用FPGA替代DSP實(shí)現(xiàn)即時(shí)圖像和視頻處理

　　色彩空間轉(zhuǎn)換

　　視頻系統(tǒng)另一重要部份是色彩空間轉(zhuǎn)換，該制程規(guī)定了圖像的表示方法，例如由一種色彩格式轉(zhuǎn)化為另一種不同的色彩格式。

　　人眼傳感器只能檢測(cè)到波長(zhǎng)介于400nm至700nm之間的可見光，這些傳感器稱為圓錐細(xì)胞，具有三種不同的類型：紅光圓錐細(xì)胞、綠光圓錐細(xì)胞和藍(lán)光圓錐細(xì)胞。如果單波長(zhǎng)的光可見，這三種傳感器的相對(duì)反應(yīng)能使我們鑒別出光的顏色。該現(xiàn)象極具實(shí)用價(jià)值，因?yàn)檫@意味著我們只需簡(jiǎn)單地按不同比例將上述三種光混合，就能產(chǎn)生各種顏色的光。這就是著名的三色原理，它在彩電系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

　　我們可以在3維立方體中藉由繪制三原色(即紅色、綠色和藍(lán)色，簡(jiǎn)寫為RGB)的構(gòu)成比率圖以表示各種顏色，其中黑色位于原點(diǎn)，而白色則位于原點(diǎn)的斜對(duì)角。得到的立方體就是著名的RGB色彩空間。

　　不管最終的顯示媒體是紙張、LED、CRT或等離子顯示器，圖像總可細(xì)分為很多個(gè)圖素(例如HDTV可具備1920×1080個(gè)圖素)。同時(shí)每種媒體之間又存在些許差異，但其基本原理都是每個(gè)圖素由一定比例的紅色、綠色或藍(lán)色構(gòu)成，構(gòu)成的比例取決于驅(qū)動(dòng)顯示的電壓信號(hào)。

　　利用RGB格式處理圖像時(shí)，每個(gè)圖素由3個(gè)分別對(duì)應(yīng)于三原色的8位或10位字確定，因而這不是一種最高效的處理方法。這種格式下，必須在所有的紅色、綠色和藍(lán)色信道上對(duì)圖素進(jìn)行作業(yè)，所需的儲(chǔ)存空間和數(shù)據(jù)頻寬毫無(wú)疑問(wèn)將比其它可供選擇的色彩格式更大。為了解決這個(gè)問(wèn)題，許多廣播標(biāo)準(zhǔn)(如歐洲的PAL和北美的NTSC電視系統(tǒng))均采用亮度和色度視頻信號(hào)。因此，不同的色彩格式之間需要一種能互相轉(zhuǎn)換的機(jī)制，即色彩空間轉(zhuǎn)換(圖2)。

　　用硬件實(shí)現(xiàn)這些電路則相對(duì)比較簡(jiǎn)單，只需要知道從一種格式映像到另一種格式的系數(shù)。最通用的一種轉(zhuǎn)換是由RGB格式轉(zhuǎn)換至YCbCr格式(反之則從YCbCr格式轉(zhuǎn)換至RGB格式)。研究顯示，人眼察覺到的光亮度信息(Y)的60％至70％來(lái)自綠色光。紅色和藍(lán)色信道實(shí)際上只是亮度信息的復(fù)制，因此這些重復(fù)信息完全可以去除掉。最終的結(jié)果是圖像可用表征色度和亮度的信號(hào)來(lái)表示。在這種格式下，8位系統(tǒng)規(guī)定亮度的取值范圍介于16至235之間，而Cb和Cr信號(hào)的取值范圍介于16至240之間，并規(guī)定128表示亮度為0。

　　可用如下的方程將YCbCr空間中的色彩轉(zhuǎn)換為RGB色彩空間中的色彩：

　　R'=1.164*(Y-16)+1.596*(Cr-128)

　　G'=1.164*(Y-16)-0.813*(Cr-128)-0.392*(Cb-128)

　　B'=1.164*(Y-16)+1.596*(Cr-128)

　　R'G'B'表示圖像灰度校正RGB值。例如，CRT顯示器的信號(hào)振幅與輸出密度之間存在非線性，如果在顯示信號(hào)之前進(jìn)行圖像灰度校正，就能使信號(hào)振幅與輸出密度間的關(guān)系趨于線性。輸出增益同樣必須限定低于特定的臨界值，以減少圖像暗區(qū)中的傳輸噪音(圖3)。

　　我們可以采用許多可行的方法實(shí)現(xiàn)所需的乘積功能，如利用內(nèi)存、邏輯組件或嵌入式乘法器。顯然，HDTV系統(tǒng)所需的74.25MHz數(shù)據(jù)率可輕松地達(dá)到，而且還可以嘗試不同的設(shè)計(jì)折衷考慮，如系統(tǒng)精確度和設(shè)計(jì)范圍之間的折衷。例如，為了保證3％的轉(zhuǎn)換誤差，YCbCr至RGB色彩空間轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)尺寸可以至少減小一半。這或許超出了大多數(shù)顯示器產(chǎn)品所能承受的范圍，但仍然能被其它的應(yīng)用系統(tǒng)接受，如機(jī)器視覺或安全系統(tǒng)。采用FPGA的系統(tǒng)架構(gòu)就能調(diào)整應(yīng)用系統(tǒng)的算法，由此實(shí)現(xiàn)最佳的性能和效率。