作者： 田揚林 許志祥
摘要】 提出了一種基於二次查表實現真彩色圖像YUV／RGB格式轉換的快速有效算法，並將其應用於H.263編解碼中。採用這種二次查表相加法能提高運算速度近4倍而沒有任何圖像質量的損失。
【關鍵詞】 查表法； YUV／RGB格式轉換； 真彩色圖像； H．263編解碼
１ 引言
按照Ｈ．２６３標準規定，亮度和色度信號Ｙ，Ｃｂ，Ｃｒ（即後面的Ｙ，Ｕ，Ｖ）應符合國際無線電諮詢委員會ＣＣＩＲ６０１文件。按此文件Ｙ，Ｕ，Ｖ的計算公式爲
（１）
式中各系數分母均爲２５６是因爲Ｒ，Ｇ，Ｂ信號經８ ｂｉｔ量化後，電平有２５６個等級。式中色度信號減１２８就是把零電平上移到１２８，即總電平的一半。因爲色度信號經常有正有負，這裏先上移，以後在離散餘弦變換前和亮度信號Ｙ一起下移，色度信號恢復原來電平，對傳輸時降低碼率有利。將式（１）展開並推導可得到式（２）和（３）。
（２）
（３）
（４）
（５）
按照ＣＣＩＲ６０１規定，量化後色度信號峯峯值爲２２４等級電平，最低電平爲１６，最高電平爲２４０，亮度信號Ｙ量化後的電平有２２０級電平，最高電平爲２３５，最低電平爲１６。但是在文中編碼器取值範圍均爲０～２５５。
因爲Ｗｉｎｄｏｗｓ是位圖（ＲＧＢ）環境，而Ｈ．２６３標準要求輸入的是ＹＵＶ信號，因此在編碼前進行ＲＧＢ→ＹＵＶ轉換通常是必需的，如果要求顯示重建圖像ＹＵＶ→ＲＧＢ也是必需的。更重要的是有不少視頻採集卡僅支持ＲＧＢ３２，ＲＧＢ２４，ＲＧＢ１６等圖像格式，而不支持ＹＵＶ１６，ＹＵＶ１２格式，此時進行ＲＧＢ→ＹＵＶ轉換就是不可避免的了。因爲這兩次轉化均是通過大量的循環浮點運算來實現的（對ＱＣＩＦ圖像來說是１７６×１４４次循環），如果按照式（２）及（３）來進行運算，那麼每幀圖像編碼將爲此耗費近６０ ｍｓ的時間，這對於用軟件實現實時編解碼來說是難以忍受的。因此，提高轉換速度是非常必要的。
２ 實現過程
引入ＭＭＸ彙編能有效地提高上述各表達式的運算速度，但是會引入較大的誤差且並不能得到理想的運算速度。爲此，這裏採用查表同ＭＭＸ彙編相結合的方法，較好地解決了這一問題，現描述如下：
（１）首先，初始化１２個三維數組Ｈ＿Ｙ［１６］［１６］［１６］，Ｈ＿Ｕ［１６］［１６］［１６］，Ｈ＿Ｖ［１６］［１６］［１６］，Ｌ＿Ｙ［１６］［１６］［１６］，Ｌ＿Ｕ［１６］［１６］［１６］，Ｌ＿Ｖ［１６］［１６］［１６］，Ｈ＿Ｒ［１６］［１６］［１６］，Ｈ＿Ｇ［１６］［１６］［１６］，Ｈ＿Ｂ［１６］［１６］［１６］，Ｌ＿Ｒ［１６］［１６］［１６］，Ｌ＿Ｇ［１６］［１６］［１６］，Ｌ＿Ｂ［１６］［１６］［１６］。其中，Ｈ＿Ｘ［Ｒｈ］［Ｇｈ］［Ｂｈ］，Ｈ＿Ｘ［Ｙｈ］［Ｕｈ］［Ｖｈ］的值是先將Ｒｈ，Ｇｈ，Ｂｈ，Ｙｈ，Ｕｈ，Ｖｈ乘以１６後再按式（２），（３）計算所得的結果，而Ｌ＿Ｘ［Ｒ１］［Ｇ１］［Ｂ１］，Ｌ＿Ｘ［Ｙ１］［Ｕ１］［Ｖ１］的值就是將Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１，Ｙ１，Ｕ１，Ｖ１直接代入式（４）和（５）計算得到的；０≤Ｒｈ，Ｇｈ，Ｂｈ，Ｙｈ，Ｕｈ，Ｖｈ；Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１，Ｙ１，Ｕ１，Ｖ１≤１５。Ｒｈ，Ｒ１分別表示某一像素８ ｂｉｔ Ｒ分量的高四位和低四位值，其餘依次類推。
（２）求出輸入ＲＧＢ／ＹＵＶ序列的高４位和低４位值，分別查詢相應的６個表。
（３）將查詢得到的相關的兩個結果相加便得到各轉換分量值。
在第二步中，從８ ｂｉｔ量中得到高、低４ ｂｉｔ量所涉及的移位和與操作均可用ＭＭＸ指令來實現，因而更能加快轉換的速度。建立上面所提及的１２個表共消耗４８ ｋＢ的內存空間，這對於當前計算機配置來說簡直不值一提。然而，如果要一次查表達到目的那麼必須建立６個２５６×２５６×２５６的表，此時的內存消耗將達到９６ ＭＢ，這在目前來說當然是不能忍受的，故不會得到採用。實驗表明，採用這種二次查表相加法能提高運算速度４倍而沒有任何圖像質量的損失。算法的具體實現如圖１所示（ＲＧＢ→ＹＵＶ）。
圖１ ＲＧＢ－ＹＵＶ轉換算法流程圖
３ 結論
查表法是一種既簡單又實用的算法，其速度是任何其它算法不可比擬的，但是它的致命缺點是內存消耗較大。然而，隨着電子技術的飛速發展，以前一直困擾着編程人員的內存消耗問題基本得到了解決，其價格變得極爲便宜，一臺計算機配置３２ ＭＢ，６４ ＭＢ，１２８ ＭＢ內存已是極爲平常的一件事情。再加上Ｗｉｎｄｏｗｓ９５／９８／ＮＴ操作系統完善的內存管理機制，查表法便獲得了一個較爲寬鬆的應用環境。實驗表明，採用上述二次查表相加法能提高運算速度近４倍而沒有任何圖像質量的損失。在圖像處理和圖像編解碼中，查表法是一種非常實用的快速有效算法，值得大家去研究並推廣應用。
田揚林（上海大學 通信與信息工程學院， 上海 201800）
許志祥（上海大學 通信與信息工程學院， 上海 201800）
參考文獻
1， Ｄｒａｆｔ ＩＴＵ－Ｔ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ Ｈ．２６３－１９９５，Ｖｉｄｅｏ Ｃｏｄｉｎｇ ｆｏｒ Ｌｏｗ Ｂｉｔｒａｔｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．
摘自： http://elec.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.articles/dsjs/dsjs2000/0001/000102.htm
