用于减少经压缩及经解压缩数字图像及视频的显示中的可见伪影的系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明的实施例涉及图像处理，且更特定来说涉及改进现有图像及视频压缩方法 的感知质量及/或效率。
【背景技术】
[0002] 实现良好图像及视频压缩效率需要选择紧密逼近人类视觉系统（下文中，HVS)的 差分敏感性的图像色彩及亮度的符号表示;否则，译码速率被浪费，如以引用的方式并入本 文中的琼L.米切尔（Joan L.Mitchell)等人的"MPEG视频压缩标准（MPEG Video Compression Standard)"（查普曼与霍尔有限责任公司，伦敦，英国，1996)中所描述。由于 HVS的感知机制是复杂且非线性的，因此用于视频及图像压缩、发射及显示的色彩系统及色 彩空间的设计遭受准确度及精确度对系统复杂性及实际实施方案的折衷。
[0003] 国际照明委员会（通常缩写为CIE ( Commi ss ion internat i onaI e de 1 ' eclairage))色彩空间（下文中"CIE1931XYZ"）提出基于人类色彩感知的粗略测量而产生色 彩空间的第一次尝试（即，1931指的是出版年代）<XIE1931XYZ用于基于JPEG2000的编解码 器系统（例如数字电影封包所使用的那些系统，如"数字电影系统规范版本1.2与勘误表" (DCI，LLC，2012年10月10日）中所规定）中，但其在其它方面由于其复杂性及对由系统实施 者（或终端用户）提供标准照明与三色刺激值的需要而未广泛用于视频发射系统中。尽管 CIE1931XYZ有对HVS的色彩感知敏感性的良好逼近，但CIE1931XYZ远不是HVS对色彩差异的 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-作为对HVS及其感知敏 感性的调查及仔细测量的结果而获得的知识，如国际色彩联盟，"规范ICC. 1:2004-10(特性 文件(profi Ie)版本4.2.0.0)图像技术色彩测量-架构、特性文件格式及数据结构（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之后且随着后来彩色电视的出现及标准化，在1953年开发照度(Y)、 同相（I)、正交(Q)色彩空间（下文中，"YIQ色彩空间"）主要作为用以在频带严重受限的发射 及接收制度中将彩色信号编码的方式。尽管相比于RGB磷光体阴极射线管彩色电视在其发 明及广泛使用时所需的RGB色彩空间表示，YIQ确实是对人类视觉感知特性的感知趋势的更 佳逼近，但YIQ色彩空间绝不是理想的。YIQ色彩空间主要是出于同时可用的具成本效益的 模拟射频组件的实际实施方案的目的且为了维持与现有"黑白"电视发射标准的向后兼容 性而构想。
[0005] YCbCr及Y ' CbCr色彩空间是YIQ色彩空间出于对人类视觉感知色彩处理及感知均 匀性的非常有效、但仍非常粗略的逼近的目的的衍生物。尽管这些色彩空间在于1980年代 早期设计时是实际的，但采用YCbCr及Y'CbCr色彩空间的设计限于具有非常有限的处理能 力及数字存储器传送带宽的简单数字电路及系统。YCbCr及Y'CbCr色彩空间表示形成采用 JPEG及MPEG压缩标准的较早及当前视频压缩编解码器系统的基础。尽管有其实际性，但 YCbCr及Y'CbCr色彩空间表示是低效的，这是因为其将显著照度及色彩深度符号速率或位 速率分配给感知上不显著的色彩差异。
[0006] 最近，已发布表示对HSV感知均匀性的更忠实逼近的色彩空间及感知差异框架，例 如"ISO 11664-4:2008(E)/CIE S 014-4/Ε:2007:联合IS0/CIE标准：比色法-第4部分：CIE 1976L*a*b* 色彩空间（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标准。CIELAB将明度及色彩维度中的感知敏感性及CIECAM02考虑在内，所述 CIECAM02描述于"CIE 159: 2004:用于色彩管理系统的色彩外观模型:CIECAM02(CIE 159: 2004: A Colour Appearance Model for Colour Management Systems :CIECAM02)''（下文 中，CIECAM02)中，其并入前述CIELAB维度以及如E.H.兰德(E.H.Land)在"色彩视觉的视网 膜皮层理论(The retinex theory of color vision)"（科学，美国，1977年）中所观察的众 所周知的空间中心-环绕视网膜皮层效应。
[0007] 甚至在定义感知上均匀的色彩空间上的这些先进努力也遭受特定观察到的异常。 一个实例称为"蓝-紫色调恒定性"问题，其中在明度横穿从暗到亮的色彩空间时，蓝色调色 彩不沿循完全线性路径，如莫罗尼(Moroney)的"使用梯度评价色调恒定性(Assessing hue constancy using gradients)"（色彩成像:独立于装置的色彩、色彩硬复制及图形艺术V (Color Imaging:Device-Independent Color,Color Hardcopy,and Graphic Arts V)，莱 纳埃斯克巴克(Reiner Eschbach)，加布里埃尔G.马尔库(Gabriel G.Marcu)编辑，SPIE学 报，第3963卷，第294页到第300页(2000年），其以引用的方式并入本文中）中所详细说明。此 外，CIELAB及其相关色彩空间的更特定色调恒定性异常已被仔细测量及映射（如布劳恩 (Braun)等人的1998年的"色调线性化的CIELAB色彩空间中的色域映射（Color Gamut Mapping in a Hue-Linearized CIELAB Color Space)"（IS&T/SID第六次色彩成像会议 (IS&T/SID 6th Color Imaging Conference)，第163页到第168页）中所教示），且比仅蓝-紫 恒定性问题更广泛。具体来说，此问题的大体所观察形式称为贝佐尔德_布鲁克(Bezold-Brucke)移位：明显色调可随照度改变(且反之亦然），且此效应已挫败寻找用于视频及图像 发射以及其它应用的感知上高效的色彩表示的努力。
[0008] 存在扩展或修改CIELAB及相关色彩空间表示上的许多尝试，例如高村(Takamura) 和小林（Kobayashi)的2002年的"用以改进均匀性的对CIELUV色彩空间的实际扩展 (Practical extension to CIELUV color space to improve uniformity)''（IEEICIP 002,其教示用以改进感知线性的跨CIELUV的交替转换矩阵系数），及贝伦斯(Behrens)的 "CIE-L*a*b*色彩空间的缺陷及SRLAB2色彩模型的介绍（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 色度适应模型的完全新的色彩空间表示，但其以蓝-紫(色调）恒定性换取色调角度均匀性 及色调-明度间隔长度均匀性的减小，尤其是在色彩空间的皮肤色区域中。
[0009] 明显地，不存在展现照度或明度均匀性、色调恒定性、色调角度均匀性及色调-明 度间隔长度均匀性的所有特性的完全感知上均匀的色彩空间，所有所述特性对用于视频及 图像译码及发射的理想色彩空间表示均是必要的。
[0010] 由于YCbCr及Y'CbCr色彩空间主要为了实施方案的简化及实际性且稍后出于向后 兼容性原因的开始时期，大多数视频编码器系统今天仍保持基于利用YCbCr色彩空间而不 是最近、更复杂但感知上更均匀的色彩空间及基于感知差异的色彩表示而标准化。
[0011] 使用YCbCr作为用于视频压缩的色彩空间基础的低效率扩展超出色彩符号表示以 及照度的理想化。举例来说，CIELAB还引入用于明度感知而不仅是色彩(且在大多数图像及 视频编码及显示系统中）的非线性、非指数感知曲线，此仅被过于简单的指数伽马函数考虑 在内。实际观察者测量已证明，简单指数或对数关系不足以表示照度的感知差异，尤其是在 低照度范围区域中，如CIELAB中所教示。
[0012] 然而，尽管有包含减小的重构质量及浪费的译码速率的缺点，但即使是在本发明 的时间的最当前视频及图像编码系统(例如所提出HEVC视频编码标准)继续利用YCbCr作为 色彩空间基础。
[0013] 当前视频编码系统的色彩空间基础及符号表示的选择的缺陷是本技术领域中众 所周知的，且已存在矫正或至少缓解这些编解码器低效率的负面影响的数次尝试。使用感 知上均匀的色彩空间表示作为用于图像及视频压缩的基础的较早尝试(例如莫罗尼及费尔 柴尔德(Fairchild)的"用于JPEG图像压缩的色彩空间选择(Color space selection for JPEG image compression)"（电子成像杂志（Journal of Electronic Imaging)4(4)，373_ 381 (1995年10月））及朱克鲁(Drukarev)的"色彩空间的压缩相关的性质（Compression-related properties of color spaces)" （SPIE，第3024 卷） 中所教不的那些尝试） 被其用 于实时编码及解码的应用的复杂性或其展现相比来说较少益处所挫败。此外，当与RGB、YIQ 或YCbCr相比时，扩展地用于相关技术中的CIE1931XYZ色彩空间被公认为更佳逼近人类视 觉系统对色彩差异的敏感性，但其也因高达80:1的比率而为高度不均匀的，如波因顿查尔 斯（Poynton Charles)的"对数字视频的技术介绍（A Technical Introduction to Digital Video)"（约翰威利父子出版公司（John Wiley&Sons)，1996)及在 "www · poynton · com/CoIorFAQ · html"下的所附"关于色彩的常被问到的问题（FrequentIy Asked Questions about Colour)"（下文中，波因顿）（其两者均以引用的方式并入本文中） 中所论述。对于CIELAB，此比率改进为大约6:1，但如波因顿指出，CIELAB转换针对视频在计 算上非常昂贵，且在其写此文时不适合于实时处理。均匀性是实现最高效译码的关键概念， 且即使是CIELAB也远不是理想感知上均匀的色彩空间，如现有技术中所展示。
[0014] 其它方法(例如第US 2012/0314943 Al号美国专利申请公开案（下文中，"