基于FPGA的可變規(guī)模多格式Y(jié)CbCr到RGB快速轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

摘要：文章介紹了YCbCr色彩空間和RGB色彩空間之間的轉(zhuǎn)換的方法，實現(xiàn)了不同規(guī)模以及不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的YCbCr到RGB的快速硬件轉(zhuǎn)換。采用數(shù)據(jù)重排列和數(shù)據(jù)分離等方法，不僅支持QCIF到HDTV多種分辨率的視頻轉(zhuǎn)換，而且支持YCbCr444、YCbCr422和YCbCr420等多種打包或平面YCbCr格式。本設(shè)計方案已用VerilogHDL語言實現(xiàn)，并在FPGA平臺驗證通過，轉(zhuǎn)換后的RGB視頻可直接輸出到顯示器顯示，并能實現(xiàn)視頻控制，存儲，回放等功能。

0 引言

色彩空間是通過數(shù)值的形式來描述顏色，在數(shù)字電視和計算機領(lǐng)域最常用到的為RGB(Red，Green，Blue)色彩空間和YCbCr(Luminance，

Chroma Blue，Chroma Red)色彩空間。RGB是最常見的色彩空間，通過紅、綠、藍三種基色相互疊加從而產(chǎn)生其它顏色。由于其設(shè)備的獨立性，它被廣泛應(yīng)用于計算機圖形、成像系統(tǒng)和彩色電視之中，如現(xiàn)在普遍的計算機顯示器用的VGA接口所需要的數(shù)據(jù)類型就是RGB。YCbCr色彩空間則是灰度和色差的疊加，這種色彩空間因易于壓縮和處理，廣泛應(yīng)用于廣播、電視系統(tǒng)和圖像處理。

由于不同色彩空間在視頻設(shè)備的使用，使色彩空間的相互轉(zhuǎn)換成為必需。隨著計算機、互聯(lián)網(wǎng)和多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，對色彩空間轉(zhuǎn)換的要求也越來越高，這更突顯出色彩空間轉(zhuǎn)換的重要性。

色彩空間轉(zhuǎn)換的主要目的是令所有的輸入數(shù)據(jù)在進行運算和處理或者顯示前都基于相同的色彩空間。對于YCbCr轉(zhuǎn)RGB而言，主要的問題在于兩個方面，一個是視頻格式的規(guī)模，也就是我們所說的分辨率，高的分辨率意味著需要更多的硬件資源和更快速的計算過程;另一個是YCbCr本身具有很多不同的格式，而目前的轉(zhuǎn)換器一般都是基于其中一種固定的格式，對于其他格式的YCbCr數(shù)據(jù)并不支持，所以為了支持多種YCbCr數(shù)據(jù)格式，必須把不同的YCbCr數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一種格式來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。

1 YCbCr與RGB色彩空間

1.1 YCbCr色彩空間

在常見的消費類視頻產(chǎn)品中，常用的色彩空間是YCbCr。人眼對視頻的Y分量更敏感，因此可以在采樣時適當減少Cb和Cr分量從而實現(xiàn)視頻的壓縮，因此YCbCr格式有三種不同格式：4：2：0、4：2：2和4：4：4。這三種格式又分為打包模式和平面模式兩大類，區(qū)別在于不同像素的Cb和Cr位于Y分量之間還是之后。

移動視頻設(shè)備是以YCbCr4：2：0的方式記錄，隨著H.264視頻解碼標準的推廣和良好的壓縮比率，YCbCr4：2：0應(yīng)用越來越多。4：2：0表示每4個像素有4個亮度分量，2個色彩分量，以8個像素點為例，數(shù)據(jù)格式如下：

4：2：2表示每4個像素有4個亮度分量，4個色彩分量，是數(shù)字電視、有線視頻傳輸設(shè)備的最常用格式。以8個像素點為例，數(shù)據(jù)格式如下：

4：4：4是最接近RGB的采用格式，每一個像素都有三個分量，應(yīng)用于需要高質(zhì)量視頻采集的專業(yè)視頻產(chǎn)品。以8個像素點為例，數(shù)據(jù)格式如下：

由這三種數(shù)據(jù)格式分析可知，他們僅在采樣點和采樣點分布上有所不同，Y分量是每個像素都需要采樣的，而Cr、Cb分量可以根據(jù)對數(shù)據(jù)格式和視頻質(zhì)量要求的不同而自主選擇。這三種數(shù)據(jù)格式因為排列順序不同又叮分為不同的類型，所以實現(xiàn)可變規(guī)模的多格式轉(zhuǎn)換首先要把不同的YCbCr格式轉(zhuǎn)換成一個易于統(tǒng)一的格式，三個數(shù)據(jù)格式的對比如表1所示。

綜上所述，YCbCr的采樣格式將直接影響到圖像數(shù)據(jù)存取空間大小，以及讀取和存儲圖像的速率。要實現(xiàn)YCbCr4：2：0，YCbCr4：2：2與YCbCr4：4：4三種格式都能夠成功地轉(zhuǎn)換為RGB信號，就必須把這三種格式轉(zhuǎn)換為同一種格式，然后再轉(zhuǎn)換為RGB信號的格式。為最大限度保留各種圖像質(zhì)量，選用YCbCr4：4：4平面格式為統(tǒng)一格式。通過邏輯排列電路把不同格式的YCbCr序列轉(zhuǎn)換成YCbCr4：4：4序列，并把YCbCr信號分別存在三個不同的FIFO中，再由YCbCr—RGB轉(zhuǎn)換模塊讀取三個并行FIFO中的序列進行轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.2 YCrCb到RGB色彩空間變換原理

YCrCb色彩空間與RGB色彩空間的對應(yīng)關(guān)系如下：

人眼能夠分辨的顏色數(shù)量遠小于256，所以一般都使用8bit的位寬來描述顏色，其中R、G、B、Y、Cr、Cb都為0～255的整數(shù)。為最大程度減少變換過程產(chǎn)生的誤差，轉(zhuǎn)化成公式(2)計算。

R=1.164(Y-16)+1.596(Cr-128)

G=1.164(Y-16)-0.813(Cr-128)-0.392(Cb-128) (2)

B=1.164(Y-16)+2.017(Cr-128)

注意到等式中包含的7個因式，其中有3個是相同的，該因式只需計算1次，送到相應(yīng)的加法器進行之后的運算。

由于在硬件實現(xiàn)時，計算過程不支持浮點計算，所以要把計算過程進行取整，如式(3)。

R=1.164Y+1.596Cr-223

G=1.164Y-0.813Cr-0.392Cb-173 (3)

B=1.164Y+2.017Cb-277

硬件實現(xiàn)框圖如圖5所示。

2 YCrCb到RGB變換的FPGA實現(xiàn)

2.1 硬件實現(xiàn)方法和優(yōu)化

根據(jù)視頻格式轉(zhuǎn)換的特點和需求，本文采用FPGA硬件系統(tǒng)來實現(xiàn)多種視頻格式的YCbCr格式轉(zhuǎn)換和RGB顯示。在FPGA設(shè)計中由色彩空間YCrCb到RGB的轉(zhuǎn)換有三種方法。第一種是利用嵌入式處理器，采用軟件的辦法實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，這樣做一來硬件消耗大，另一方面在FPGA上處理器的運算速度達不到大數(shù)據(jù)實時顯示的要求。第二種是用Verilog代碼來表達轉(zhuǎn)換公式，這種方法需用到5個乘法器，而且YCbCr到RGB的轉(zhuǎn)化均是通過大量的浮點運算來實現(xiàn)的，每個像素點都要進行一次計算，所以如果是高清視頻，用100MHz時鐘每幀圖像的轉(zhuǎn)換將為此耗費近54ms的時間，而如果要達到30f/m的顯示要求，這個時間不能超過33ms。第三種方法是利用查找表法，把乘法結(jié)果用查找表的形式取得。這種方法不僅減小了浮點運算的誤差，也使得計算速度比前兩種方法快了一個數(shù)量級，并且YCbCr的值都在0～255之間，所以每個查找表項目都只有256項，并不會過多地占用硬件資源。

查找表中預(yù)存的數(shù)值是各個因式的值，為提高的炔考撲憔度，又不占用過多的RAM資源，綜合考慮可將各個因式數(shù)值擴大2倍進行存儲，RAM的數(shù)據(jù)寬度可設(shè)定為9位。由查找表讀出的數(shù)值經(jīng)過加減運算后再右移一位的簡單運算就可以把數(shù)值縮小到原先的位數(shù)，再經(jīng)過鉗位運算限制在0～255之間，計算公式如下：

R=(2.328Y+3.192Cr-446)>>1

G=(2.328Y-1.626Cr-0.784Cb+346)>>1 (4)

B=(2.328Y+4.034Cr-554)>>1

用查表法實現(xiàn)轉(zhuǎn)換中的乘法計算，在硬件實現(xiàn)YCbCr轉(zhuǎn)RGB的實時視頻顯示有著重要的意義，表2是YCbCr轉(zhuǎn)RGB不同方法的實驗數(shù)據(jù)，本文用于驗證該模塊的器件是Altera公司的Cvclone2-EP2C70F896C6。占用的綜合工具為Design Compiler，通過時序約束最快時鐘頻率可以達到102MHZ。

浮點乘法是影響轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵，而使用查找表法避免了浮點乘法的運算，使轉(zhuǎn)換效率提高了1個數(shù)量級。要支持高清格式30f/s實時轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間要低于33ms，加之數(shù)據(jù)存儲的延時，用查找表構(gòu)造轉(zhuǎn)換模塊是必要的。用查找表法實現(xiàn)的模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。

通過構(gòu)造RAM1～RAM5五個查找表映射單元，把輸入的信號分別按式(4)的方式計算出RGB相應(yīng)的結(jié)果，直接送給顯示緩存寄存器。本文用的測試平臺是Altera DE2-70開發(fā)板，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，內(nèi)部主要分為數(shù)據(jù)重組模塊、查找表模塊、控制模塊和顯示模塊。數(shù)據(jù)重組模塊能通過設(shè)置不同的分辨率和YCbCr格式把YCbCr數(shù)據(jù)分別提取儲存在三個FIFO中，查找表模塊負責通過FIFO中Y、Cr、Cb的值輸出浮點乘法的運算結(jié)果，再加減運算后輸出轉(zhuǎn)換后RGB24位的值?？刂颇K負責控制碼流的播放、暫停和存儲回放等擴展功能。顯示模塊負責驅(qū)動碼流到VGA顯示。

2.2 系統(tǒng)驗證

2.2.1 數(shù)據(jù)驗證

系統(tǒng)驗證包含兩個部分，首先要驗證不同格式的YCbCr轉(zhuǎn)換為YCbCr444的碼流是正確的，這部分可以先用ModelSim把轉(zhuǎn)換邏輯進行仿真，分別把Y、Cb、Cr三個數(shù)據(jù)按順序存在對應(yīng)的三個FIFO中。

之后通過MATLAB的數(shù)據(jù)比較命令strcmp，將FIFO中的YCbCr444數(shù)據(jù)與MATLAB轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進行比較。分別使用QCIF、CIF、HDTV三種分辨率進行隨機一幀碼流的驗證，返回值都為1，證明轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可靠。

系統(tǒng)整體通過ModelSim仿真結(jié)果如圖8所示。

在圖8中，adr_y、adr_u、adr_v，為數(shù)據(jù)重組后的YCbCr地址，y_in、Cb_in、cr_in分別為待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，R_out、G_out、B_out為轉(zhuǎn)換后的輸出結(jié)果。ena_in和ena_out為輸入使能和輸出使能信號，這兩個信號可以控制視頻轉(zhuǎn)換的啟動和停止，在2個時鐘周期之后就可以有顯示結(jié)果出現(xiàn)，這僅僅需要6 μs，人眼根本感覺不到延遲，可以用在對轉(zhuǎn)換速度要求較高的系統(tǒng)上。像素計數(shù)器為cn，在一幀圖像完全轉(zhuǎn)換后幀計數(shù)器counter會計數(shù)一次，通過這個可以提取完整的一幀圖像進行檢驗。

2.2.2 FPGA系統(tǒng)驗證

將整個系統(tǒng)燒錄到FPGA中進行硬件驗證，輸入的視頻編碼通過SD卡讀入系統(tǒng)，進行YCbCr格式的重組，這里選用了三種格式三種分辨率的視頻編碼，如圖9所示分別為YCbCr420格式OCIF分辨率、YCbCr422格式CIF分辨率和YCbCr444采樣格式HDTV分辨率通過YCbCr-RGB轉(zhuǎn)換后某一幀圖像的顯示結(jié)果。顯示結(jié)果表明該方法可以正確實現(xiàn)30f/s的不同規(guī)模和不同格式的YCbCr-RGB實時轉(zhuǎn)換。

3 結(jié)語

本文基于FPGA構(gòu)建硬件平臺，實現(xiàn)不同分辨率和不同格式的YCbCr視頻數(shù)據(jù)的存儲、處理和VGA輸出，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能完善、配置靈活、系統(tǒng)穩(wěn)定的特點。視頻格式轉(zhuǎn)換方法適用于大部分視頻圖像處理的通用平臺，滿足視頻圖像高精度快速實甲換和顯示的要求?？蓱?yīng)用于多種制式視頻采樣數(shù)據(jù)與輸出接口數(shù)據(jù)格式不匹配的場合，具有一定的應(yīng)用價值。