DE4141024A1 - Verfahren zum umsetzen zwischen zwei farbraeumen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umsetzen zwischen zwei Farbräumen, wie beispielsweise zwischen RGB- und YIQ- Farbräumen.

Bei vielen Anwendungen, bei welchen eine Farbbildverarbeitung durchgeführt wird, muß zwischen zwei Farbräumen hin und her umgesetzt werden, wobei als ein Beispiel das Gebiet der Farbbildverdichtung anzuführen ist, obwohl die Erfindung nicht auf diesen einen Anwendungsfall beschränkt ist.

Eine typische Farbbild-Verdichtungseinrichtung weist ein sendendes Farb-Faksimilegerät, eine Fernsprechverbindung und ein empfangendes Farb-Faksimilegerät auf. Sendeseitig muß das Faksimilegerät zuerst das Bild abtasten. Bei herkömmlichen Abtastverfahren wird in dem roten, grünen und blauen (RGB-)Farbraum abgetastet. Aus Hardware-/Kostengründen ist dies üblicherweise die einfachste Methode. In früheren Arbeiten ist jedoch gezeigt worden, daß es zum Verdichten eines Farbbildes besser ist, die Verdichtung in einem Farbraum durchzuführen, welcher aus einer Luminanz-Farbebene und zwei Chrominanz-Farbebenen besteht. Ein derartiger Farbraum ist der YIQ-Farbraum.

Hierbei stellt sich heraus, daß der YIQ-Farbraum besser für eine Farbbildverdichtung ist, da in Raumtermen die Änderungsgeschwindigkeit der I- und Q-Ebenen für das menschliche Auge weniger wahrnehmbar ist als beispielsweise die Luminanzebene Y. Bei Verdichtungsverfahren wird die Tatsache ausgenutzt, eine einfache räumliche Verdichtung in den I- und Q-Ebenen durchzuführen, bevor eine tatsächliche Quantisierung durchgeführt wird, um die Daten weiter zu verdichten.

Ein typisches Verdichtungssystem würde beispielsweise den Anfangsscanner aufweisen, welcher ein Farbbild erzeugt, das 24 Datenbits pro Pixel ergibt. Dies sind normalerweise acht rote Bits, acht grüne Bits und acht blaue Bits. Die Umsetzung in Y, I, Q kann drei neue 8 Bit-Zahlen ergeben, aber durch Verknüpfen von zwei benachbarten I-Werten und zwei benachbarten Q-Werten ergeben sich nunmehr Daten mit nur 16 Bits pro Pixel. Folglich sind acht Bits pro Pixel beinahe unmittelbar beseitigt worden.

Öfter noch wird die Umsetzung von RGB in YIQ in Software durchgeführt, wie beispielsweise auf Einrichtungen, wie dem Mikroprozessor Motorola 68030. In Fig. 3a ist eine Lineartransformation von RGB in YIQ dargestellt. Hierbei sind die Zahlen in der (3×3)-Matrix nicht sehr "freundlich bzw. günstig". Sie werden Gleitpunkt- bzw. Fließkommazahlen zugeordnet. Sollte der Benutzer sich entscheiden, die Umsetzung mit Hilfe einer einfachen Multiplikation durchzuführen, würde dies neun (9) Multiplikationen und sechs (6) Additionen erfordern, d. h.:

Y = (0,299*R) + (0,587*G) + (0,114*B);

die Berechnung wird für I und Q zweimal mehr wiederholt.

Obwohl dies sich hinsichtlich Codelängen- und Speicherplatzanforderungen als das Einfachste herausstellen würde, ist es wegen der erforderlichen Multiplikationen sicherlich nicht die schnellste Lösung.

Bei einer sehr einfachen Lösung, bei welcher keine Multiplikation angewendet wird, müssen vorprogrammierte Verweistabellen verwendet werden. Der Benutzer würde dann alle möglichen R-, G- und B-Werte vorher multiplizieren und sie dann in den Verweistabellen speichern. Eine anfängliche Prüfung würde die Notwendigkeit für neun (9) gesonderte Verweistabellen zeigen, und zwar jeweils 256 Einträge, 16 Bit breit. Die möglichen Bereiche für R, G und B sind normalerweise 0 bis 255, was in einer einzigen 8-Bit-Zahl gespeichert ist. Nach der linearen Umsetzung hat jedoch Y einen Bereich von 0 bis 255 (8 Bits), I einen Bereich von +151 bis -151 und Q einen Bereich von +136 bis -136. Um diese Werte darzustellen sind 9 Bits statt 8 Bits erforderlich.

Wegen der Struktur von modernen Mikroprozessor-Systemen sind einmal 8-Bit-Zahlen überschritten worden, von denen eine normalerweise zu Adressierzwecken auf 16 Bits springt. Folglich beträgt eine Speicherförderung nunmehr insgesamt 9×256×2 Bytes oder 4,5 Bytes. Um die Umsetzung durchzuführen, entwirft der Benutzer ein Programm, welches den R-Wert nimmt und ihn in die Y-(R-)Tabelle indiziert, den Wert aufsucht und ihn hält. Dann wird der G-Wert genommen, der Y-(G-)Wert aufgesucht und zu dem Y-(R-)Wert addiert. Schließlich wird dasselbe für 0 getan und zu dem vorherigen Gesamtwert addiert, damit sich der endgültige Y-Wert ergibt. Dies erfordert drei (3) Verweise und zwei Additionen. Derselbe Prozeß wird für I und Q durchgeführt, so daß sich neun (9) Verweise und sechs (6) Additionen ergeben. Im Vergleich zu dem Vorstehenden werden die neun (9) Multiplikationen durch neun (9) Verweise ersetzt, welche üblicherweise der Größe nach angeordnet sind und damit schneller als eine Multiplikation (zu erhalten) sind.

Gemäß der Erfindung soll daher ein Verfahren zum Umsetzen zwischen zwei Farbräumen auf einem 32-Bit-Mikroprozessor geschaffen werden. Insbesondere soll ein Verfahren zum Umsetzen zwischen RBG- und YIQ-Farbräumen geschaffen werden.

Gemäß der Erfindung ist dies bei einem Verfahren zum Umsetzen zwischen zwei Farbräumen durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs erreicht.

Durch die Erfindung ist somit eine verbesserte Umsetztechnik geschaffen. Beispielsweise wird bei einer Ausführungsform der Erfindung zwischen RGB- und YIQ-Farbräumen umgesetzt, wobei die Gesamtanzahl an erforderlichen Operationen drei Verweise auf Tabellen, zwei Additionen, zwei sogenannte "Barrel"-Verschiebungen und zwei Maskenoperationen erfordert.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Diagramm einer verbesserten Genauigkeitsversion gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Anordnung von Daten in einem 32-Bit-Schieberegister und

Fig. 3a und 3b Umsetzmatrizen für einen RGB- in einen YIQ- bzw. einen YIQ- in einen RGB-Farbraum.

Viele Mikroprozessoren, wie beispielsweise der Mikroprozessor Motorola 68030, enthält einen eingebauten sog. "Barrel"-Schiebe- Mechanismus. Üblicherweise ist ein Verschieben in Software eine verhältnismäßig langsame Operation, da die Befehl-Ausführungszeit proportional der Anzahl an erforderlichen Verschiebungen ist. Wenn beispielsweise eine Zahl X im Register DO ist und fünfmal zu verschieben ist, kann es 300 ns dauern. Wenn sie um zehn (10) Stellen verschoben werden soll, dann würde dies ohne eine "Barrel"-Schiebeeinheit etwa 600 ns dauern.

Der Vorteil einer "Barrel"-Schiebeeinheit besteht darin, daß alle Verschiebungen unabhängig von der Anzahl Stellen die gleiche Zeit dauern. Dies wird verwendet, um den Vorteil bei der Erfindung zu erhöhen, bei welcher nur drei Verweistabellen statt der vorerwähnten neun aufgebaut werden.

Es sind 256 Einträge von jeweils 32 Bit. Folglich sind die Anforderungen bezüglich des Speicherbedarfs 3mal 256×4 Bytes oder nur 3 kBytes, was 33% weniger ist als eingangs ausgeführt. Die Gewinnung bzw. Erzeugung der Tabellen erfolgt folgendermaßen:

Die 32 Bit-Speicherstellen werden in drei (3) 10 Bit-Bereiche aufgeteilt. Jedes vorher berechnete Verweiselement wird in dem relevanten Bereich in der 32 Bit-Speicherstelle angeordnet. Die Operationen, welche für die Umsetzung erforderlich sind, bestehen nunmehr aus genau drei Verweisungen.

Zuerst wird eine 32 Bit-Zahl für die Rot-Komponente aufgesucht. Dieser Wert wird gehalten. Als nächstes wird eine 32 Bit-Zahl für die G-Komponente aufgesucht, und die zwei 32 Bit-Zahlen werden addiert. Schließlich wird ein 32 Bitwert für die B-Komponente aufgesucht und zu der vorherigen 32 Bit-Summe addiert. Nunmehr wird genau ein 32 Bit-Ergebnis erhalten. Um den Y-Wert zu erhalten, welcher an den untersten 10 Bits des 32 Bit-Werts sitzt, deckt das Verfahren gemäß der Erfindung die unteren 8 Bits ab. In dem Fall, daß der Wert Y in dem Bereich 0 bis 255 liegt, ist dies Abdecken bzw. Maskieren nicht notwendig.

Die Abdeckung bzw. Maskierung ist die einzige Operation, deren Zeitaufwand annähernd einer einzigen Addition entspricht. Nunmehr wird bei dem Verfahren die 32 Bit-Zahl 10mal nach rechts verschoben, und es werden die unteren 9 Bits abgedeckt. Dies erfordert eine einzige "Barrel"-Verschiebung und eine Maskierungsoperation, damit sich I ergibt. Schließlich wird bei dem Verfahren die 32 Bit-Zahl mehr als 10mal nach rechts verschoben, und es werden die unteren 9 Bits abgedeckt, damit sich Q ergibt. Folglich sind die insgesamt erforderlichen Operationen drei (3) Verweis- oder Aufsuchvorgänge (look-ups), zwei (2) Additionen, zwei (2) "Barrel"-Verschiebungen und zwei (2) Maskieroperationen. Hinsichtlich der Geschwindigkeit wird davon ausgegangen, daß dies Verfahren für Prozessoren, wie beispielsweise den Prozessor Motorola 68030, und andere ähnliche 32 Bit-Einrichtungen optimal ist.

Um den Prozeß im Betrieb darzustellen, wird ein spezifisches Beispiel beschrieben, und es durchläuft alle Operationen in beiden Richtungen. Wichtig ist zu bemerken, daß durch Verweistabellen infolge des Rundens beim Erstellen der Tabelle kleine numerische Fehler eingebracht werden können. Dies ist die Erklärung dafür, warum die Eingangs- und Ausgangswerte sich um einen kleinen Betrag unterscheiden.

In Fig. 2 ist ein Diagramm dargestellt, wie die Daten in den 32 Bit-Speicherstellen organisiert sind. Die drei Speicher- Verweiswerte werden in einem einzigen Datenregister summiert, und das Ergebnis wird dann maskiert und verschoben, um die Y-, I- und Q-Werte zu schaffen. Als Eingang werden die Werte genommen: R = 50, G = 75, B = 97. (Angenommene Basis 16.)

In den beigefügten Verweistabellen (Anhang A) ist auf R_YIQbtl zu gehen. Um R = 50 zu lokalisieren, ist in der ersten Spalte in die elfte (eingerahmte) Zeile zu gehen. Dadurch ergibt sich die 32 Bit-Zahl $00608018. Nunmehr ist dasselbe für G = 75 in der G_YIQebl zu tun. Hierbei ergibt sich der (eingerahmte) Wert $0d73ac45. Dieser Wert ist zu dem vorherigen Wert zu addieren, so daß sich $0e242c5d ergibt. Schließlich ist B = 97 in B_YIQtbl zu lokalisieren. $01f38011 ist zu der vorherigen laufenden Summe zu addieren, so daß sich als Ergebnis $1017ac6e ergibt. Nunmehr sind die Maskierungs- und Schiebeoperationen zu starten.

Begonnen wird mit dem Wert $1017ac6e. Die unteren acht Bits sind mit $000000ff abzudecken, so daß sich ein Y-Wert von $6e (oder in Dezimalschreibweise +110) ergibt.

Nunmehr wird die 32 Bit-Zahl 10mal nach rechts verschoben. Dies ergibt eine Zahl $000405eb. Nunmehr sind die niederwertigen 8 Bits mit einer Maske $000000ff abzudecken, so daß sich $eb ergibt. Dies ist äquivalent zu dem Dezimalwert -21, da I eine mit Vorzeichen versehene Zahl ist.

Nunmehr wird der 32 Bit-Wert um weitere zehn (10) Positionen nach rechts verschoben. Dies ergibt die Zahl $00000101. Durch Abdecken der niedrigerwertigen acht (8) Bits ergibt sich ein Wert für Qof$01. Somit ist:

Y = $6e, I = $eb, Q = $01.

Nunmehr ist der zweite Tabellensatz zu verwenden, um die umgekehrte Operation durchzuführen.

Für Y = $6e: Y_RBGtbl ergibt sich $06elb86e,
für I = $eb: I_RBGtbl ergibt sich $023027e2,
für Q = $01: a_RGBtbl ergibt sich $003ffc01.

Das Addieren dieser Werte ergibt $0951dc51.

Durch Abdecken der niedrigerwertigen acht (8) Bits ergibt sich Rot = $51 ($50 war der Startwert). Durch 10maliges Verschieben nach rechts ergibt sich $00025477. Durch Abdecken der niedrigerwertigen acht (8) Bits ergibt sich G (Grün) = $77 (ursprünglich $75). Durch ein Verschieben von mehr als 10mal ergibt sich $00000095. Folglich ist B (Blau) = $95. Hierdurch ist der Prozeß beendet.

In dem Tabellensatz, der als Anhang A beigefügt ist, sind die Verweiswerte für I und a um einen konstanten Faktor von 1,5 verkleinert worden. Jedoch sollte betont werden, daß die vorstehend beschriebene Methode vollständig paßt zu I und Q als mit Vorzeichen versehenen 9 Bit-Zahlen, die von +151 bis -151 für I und von +136 bis -136 für Q reichen.

Eines absolutes Funktionieren ist ein schwieriges Thema. Dies hängt von dem tatsächlichen Prozessor ab, ist Sache der Taktgeschwindigkeit, ob ein Cache-Speicher möglich ist, usw. Zu Vergleichszwecken soll ein Motorola-Prozessor 68030 verwendet werden. Hierbei werden Maschinenzyklen gezählt, um die veränderliche Taktgeschwindigkeit zu eliminieren. Ebenso soll mit einer ganzen Zahl multipliziert werden (beispielsweise ein Skalieren der Multiplikatoren mit beispielsweise 1000.

In der praktischen Ausführung würde ein derartiges Skalieren eine mit End-Teilerstufe erfordern. Obwohl dies bei der Berechnung nicht gezählt wird.

Methode 1: Multiplikation
9 Multiplikationen @ jeweils 28 Zyklen = 252 Zyklen;
6 Additionen @ jeweils 2 Zyklen = 12 Zyklen;
insgesamt = 264 Zyklen.

Methode 2: Einfache Verweismethode
9 Verweisvorgänge @ jeweils 4 Zyklen = 36 Zyklen;
6 Additionen @ jeweils 2 Zyklen = 12 Zyklen;
insgesamt = 48 Zyklen.

Methode 3: Neue Verweismethoden
3 Verweisvorgänge @ jeweils 4 Zyklen = 12 Zyklen;
2 Additionen @ jeweils 2 Zyklen = 4 Zyklen;
2 Markierungen @ jeweils 2 Zyklen = 4 Zyklen;
2 10-Bit-Verschiebungen @ jeweils 2 Zyklen = 4 Zyklen;
insgesamt = 24 Zyklen.

Dies ergibt bezüglich der Geschwindigkeit eine Verbesserung von etwa 50%. Für ein Farbbild, d. h. 1024×1024 Pixels, werden durch das Einsparen von 24 Zyklen pro Pixel bei beiden Umsetzungen über 50 Millionen Operationszyklen eingespart. Bei einem üblichen 16-MHz-Prozessor 68030 würde dies über drei (3) Sekunden eingesparter Prozessorzeit ergeben.

In vielen Fällen ist die mit der vorstehend beschriebenen Methode erreichte Genauigkeit angemessen. In einem Farbbild- Verdichtungssystem kann bei hohen Bitraten der Fehler, welcher durch das Verweisen eingebracht worden ist, unannehmbar sein. Daher wird ein verbesserter Genauigkeitsmode gewünscht, obwohl dies einen zusätzlichen Maschinenbefehl zur Folge hat. Die beste Betriebsart ist in Fig. 1 dargestellt. Nunmehr werden, statt drei (3) 10 Bit-Zellen zuzuordnen, Y und I 11 Bits und Q 10 Bits zugeordnet. Daher werden alle 32 Bits verwendet. Die elf (11) Bits für Y werden in der folgenden Weise verwendet. Der Wert von Y kann von 0 bis 255 reichen. Die zusätzlichen 3 Bits werden verwendet, um die Genauigkeit auf der rechten Seite des Dezimalpunktes bzw. -kommas darzustellen. Folglich kann gemäß der Erfindung mit einer Genauigkeit von 1/8 für Y gespeichert werden. Wenn die YR-, YG- und YB-Komponenten erzeugt werden, wird statt des Rundens der nächsten ganzen Zahl der nächste 1/8-Wert gerundet. Nachstehend ist ein Beispiel wiedergegeben, bei welchem hierdurch eine deutliche Verbesserung gegenüber der vorherigen Version erreicht ist.

Nunmehr soll sein: R = 65; G = 28; B = 37. Bei dem ersten Schema werden die folgenden Komponenten erzeugt:

YR = 65*0,299 = 19.435 würde auf 19 gerundet,
YG = 28*0,587 = 16.436 würde auf 16 gerundet,
YB = 37*0,114 = 4.218 würde auf 4 gerundet.

Durch Addieren der Werte YR, YG und YB ergibt sich Y = 39.

Bei dem neuen Schema würde:

YR = 19,435 auf 19,375 oder 19⅜ gerundet;
YG = 16,435 auf 14,375 oder 14⅜ gerundet;
YB = 4,218 auf 4,25 oder 4¼ gerundet.

Durch Aufaddieren der Werte von YR, YG und YB ergibt sich Y = 40.

Wenn die ursprünglichen Gleitpunkt- bzw. Fließkommazahlen addiert werden, würde man 40,089 erhalten. Folglich ist der neue Schätzwert von 40 erheblich näher als 39.

Für I werden zwei zusätzliche Bits dediziert, um auf das nächstliegende Viertel (¼) abzurunden und für Q reicht ein (1) zusätzliches Bit, um auf den näçhsten Wert von ½ abzurunden. Dies ist eine willkürliche Zuteilung für die zusätzlichen Bits. Zu beachten ist, daß durch andere Kombinationen sogar eine bessere Genauigkeit erreichbar ist.

Für die inverse Berechnung, d. h. YIQ in RGB, sollten andere Genauigkeiten gewählt werden. Infolge der Multiplikatoren, wie 1,703, müssen mehr Bits auf der linken Seite der Dezimalstelle zugelassen werden; folglich ist es notwendig, die Genauigkeit auf der rechten Seite der Dezimalstelle zu opfern. Die Übung, diese Bit-Zuteilungen zu optimieren, braucht hier nicht weiter erörtert zu werden.

In Fig. 1 ist dargestellt, daß eine zusätzliche Verschiebung erforderlich ist, um dieselben Ergebnisse zu erreichen. Die erste Verschiebung erfolgt um drei (3) Stellen, um unerwünschte Bits auf der rechten Seite der Dezimalstelle zu beseitigen. Auch ist es möglich, das Ergebnis auf der Basis der Werte dieser drei Bits zu runden. Wenn das dritte Bit gesetzt wird, ist abzurunden oder sonst nichts zu tun. Jedoch würde dies einen zusätzlichen Befehl erfordern. Die zweite Verschiebung erfolgt über zehn (10) Stellen, um die I-Komponente zu erhalten; wiederum ist ein Runden möglich, und schließlich wird durch eine Verschiebung um 9 die Q-Komponente erhalten.

Vorausgesetzt, es wird nur eine Verschiebung hinzugefügt, dann sind nur zwei (2) zusätzliche Taktzyklen erforderlich, wodurch sich insgesamt 26 Zyklen ergeben.

Claims (1)

1. Verfahren zum Umsetzen zwischen zwei Farbräumen, vorzugsweise zwischen RGB- und YIQ-Farbräumen, dadurch gekennzeichnet, daß
   erste, zweite und dritte Verweistabellen erzeugt werden, die jeweils eine vorherbestimmte Anzahl von vorher berechneten Einträgen einer bestimmten Anzahl an Binärstellen, welche dem RGB-Farbraum entsprechen, haben;
   jede der Binärstellen in zumindest drei Bereiche mit einer geringeren Anzahl von Binärstellen aufgeteilt wird;
   auf eine erste Binärstellenzahl verwiesen wird, welche der Rot-(R-)Komponente entspricht;
   auf eine Binärstellenzahl für die Grün-(G-)Komponente verwiesen wird und die zwei Binärstellenzahlen addiert werden;
   auf eine Binärstelle für die Blau-(B-)Komponente verwiesen wird und die vorherige Binärstellengesamtzahl addiert wird, um ein berechnetes Bitergebnis zu erzeugen;
   eine bestimmte Anzahl niederwertiger Bits abgedeckt wird, um den Y-Komponentenwert des zweiten Farbraums zu erhalten;
   die Bitanzahl eine vorherbestimmte Anzahl Mal verschoben wird und die niederwertigen Bits mit Hilfe einer einzigen "Barrel"- Verschiebung abgedeckt und eine Maskier-Operation durchgeführt wird, um die I-Komponente zu erhalten, und
   die Bitzahl eine bestimmte Anzahl Mal mehr nach rechts verschoben wird und die unteren niederwertigen Bits abgedeckt werden, um die Q-Komponente zu bilden.