数据压缩实验一——彩色空间转换

实验基本原理

     RGB和YUV彩色空间的基础知识

 

(1).   YUV与RGB空间的相互转换

 

由电视原理可知，每个像素的颜色由电视三原色RGB按不同比例合成决定，而亮度和色差信号YUV具有亮度信息和色彩信息分离的特点，RGB转亮度和色差信号公式如下：

Y = 0.2990R+0.5870G+0.1140B

R-Y = 0.7010R-0.5870G-0.1140B

B-Y = -0.2990R-0.5870G+0.8860B

 

为了使色差信号的动态范围控制在0.5之间，需要进行归一化，对色差信号引入压缩系数。归一化后的色差信号为：

U = 0.564 (B - Y) = -0.1684R-0.3316G+0.5B

V = 0.713 (R - Y) = 0.500R-0.4187G-0.0813B

 

为了以一字节无符号字符存储一个色差信号，须将归一化后范围为±0.5的色差信号调整到(0,1)之间，即量化后电平为0~255，得到最终的色差信号转换公式为：

U = (-0.1687R - 0.3313G + 0.500B) + 128

V = (0.500R - 0.4187G - 0.0813B) + 128

 

反过来，YUV转RGB的公式如下：

R = Y + 1.402(V - 128)

G = Y – 0.3441(U - 128) – 0.7141(V - 128)

B = Y + 1.772(U - 128)

 

(2).   码电平分配及数字表达式

 

亮电平信号量化后码电平分配：

在对分量信号进行8比特均匀量化时，共分为256个等间隔的量化级。为了防止信号变动造成过载，在256级上端留20级，下端留16级作为信号超越动态范围的保护带。

 

色差信号量化后码电平分配：

色差信号经过归一化处理后，动态范围为-0.5－0.5，让色差零电平对应码电平128，色差信号总共占225个量化级。在256级上端留15级，下端留16级作为信号超越动态范围的保护带。

 

(3).   色度格式

 

4:2:0格式是指色差信号U，V的取样频率为亮度信号取样频率的四分之一，在水平方向和垂直方向上的取样点数均为Y的一半。

 

RGB转YUV时，逐帧输出UV信号，此时的色度格式为4:4:4，即每个像素分别有一个YUV分量，便需要进行对UV分量的下采样达到4:2:0格式。具体方法为每次对相邻四个像素的区域进行操作，计算此区域内四个像素UV分量的算术平均值，作为四个像素共有的UV分量，于是U和V分量的个数分别为亮度信号Y的1/4。

 

YUV转RGB时，由于每个UV分量对应相邻四个像素的RGB值的计算，应先将UV分量进行上采样，恢复与Y相同的个数，再逐像素进行YUV转RGB的计算。

 

     数据类型的分析

RGB与