CN1012302B - 彩色图像显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明所采用的颜色查询表可划分为一个共用区和多个专用区。共用区内存贮着同时显示的多幅图象所共有的颜色，每个专用区内分别存贮着图象专用的颜色。共用区存贮的颜色采用红绿蓝空间的均匀取样法选取，专用区存贮的颜色采用各图象自适应取样法来选取。在自适应取样过程中，先产生色度直方图。然后从图中选出频繁使用的色度，并给每种色度指定几种代表色，这样主要就对那些色度相同而亮度不同的颜色进行了取样。

Description

本发明涉及一种彩色图象显示系统，具体涉及一种采用单一的颜色查询表显示多幅图象的彩色图象显示系统。

本发明所用的颜色查询表可分成一个共用区和多个专用区，共用区存贮同时显示的多幅图象所共用的颜色，每个专用区分别存贮各图象专用的颜色。共用区存贮的颜色用红绿兰空间的均匀取样法选取，专用区存贮的颜色用各图象自适应取样法选取。在自适应取样的过程中，先做出色度直方图，然后从图中选出频繁使用的色度，并给每一色度指定几种代表色，这样，就先对那些色度相同而亮度不同的颜色进行了取样。

近年来，借助颜色查询表的图形显示装置越来越多，可同时显示的彩色数可达8至2²⁴种。尽管这种图象显示装置在动画和图象处理方面更有优点，但是为增加颜色数，颜色查询表的容量必须加大，从而导致价格上升，然而若减少颜色数又引起图象质量下降，这就在价格与图象质量之间存在一个折衷方案。因此，问题在于如何利用容量有限的颜色查询表显示出炫丽的彩色图象，或者说，在颜色查询表中究竟应该存入哪些颜色。

业已进行大量的、有关颜色查询表所存色的选择方法的研究，大致可将它们分为均匀取样和可变或自适应取样两种方法，均匀取样法是以相等的间隔对一个色空间-如红绿兰空间（RGB Space）XYZ彩色坐标空间（XYZ Space）和HLS空间或L^＊U^＊ V^＊空间-取样。J.塔吉姆（J·Tajima）在“Uniform Color Scale Application to Computor Graphics，”CONPUTER VISION GRAPHICS，AND IMAGE PROCESSING，Vol.21，No.3，PP.305-325，March 1983（计算机显示、图示与图象处理1983年3月第21卷，第3期、第305-325页刊登的“用于计算机图示的均匀彩色标度”）揭示了L^＊U^＊V^＊空间中的均匀取样。L^＊U^＊V^＊空间是根据人们在空间中随距离而感受到各种色差的情况而建立的一种色空间，还称它为均匀的色空间。

在自适应取样过程中，颜色查询表的内容根据所要显示的图象而变，下文将要说明采用自适应取样时彩色图象量化的过程。假设一个色空间是红绿兰空间。

（1）在红绿兰各色都具有m比特的空间中，对红绿兰各色都有n比特的输入图象取样，产生直方图。

（2）选取颜色查询表所存颜色（即代表色）。

（3）将红绿兰空间内的各色映入颜色查询表。

（4）赋予每个象素以表内一种适当的颜色。

对显示图象质量影响大的步骤是（2）和（4）。在步骤（3）中主要问题是计算速度。在步骤（4）中如果按原来的步骤（3）中计算的映象，由于量化误差，在颜色慢变化的区域内经常看到明显的条纹。为了减小量化误差，现已研究出很多方法，譬如随机噪声法和误差扩散法。对于步骤（2）有几种算法，譬如通用计算法（popularity    algorithm）（从直方图中依照频率顺序 选取代表色）和组均衡算法（population    equalization    algorithm）（将红绿兰空间划分为多个分别对应于可得到的代表色的子空间，而每个子空间都含有相同的象素数）。前后两种算法分别揭示在P·哈克伯特（P·Heckbert）“COLOR    IMACE    QUANTIZAION    FOR    FRAME’BUFFER    DISPLAY”，ACM    SIGGRAPH    82，PP、297-307，July    1972（美国计算机协会的信号图示杂志1972年7月第82期第297～307页刊登的“帧缓冲显示的彩色图象量化”）和第59-84259号日本专利申请书中。

虽然上述的彩色图象量化方法在只显示一幅图象时，从某种程度上说还另人满意，但是在一个屏幕上同时显示多幅图象时，由于不同的图象经常使用不同的颜色，所以还有一些问题。例如若采用均匀取样法选取存入颜色查询表的颜色，尽管原图象的颜色与实际显示的颜色的差别相当小，但在色度均匀而亮度慢变的区域里会出现一些明显的条纹。由于多幅图象一起处理，所以每当更换一幅图象时，全表都要重写。此外，在自适应取样时，由于选取频繁使用的颜色，所以不常出现的颜色可能与实际显示的颜色有较大的差别。

因此，本发明的目的是提出一种采用单色查询表可同时显示多幅图象的彩色图象显示系统，在此系统中原来的颜色可以准确地得到显示。

按照本发明，一个颜色查询表（下文统称为CLT）可划分为一个为多幅彩色图象共用的共用区和多个对应于各彩色图象的专用区。在共用区内存贮每幅图象都共用的颜色，而在每个专用区内存贮相应 图象专用的颜色。

在本发明的实施例中，共用区存贮的颜色由给定的色空间（如红绿兰空间）的均匀取样法选取，而每个专用区存贮的颜色由相应图象自适应取样法选取。在自适应取样情况下，不仅频繁使用的颜色被选取，而且还要根据亮度从含有大于某一阈值的象素数的色度组中选出其它的颜色。

图1是说明采用本发明的彩色图象显示系统组成的方框图。

图2是说明一个CLT组成和该CLT与图象之间关系的方框图。

图3是说明量化器组成的方框图。

图4是说明量化算法的流程图。

图5是色度计算示意图。

图6是色度直方图。

图7是峰值周围的颜色提取图。

图8是说明代表色计算算法的流程图。

虽然本发明在任一种色空间里都能实现，但是为了便于理解，将以红绿兰空间为例以予说明。

图1示出本发明的一种彩色图象显示系统。由图象文件或扫描器（二者在图中未画）送出要在彩色显示器（CRT）20上显示的输入图象10，它的每个象素都由皆为n比特（如8比特）的红绿兰各分量所组成。3n比特的象素数据被送到量化器12，选出代表色并写入帧缓冲器14。量化器12将全部的输入图象10的象素数据处理两次，第一次处理是选出它们将要写入CLT的代表色，第二次处理是为每个象素算出访问CLT16的编码数据，并将它写入帧缓冲 器14。量化器12的组成与工作情况将在下文详述。

在本技术领域内众所周知帧缓冲器14中的存贮位置分别对应于显示器上各点的位置。在本实施例中，假设被写入帧缓冲器14每个位置的象素数据都由8比特组成，因此被这种象素数据访问的CLT16的容量就是256个字。也就是说，在CLT16中可以存贮256种代表色。假设各色都用12比特表示（即红绿兰各分量都是4比特），最大的显示的颜色数则为4096种。应该注意到这些数字只是为了达到说明本实施例的目的，本发明不受这些数字的限制。

从利用帧缓冲器14中的8比特象素数据的CLT16中读出的代表色通过数模转换器18变为用来驱动显示器20的模拟信号，于是就在显示器20的荧光屏上显示出所需颜色的图象。

图2示出CLT16的组成和CLT16与各图象之间的关系。本发明的CLT16与常规的CLT不同，在逻辑上可将它划分为一个共用区和多个分别对应于各图象的专用区。共用区由要在显示器20上显示的多个图象共同使用，每个专用区只由相应的图象使用。在本实施例中，共用区含有64种予定的颜色，每个专用区含有可由量化器12变更的48种颜色，因而每幅图象最多可用112（＝64+48）种颜色。如果CLT16的容量是256个字，则专用区的个数为4。在此情况下，显示器20显示4幅彩色图象。应该注意到：图2中CLT16的各区与图象之间的连线只表示它们之间的关系，而实际上是没有的。

下面将要说明共用区和专用区中所存代表色的选取方法，要存入共用区的64种颜色用红绿兰空间的均匀取样法确定。因为各代表色对红绿兰各分量都具有4比特，各分量值在十进制数0-15之 间（包括0和15）变化。64种代表色可以通过选择确定，例如从可能的十进制数中选出0、5、10和15。在这种情况下如果各代表色都用（R，G，B）来代表，则它们是（0，0，0）、（0，0，5）、（0，0，10）、（0，0，15）、（0，5，0）、（0，5，5）、……（15，15，15）。

在多个专用区存贮的多种代表色由量化器12为各图象选取。图3示出量化器12的组成方框图，图4示出量化算法的流程图。

如图3所示，红绿兰各分量都具有8比特的象素数据由比特转换器30转换为红绿兰各分量都是4比特的象素数据。比特转换器30输出红绿兰各分量较高的4比特的数据。地址控制器32将这些转换后的象素数据作为一个12比特的地址访问计数寄存器矩阵34。矩阵34有4096个计数寄存器。已寻址的计数寄存器的内容在增值器36中加1，然后再写入同一位置。对于输入图象的每一象素都重复上述程序，因此输入图象中的各色象素数都被确定。

在地址控制器32的控制下，矩阵34的内容被读到代表色选择器38和色度直方图产生器40内。代表色选择器38根据输入图象的色分布选出多达48种代表色，并将它们存入CLT16中与此输入图象相应的专用区内。代表色映象器42将这些红绿兰空间的颜色（本实施例为4096种颜色）映象为CLT16所存的代表色。编码器44根据来自代表色映象器42的映象信号将这个红绿兰各分量都具有4比特的象素数据编为一个8比特CLT地址，并将它写入帧缓冲器14。

接着参阅图4，逐步地说明量化器12的操作过程。所涉及的量化属于自适应取样法，并且每幅图象都要历行这个过程。

步骤1：

根据输入图象，在红绿兰各分量都具有4比特的空间里产生一个红绿兰直方图（即表示颜色与象素数之间关系的图），如上所述，这由计数寄存器矩阵34和增值器36完成。在步骤1期间，代表色选择器38、色度直方图产生器40、代表色映象器42和编码器44都不工作。

步骤2：

具有大量象素的颜色例如背景色被选出作为代表色，然后从直方图中将它们删掉。这就防止将在下一步骤检测的色度峰值不致偏置在背景色的色度上，为此，图3中的代表色选择器38被启动来接收在地址控制器32控制下依次读出的各计数寄存器的内容和相关的12比特地址。代表色选择器38将计数寄存器的内容（即象素数）与下面将要说明的阈值T1相比，如果前者大，则代表色选择器38将这个同时接收的12比特地址作为代表色保存下来，还将此事通知地址控制器32。地址控制器32响应它，并将这个当前已寻址计数寄存器复位为0。

T1＝（P_t/R_a）K1

上式中的Pt为直方图中象素的总数，Ra为保存代表色的个数，K1为一常数。Pt的初始值取决于输入图象（如262144（＝512×512））的清晰度。本实施例中Ra的初始值为48。因为（Pt/Ra）表示每一代表色的平均象素数，所以上式表示比平均数大K1倍的象素数的各种颜色就被选为代表色。常数K1可固定为某值，比如5。Pt和Ra或为常数或为变量。如果它 们都是变量，代表色选择器38则每次选取一个代表色，并从Pt中减去被选色的象素数，从Ra中减1。上式已用于色度和亮度都均匀的广阔区域例如背景。然而为共用区选取的任一种颜色既使它含有大于T1的象素数也不会被注意到。

步骤3：

产生色度直方图。这里把红绿兰的比率定义为色度。参阅图5，色度可由在红绿兰空间中原点和所涉及的色点（r、g、b）之间的连线分别与绿兰、绿红两平面之间的夹角θ和φ来表示。θ和φ可由下式计算：

θ＝arcsin〔r/（r²+g²+b²） 〕

φ＝arcsin〔b/（r²+g²+b²）

〕

虽然θ和φ各值可在0°到90°之间（包括两者本身）任取，但是θ+φ不会超过90°，这可由图5看出。在产生色度直方图以后，θ和φ的范围可均等地分为C个小范围（例如25个小范围），那末落在每个小范围内的象素数就可以得出。

图6（a）示出红绿兰空间的分隔，图6（b）示出这种分隔的行列表。一旦确定了要显示的颜色数的最大值（在本实施例中为4096），这些颜色的各色的θ和φ也就一一确定了，于是图3中的矩阵34的各计数寄存器可以根据θ和φ的各个小范围予先编排，即图6（a）的网格区中的各矩阵元素。于是在产生色度直方图时，色度直方图产生器40被启动来接收在地址控制器32控制下从矩阵34中依次读出的计数。通过为各矩阵元素累加相应的计数寄存器的 内容，色度直方图产生器40产生色度直方图。

接着，将以下屏蔽（mask）用于矩阵形式的直方图以使象素数均匀化。

M    M    M

M    1    M

M    M    M

M是0和1之间（包括本身在内）的一个屏蔽值，这里假设是0.5。当采用上述屏蔽时，它的中心用一个被均匀化了的值调定，此值通过每项将其上、下、左、右、上右、下右、上左、下左各值的M倍加到该值来校正。借此从仍然保持原样的初始的色度方图产生这个均匀的直方图。

步骤4：

在由均匀化了的矩阵元素组成的直方图产生以后，代表色选择器38选择一个包含有均匀值中最大值大于以下阈值T2的矩阵元素作为峰值。

T2＝（Pt/Ra）K2

在步骤2中选出的代表色已从Pt和Ra中删除。K2是一常数，在上式中最好K2等于K1。如果K2取大了，选出的峰值个数就会减少，也就是说每个峰值要选出更多的颜色。

步骤5：

在红绿兰空间中，在步骤4中所检测的峰值周围，在以下阈值T3（随机的）范围内的颜色被吸取，参阅图7。

T3＝（0.5+M）π/2C

假设图7所示的峰点位于图6（a）中一个相应网格的中心。上式中π/2C近似等于网格一边的长度，M为上述屏蔽值。如果M＝0.5，C＝25，则T3＝π/50。如果M值和C值是固定的，对图6（a）各网格而言，T3范围内的颜色可以予先得到。提供给代表色选择器一个具有325个网格（矩阵元素）的表格和T3范围内的相应颜色。当该选择器38检测一个峰值时，它就从该表中取出相应颜色，并将它们保存为一组。代表色选择器38然后将一个被检测作为峰值的矩阵元素的标志传送到色度直方图产生器40来修改色度直方图。色度直方图产生器40将这个被识别的矩阵元素在初始的未被均匀化的色度直方图中复位为0，并在从峰值周围的矩阵元素中减去该峰值的T3范围内各色的象素数之后，再利用如此修改的色度直方图进行均匀化。这次只重新计算初始色度直方图中与修改的矩阵元素有关的部分。此后，程序又回到步骤4，步骤4、5反复进行直到大于T2的峰值再也检测不出来时为止。

步骤6：

代表色选择器38用下式计算代表色的个数（这些代表色是指定给步骤5选出的各组的代表色）：

Ri＝（Gi/ $\underset{\mathrm{j\; =\; 1}}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}$ G_j）Ra

j＝1

上式中Ri为指定给第i组的代表色的个数，Gi为第i组的象素数，Ra为其余的代表色的个数，m为步骤5中选出的组数。上式 表明指定给各组的代表的个数正比于相关组的象素数。虽然每组的象素数都可从计数寄存器矩阵34中得出，但是共用区中的颜色不包括在此计算之内。当Ri得出后，代表色选择器38利用红绿兰空间中相关组含有的各色矢量的内积和峰值方向上的单元矢量产生直方图。此图是按照内积值依次安排象素个数产生直方图。网格和上述吸取的颜色的表格包含每种被吸取的颜色的内积，代表色选择器38访问此表，以便产生直方图。由于这个内积是利用各色矢量在峰值线上投影而得出的，所以它与各色的亮度相对应。

代表色选择器38然后在内积直法图中选取具有象素数大于hi（＝Gi/Ri）的颜色（不在共用区的）作为代表色。hi为该组内每个代表色的平均象素数。选出一种颜色以后，代表色选择器38就从Ri中减1，并从Gi中减去某象素数，以便修正hi。就这样，代表色的选择和hi修正的反复进行直到具有象素数大于已修正的hi的颜色再也检测不出来时为止。但是，在修正hi以前如果发现Ri为0，则停止选择代表色。

如果在上述过程中选出的代表色的个数小于Ri的初始计算值，则代表色选择器38按以下方式选取一个或更多个其它的代表色。

从原理上说，在各小组内确定一个代表色，各小组是通过分组形成的，所谓“分组”就是在内积直方图内从最小的内积即最黑色开始依次每hi个象素为一个小组。如果选出的任一代表色在分组期间被碰上，则立即停止选取。如果当前的小组内的象素数等于或小于hi/2，则此小组废除。反过来说，如果象素数大于hi/2，则此小组被看作为独立于选出代表色的那个小组的一个新的小组。在这种情况下，hi的值也要依次修正。在各小组都选出一个代表色 时，采用组员平均数。图8示出步骤6的流程图。根据有关输入图象，代表色选择器38将选出的代表色写入CLT16的专用区，并通知代表色映象器42有此代表色和CLT的地址。

步骤7：

红绿兰空间中的代表色和存贮在CLT16中的对应的代表色称为代表色映象的表格准备好。为此目的，代表色映象器42计算红绿兰空间的各色与选出的代表色之间的距离。因为那时共用区的颜色已由均匀取样法选出，所以在以下距离d之内的任一种颜色的代表色总会存在。

d＝〔3（m/2S）²〕

上式假设S×S×S的颜色以相等间隔分布在一个m×m×m的空间中。在本实施例中，由于m＝16、S＝4，所以d近似等于3.5。因此，对于各代表色而言，只根据d内的各种颜色计算距离，并将具有最小距离的代表色才指定给相应色。用这种方法，代表色映象器42产生代表色映象图，它作为一个表值保存着红绿兰空间中的4096种颜色之中的每一种颜色的CLT16的地址。此后，系统再次扫描输入图象，并将比特转换器30的输出传送给编码器44，在那里红绿兰各分量都具有4比特的象素数据利用代表色映象图被变换为CLT16的地址，并写入帧缓冲器14中相应的位置上。对每个输入图象都重复上述步骤，多幅图象可以同时用适当的颜色在显示器20上显示出来。

由于每幅图象既使用共用颜色，也使用专用颜色，所以它有可能比只用共用颜色或只用专用颜色的先有技术系统更准确的颜色显示出 来。当更换一幅图象时，只需重写相应专用区的颜色，而不需重写整个CLT。

Claims (4)

1、一种彩色图象显示系统，包括：一个帧缓冲存储器、一个颜色查询表、以及由帧缓冲存储器读出的数据访问颜色查询表的装置，用以产生在显示装置上显示的颜色数据顺序，上述系统的特征在于：

上述的颜色查询表包含第一区和多个其它区，第一区用以存贮多幅图像共用的颜色数据，多个其它区分别用以存贮与上述第一区内的颜色数据不同的、并且对应于上述图像中一幅图像有关的颜色数据；

均匀地对一个彩色空间取样的装置，用以产生上述颜色查询表的第一区的颜色数据；以及

量化器装置，用以对一输入数据图像自适应取样，以产生对应于该数据图像的颜色查询表区的颜色数据。

2、根据权利要求1所述的彩色图像显示系统，其特征在于：

上述量化器装置包括：用以除了选取频繁出现的各种像素颜色以外还根据亮度从像素数大于一预定值的色度组中选取颜色数据。

3、根据权利要求1所述的彩色图像显示系统，其特征在于：

上述量化器装置包括计数寄存器阵，用以记录一输入数据图像各种颜色的像素数。

4、根据权利要求3所述的彩色图像显示系统，其特征在于：

上述量化器装置包括颜色选择器装置，用以根据上述计数寄存器阵内的数据选择颜色，以传送给上述的颜色查询表。

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