際色彩聯(lián)盟，"規(guī)范ICC. 1:2004-10(特性 文件(profi Ie)版本4.2.0.0)圖像技術(shù)色彩測(cè)量-架構(gòu)、特性文件格式及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（Image technology colour management-Architecture,profile format,and data structure)'' (2006)(其引用的方式并入本文中）中所描述。
[0004] 在CIE1931XYZ之后且隨著后來(lái)彩色電視的出現(xiàn)及標(biāo)準(zhǔn)化，在1953年開發(fā)照度(Y)、 同相（I)、正交(Q)色彩空間（下文中，"YIQ色彩空間"）主要作為用以在頻帶嚴(yán)重受限的發(fā)射 及接收制度中將彩色信號(hào)編碼的方式。盡管相比于RGB磷光體陰極射線管彩色電視在其發(fā) 明及廣泛使用時(shí)所需的RGB色彩空間表示，YIQ確實(shí)是對(duì)人類視覺感知特性的感知趨勢(shì)的更 佳逼近，但YIQ色彩空間絕不是理想的。YIQ色彩空間主要是出于同時(shí)可用的具成本效益的 模擬射頻組件的實(shí)際實(shí)施方案的目的且為了維持與現(xiàn)有"黑白"電視發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)的向后兼容 性而構(gòu)想。
[0005] YCbCr及Y ' CbCr色彩空間是YIQ色彩空間出于對(duì)人類視覺感知色彩處理及感知均 勻性的非常有效、但仍非常粗略的逼近的目的的衍生物。盡管這些色彩空間在于1980年代 早期設(shè)計(jì)時(shí)是實(shí)際的，但采用YCbCr及Y'CbCr色彩空間的設(shè)計(jì)限于具有非常有限的處理能 力及數(shù)字存儲(chǔ)器傳送帶寬的簡(jiǎn)單數(shù)字電路及系統(tǒng)。YCbCr及Y'CbCr色彩空間表示形成采用 JPEG及MPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)的較早及當(dāng)前視頻壓縮編解碼器系統(tǒng)的基礎(chǔ)。盡管有其實(shí)際性，但 YCbCr及Y'CbCr色彩空間表示是低效的，這是因?yàn)槠鋵@著照度及色彩深度符號(hào)速率或位 速率分配給感知上不顯著的色彩差異。
[0006] 最近，已發(fā)布表示對(duì)HSV感知均勻性的更忠實(shí)逼近的色彩空間及感知差異框架，例 如"ISO 11664-4:2008(E)/CIE S 014-4/Ε:2007:聯(lián)合IS0/CIE標(biāo)準(zhǔn)：比色法-第4部分：CIE 1976L*a*b* 色彩空間（ISO 11664-4:2008(E)/CIE S 014-4/E:2007:Joint IS0/CIE StandarchColorimetry-Part 4:CIE 1976L*a*b*Colour Space)"（下文中，CIELAB)中所描 述的CIELAB標(biāo)準(zhǔn)。CIELAB將明度及色彩維度中的感知敏感性及CIECAM02考慮在內(nèi)，所述 CIECAM02描述于"CIE 159: 2004:用于色彩管理系統(tǒng)的色彩外觀模型:CIECAM02(CIE 159: 2004: A Colour Appearance Model for Colour Management Systems :CIECAM02)''（下文 中，CIECAM02)中，其并入前述CIELAB維度以及如E.H.蘭德(E.H.Land)在"色彩視覺的視網(wǎng) 膜皮層理論(The retinex theory of color vision)"（科學(xué)，美國(guó)，1977年）中所觀察的眾 所周知的空間中心-環(huán)繞視網(wǎng)膜皮層效應(yīng)。
[0007] 甚至在定義感知上均勻的色彩空間上的這些先進(jìn)努力也遭受特定觀察到的異常。 一個(gè)實(shí)例稱為"藍(lán)-紫色調(diào)恒定性"問(wèn)題，其中在明度橫穿從暗到亮的色彩空間時(shí)，藍(lán)色調(diào)色 彩不沿循完全線性路徑，如莫羅尼(Moroney)的"使用梯度評(píng)價(jià)色調(diào)恒定性(Assessing hue constancy using gradients)"（色彩成像:獨(dú)立于裝置的色彩、色彩硬復(fù)制及圖形藝術(shù)V (Color Imaging:Device-Independent Color,Color Hardcopy,and Graphic Arts V)，萊 納埃斯克巴克(Reiner Eschbach)，加布里埃爾G.馬爾庫(kù)(Gabriel G.Marcu)編輯，SPIE學(xué) 報(bào)，第3963卷，第294頁(yè)到第300頁(yè)(2000年），其以引用的方式并入本文中）中所詳細(xì)說(shuō)明。此 外，CIELAB及其相關(guān)色彩空間的更特定色調(diào)恒定性異常已被仔細(xì)測(cè)量及映射（如布勞恩 (Braun)等人的1998年的"色調(diào)線性化的CIELAB色彩空間中的色域映射（Color Gamut Mapping in a Hue-Linearized CIELAB Color Space)"（IS&T/SID第六次色彩成像會(huì)議 (IS&T/SID 6th Color Imaging Conference)，第163頁(yè)到第168頁(yè)）中所教示），且比僅藍(lán)-紫 恒定性問(wèn)題更廣泛。具體來(lái)說(shuō)，此問(wèn)題的大體所觀察形式稱為貝佐爾德_布魯克(Bezold-Brucke)移位：明顯色調(diào)可隨照度改變(且反之亦然），且此效應(yīng)已挫敗尋找用于視頻及圖像 發(fā)射以及其它應(yīng)用的感知上高效的色彩表示的努力。
[0008] 存在擴(kuò)展或修改CIELAB及相關(guān)色彩空間表示上的許多嘗試，例如高村(Takamura) 和小林（Kobayashi)的2002年的"用以改進(jìn)均勻性的對(duì)CIELUV色彩空間的實(shí)際擴(kuò)展 (Practical extension to CIELUV color space to improve uniformity)''（IEEICIP 002,其教示用以改進(jìn)感知線性的跨CIELUV的交替轉(zhuǎn)換矩陣系數(shù)），及貝倫斯(Behrens)的 "CIE-L*a*b*色彩空間的缺陷及SRLAB2色彩模型的介紹（Deficiencies of the CIE-L*a* bgcolor space and introduction of the SRLAB2color model)''（"www.magnetkern.de/ srlab2.tex"（下文中，SRLAB2,其以引用的方式并入本文中DARLAB〗提出使用CIECAM02的 色度適應(yīng)模型的完全新的色彩空間表示，但其以藍(lán)-紫(色調(diào)）恒定性換取色調(diào)角度均勻性 及色調(diào)-明度間隔長(zhǎng)度均勻性的減小，尤其是在色彩空間的皮膚色區(qū)域中。
[0009] 明顯地，不存在展現(xiàn)照度或明度均勻性、色調(diào)恒定性、色調(diào)角度均勻性及色調(diào)-明 度間隔長(zhǎng)度均勻性的所有特性的完全感知上均勻的色彩空間，所有所述特性對(duì)用于視頻及 圖像譯碼及發(fā)射的理想色彩空間表示均是必要的。
[0010] 由于YCbCr及Y'CbCr色彩空間主要為了實(shí)施方案的簡(jiǎn)化及實(shí)際性且稍后出于向后 兼容性原因的開始時(shí)期，大多數(shù)視頻編碼器系統(tǒng)今天仍保持基于利用YCbCr色彩空間而不 是最近、更復(fù)雜但感知上更均勻的色彩空間及基于感知差異的色彩表示而標(biāo)準(zhǔn)化。
[0011] 使用YCbCr作為用于視頻壓縮的色彩空間基礎(chǔ)的低效率擴(kuò)展超出色彩符號(hào)表示以 及照度的理想化。舉例來(lái)說(shuō)，CIELAB還引入用于明度感知而不僅是色彩(且在大多數(shù)圖像及 視頻編碼及顯示系統(tǒng)中）的非線性、非指數(shù)感知曲線，此僅被過(guò)于簡(jiǎn)單的指數(shù)伽馬函數(shù)考慮 在內(nèi)。實(shí)際觀察者測(cè)量已證明，簡(jiǎn)單指數(shù)或?qū)?shù)關(guān)系不足以表示照度的感知差異，尤其是在 低照度范圍區(qū)域中，如CIELAB中所教示。
[0012] 然而，盡管有包含減小的重構(gòu)質(zhì)量及浪費(fèi)的譯碼速率的缺點(diǎn)，但即使是在本發(fā)明 的時(shí)間的最當(dāng)前視頻及圖像編碼系統(tǒng)(例如所提出HEVC視頻編碼標(biāo)準(zhǔn))繼續(xù)利用YCbCr作為 色彩空間基礎(chǔ)。
[0013] 當(dāng)前視頻編碼系統(tǒng)的色彩空間基礎(chǔ)及符號(hào)表示的選擇的缺陷是本技術(shù)領(lǐng)域中眾 所周知的，且已存在矯正或至少緩解這些編解碼器低效率的負(fù)面影響的數(shù)次嘗試。使用感 知上均勻的色彩空間表示作為用于圖像及視頻壓縮的基礎(chǔ)的較早嘗試(例如莫羅尼及費(fèi)爾 柴爾德(Fairchild)的"用于JPEG圖像壓縮的色彩空間選擇(Color space selection for JPEG image compression)"（電子成像雜志（Journal of Electronic Imaging)4(4)，373_ 381 (1995年10月））及朱克魯(Drukarev)的"色彩空間的壓縮相關(guān)的性質(zhì)（Compression-related properties of color spaces)" （SPIE，第3024 卷） 中所教不的那些嘗試） 被其用 于實(shí)時(shí)編碼及解碼的應(yīng)用的復(fù)雜性或其展現(xiàn)相比來(lái)說(shuō)較少益處所挫敗。此外，當(dāng)與RGB、YIQ 或YCbCr相比時(shí)，擴(kuò)展地用于相關(guān)技術(shù)中的CIE1931XYZ色彩空間被公認(rèn)為更佳逼近人類視 覺系統(tǒng)對(duì)色彩差異的敏感性，但其也因高達(dá)80:1的比率而為高度不均勻的，如波因頓查爾 斯（Poynton Charles)的"對(duì)數(shù)字視頻的技術(shù)介紹（A Technical Introduction to Digital Video)"（約翰威利父子出版公司（John Wiley&Sons)，1996)及在 "www · poynton · com/CoIorFAQ · html"下的所附"關(guān)于色彩的常被問(wèn)到的問(wèn)題（FrequentIy Asked Questions about Colour)"（下文中，波因頓）（其兩者均以引用的方式并入本文中） 中所論述。對(duì)于CIELAB，此比率改進(jìn)為大約6:1，但如波因頓指出，CIELAB轉(zhuǎn)換針對(duì)視頻在計(jì) 算上非常昂貴，且在其寫此文時(shí)不適合于實(shí)時(shí)處理。均勻性是實(shí)現(xiàn)最高效譯碼的關(guān)鍵概念， 且即使是CIELAB也遠(yuǎn)不是理想感知上均勻的色彩空間，如現(xiàn)有技術(shù)中所展示。
[0014] 其它方法(例如第US 2012/0314943 Al號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)公開案（下文中，"