基于FPGA的RGB到Y(jié)CrCb顏色空間轉(zhuǎn)換
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隨著多媒體和通信技術(shù)的發(fā)展，視頻圖像處理的實(shí)時性成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。視頻圖像處理一般都是用數(shù)字信號處理器(digital signal processor，DSP)來完成的。為了滿足實(shí)時性要求，往往采用多DSP或DSP陣列的方法，使系統(tǒng)在成本、重量、功耗等方面都會快速升高。現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)運(yùn)算的并行性和內(nèi)嵌DSP核等特點(diǎn)，能夠提高運(yùn)算速度滿足視頻處理的實(shí)時性要求。在視頻圖像顯示、處理時，采用的顏色空間主要有RGB，YCrCb兩種。RGB基于三基色原理，顏色實(shí)現(xiàn)簡單，在計算機(jī)、電視機(jī)顯示系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，YCrCb將顏色的亮度信號與色度信號分離，易于實(shí)現(xiàn)壓縮，方便傳輸和處理。在視頻壓縮、傳輸?shù)葢?yīng)用中經(jīng)常需要實(shí)現(xiàn)RGB與YCbCr顏色空間的相互變換。這里推導(dǎo)出一種適合在FPGA上實(shí)現(xiàn)從RGB到Y(jié)CbCr顏色空間變換的新算法，采用單片FPGA完成電路設(shè)計，利用FPGA內(nèi)嵌DSP核實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算，提高了轉(zhuǎn)換算法的運(yùn)行速度。
l 顏色空間
在RGB顏色空間中，自然界所有顏色都可以用紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三種顏色的不同強(qiáng)度組合而重現(xiàn)。RGB的取值范圍分別為0～255，表1列出了幾種顏色對應(yīng)的R，G，B取值。
RGB生成顏色容易實(shí)現(xiàn)，被廣泛應(yīng)用在計算機(jī)、彩色電視機(jī)的顯示系統(tǒng)中。但是RGB表示顏色的效率并不是很高，3個顏色分量同等重要，而且亮度信息存在于所有顏色分量中，當(dāng)需要對像素點(diǎn)的亮度或者色度值進(jìn)行修改時，必須同時改變RGB三者的值。
YCrCb顏色空間是在開發(fā)世界范圍數(shù)字分量食品標(biāo)準(zhǔn)過程中作為ITU-R BT．601標(biāo)準(zhǔn)的一部分而開發(fā)出來的。在YCRCb顏色空間中，Y表示亮度信號，取值范圍為16～235；Cr，Cb表示色度信號，取值范圍為16～240，亮度信號與色度信號相互獨(dú)立。這種顏色表示方法可以利用人眼的特性降低數(shù)字彩色圖像的存儲空間。人眼視覺系統(tǒng)(HVS)對亮度細(xì)節(jié)的敏感度高于顏色細(xì)節(jié)，適當(dāng)減少色度分辨率不會明顯影響圖像的
畫質(zhì)，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。
2 RGB到Y(jié)CrCb的轉(zhuǎn)換
在ITU-R BT．601標(biāo)準(zhǔn)中給出了RGB與YCrCb的轉(zhuǎn)換關(guān)系式如下：
式中：R’，G’，B’表示Gamma校正后的R，G，B值。該轉(zhuǎn)換關(guān)系式是一個3×3乘法矩陣，電路實(shí)現(xiàn)時需要9個乘法器和9個加法器，在FPGA中直接實(shí)現(xiàn)時將會占用較多邏輯資源。
為了減少邏輯資源的使用，需要對該算法做進(jìn)一步改進(jìn)，簡化運(yùn)算過程，從而以較少的邏輯資源實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換電路。首先對Cb，Cr做如下化簡：
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