計算機數(shù)字圖像處理常用顏色空間及轉換

包新月 俞磊

（安徽中醫(yī)藥大學 安徽省合肥市 232000）

對圖像色調的認識與處置在電腦數(shù)字圖像處理階段會時常用到[1]。比如在CRT 顯示器中，掃描儀與打印機運用階段，均要權衡到不同的色彩空間。例如打印機運用CMYK 顏色空間，顯示器是RGB 色彩空間，在完成由圖片到顯示器到打印機的打印工作中，要意識到其色彩轉換需求，這部分是電腦彩色體系中需要解讀的基本常識[2]。伴隨計算機多媒體科技的日新月異，色彩處理科技在數(shù)字圖像處理階段中得到了廣泛的運用，與灰度圖像對比，彩色圖像提供了更多的訊息。

1 色彩系統(tǒng)

1.1 RGB色彩系統(tǒng)

RGB 顏色系統(tǒng)是最為常規(guī)的顏色系統(tǒng)，其是由（CIE）國際照明委員會在1931年提出的。自然界內的全部色彩都能夠有紅色、綠色、藍色三大基色進行表示，其相應的波長依次是700nm、546.1nm、435.8nm，并且在CIE-RGB 體系中，配套等能白光的三原色（R）、（G）、（B）亮度比率是1000：49507：0.0601,幅亮度比率也能夠進行顯示。

以紅色為實例，某類色彩含紅色比例能夠被分成0—255 共256個色階，0 級代表不包括紅色，255 階代表包含100%的紅色元素。相似地，綠色與藍色也能夠分成256 階。如此，依照R、G、B 的類似組合就能夠分成256×256 ×256（大概1600 萬）中色彩。

1.2 CMY顏色系統(tǒng)

RGB 顏色系統(tǒng)是加色合成法（Additive Clolor Synthesis），但是在印刷領域則通用CMY 顏色系統(tǒng)，也就是Cyan、Magenta、Yellow。通常所用到的四色印刷CMYK 是要算入黑顏色的。其通過色彩疊減來形成其余色彩，因此這類模式也被叫做減色合成法。圖1 為CMYK 色彩系統(tǒng)簡圖。

2 數(shù)字圖像處理階段常用的色彩空間

顏色空間是說某類3D 色彩空間中的一部可顯示光子集，其包括某類顏色域的全部色彩，色彩空間能夠用來顯示顏色間的關聯(lián)。數(shù)字圖像處置階段常用的色彩空間包含RGB、CMY 等。

3 顏色空間的轉化

相異的色彩空間使用的場景是迥異的，例如一張圖片在電腦中是通過RGB 顯現(xiàn)的；使用YUV 或HIS 編輯處置；打印輸出階段要轉化成CMY 印刷階段要轉化成CMYK。在使用實踐中，必須在各類迥異的色彩空間完成轉化，以滿足不同需要。

3.1 RGB和CMY/CMYK色彩空間的轉化

圖1：CMYK 色彩系統(tǒng)簡圖

由于CMY 色彩空間與RGB 空間的相互補充的功能，也就是使用白色減去RGB 空間內的某項色彩數(shù)據(jù)就相當于同樣顏色在CMY 空間中的數(shù)據(jù)。依照該原理，極易通過計算將RGB 空間轉化成CMY 空間。

3.2 系統(tǒng)整體設計

系統(tǒng)的整體方案設計是對TVP5150 分配完成時，應首先將CCD 攝錄設備的光學圖像準變?yōu)橐曨l參數(shù)，并將其錄入到TVP5150 視頻解碼設備中從而完成相應的解碼操作，采用TVP5150視頻解碼設備可將CCD 讀寫的NTSC、PAL 視頻信號轉變?yōu)镮TURBT.656，之后在FPGA 重病完成編程、串并處理、顏色元素轉化、幀儲蓄，并構建和VGA 規(guī)則相契合的時序與訊號，最后將ADV7123 視頻D/A 轉換芯片以便進行D/A 轉換、錄入，使其能夠在顯示設備中顯現(xiàn)。

TVP5150 主要是經(jīng)由TI 公司開發(fā)的一部超低耗能與性價比極高的解碼元件，能夠把NTSC 與PAL 視頻信號轉化成數(shù)字色彩信號，極為適合攜帶，其視頻商品的品質相對較高，需借助準則化的I2C 總線進行創(chuàng)設。上述設計主要是借助Verilog 硬件設備對I2C 總線進行的相應的管控設施構建，并主要是依據(jù)其序賦值進行設備儲蓄，并對TVP5150 訊號進行相應的處理操作。ADC7123 屬于高速三路十位環(huán)境下的RGB D/A 轉化零件，是一種數(shù)字圖像信息虛擬化產品。

3.3 I2C總線管控設施

透過I2C 總線進行TVP5150 的配置。I2C 總線透過串行參數(shù)錄入/輸出端（SDA）及鐘表錄入/輸出線（SCL）完成數(shù)據(jù)傳送，準則化速度：100kbit/s，最高速率：400kbit/s。在本文當中FPGA設備主要是用以編寫Verilog 語言并進行I2C 總線的構建。首先，可將FPGA 下的100GHz 進行頻率分解并當成管理設備的作業(yè)鐘表，透過對該作業(yè)鐘表的SCL 高低電平周期、重建原始環(huán)境下的時序。比如，僅通過4 部作業(yè)鐘表就能夠形成4.9ns 的原始環(huán)境的時間。之后依照I2C 協(xié)約，獲得原始數(shù)據(jù)、原始地質、寫入許可等一些指令，依次完成對各儲藏設備的賦值，進而完成對TVP5150 的分配。

4 FPGA模態(tài)下的顏色元素轉化

此體系在FPGA 中對TVP5150 錄入的BT.656 參數(shù)實施解析，透過解交織。串并聯(lián)系、顏色元素轉化、幀處理、VGA 時序管理訊號的分析，得到RGB 環(huán)境下的參數(shù)流。

4.1 解交織

在解交織系統(tǒng)的應用過程中，能夠實現(xiàn)對TVP5150 錄入的數(shù)字視頻解碼，進而獲取到YCbCr 視頻訊號。

一幀完備的PAL 環(huán)境下的ITU-R BT.656 數(shù)據(jù)分成奇數(shù)組與偶數(shù)組，23-311 是偶數(shù)組的數(shù)據(jù)；366-624 為奇數(shù)組數(shù)據(jù)，其余則為場控制信號。每個ITU-R BT.656 參數(shù)原本的288 位是管控訊號。起始階段的4 位是EAV（有價值視頻總結信號），并且對接280 個固定填制數(shù)據(jù)，最終4byte 為SAV 信號。

SAV 信號與EAV 信號有3byte 的引導數(shù)據(jù)：FF，00,00；最終1byteXY 是通過既定數(shù)據(jù)1，F(xiàn)（奇偶標記）、V、H 與由F，V,H計算所得低四位構造。

同過連續(xù)判斷FF，00,00 和XY 進行F，V，H 的提煉以及有意義的視頻信號預判，管控后期視頻的處理、幀緩沖系統(tǒng)以及DAC 系統(tǒng)時序構造。讓錄入視頻參數(shù)流依次流過五到八位儲存設施，所以時鐘延遲并得到錄入時序訊號TRS，對中央三個儲蓄設備進行操控，當其數(shù)據(jù)都是FF,00,00 階段，TRS 預設為1，反之就是零。當TRS 信號改編成1 之后，判斷隨之而來的XY 數(shù)據(jù)并獲得F，V，H 訊號。

4.2 4:2:2 —— 4:4:4串并轉換系統(tǒng)

本文把4:2:2 串聯(lián)參數(shù)變換為4:4:4 并聯(lián)參數(shù)，中心缺少Cb、Cr 參數(shù)可以通過插值的方式獲得。因為YCbCr 信號屬于串行數(shù)據(jù)流。（見表1）

表1：YCbCr 模式下的串行數(shù)據(jù)流

創(chuàng)設一部計算器并實施挑選，數(shù)據(jù)是零與二為Cb、Cr、Cb 訊號，數(shù)據(jù)是一與三的為Y 訊號，從而進行串行訊號轉變，YCbCr 的串行參數(shù)被單獨隔離。

4.3 色彩空間轉化模塊

該模塊是對分解的有價值YCrCb 數(shù)據(jù)轉化成RGB 模式的數(shù)據(jù)值。針對YCrCb 到RGB 的轉化能夠使用下列算式實現(xiàn)：

在FPGA 內為了方便使用Verilog 語言完成，首先對數(shù)據(jù)實施擴大處置，通過科學轉換后可以得到算式。

等號右端的運算數(shù)據(jù)錄入16 位的儲蓄器內，讀取高八位的數(shù)據(jù)就能夠獲得R，G,B 的數(shù)據(jù)。通過轉化后，三路的并行YCrCb數(shù)據(jù)值改編成三路并行的RGB 數(shù)據(jù)值。筆者定義了五到十位的二進制reg 數(shù)據(jù)const1 （10′b0100101010 ） ，const2 （10 ′ b 0110011000 ） ，const3 （10 ′ b0011010000 ） ，const4 （10 ′ b 0001100100 ） ，const5 （10 ′ b1000000100）與八個十八位二進制reg 變量X_int，三項八位reg 類儲蓄設備最后輸入R_int [15 ∶8]等數(shù)據(jù)就能夠得到轉換后的R,G,B 數(shù)據(jù)值。

4.4 幀緩存

在PAL 錄入環(huán)境當中，YCbCr 屬于隔行參數(shù)的一種，需將隔行的視頻訊號處理為逐行，而透過顏色元素轉化后的三個參數(shù)（R，G，B）中的每一回路中所包括的1716 個周期，并且剛好是VGA 兩行的周期，因此將1 行的數(shù)據(jù)儲蓄后使用兩大RAM 實施乒乓儲備，如果RAM1 使用13.5MHz 鐘表接納則經(jīng)由色彩空間轉換模塊寫入到RGB 圖片數(shù)據(jù)中，利用RAM2 解讀27MHz 鐘表，當RAM1 儲備完成1 行數(shù)據(jù)時則可對RAM2 內1 行數(shù)據(jù)進行2 次解讀，兩個行儲備工作做完后，實施轉換，RAM1 內的數(shù)據(jù)讀取，RAM2接納數(shù)據(jù)。由此類推，利用乒乓儲備后奇行有價值數(shù)據(jù)進行兩次讀取，完成了數(shù)據(jù)流的無縫緩沖。

5 結束語

綜上所述，在本文中通過采用經(jīng)由Xilinx 公司研發(fā)的Virtex-4設備并將FPGA 作為視頻錄入芯片，借助TVP5150 解碼設備對其所編寫的視頻數(shù)據(jù)流實施解交織、串并轉化、顏色空間轉化、幀緩存并在FPGA 中建立了與VGA 準則的時序與管控信號相吻合的數(shù)據(jù)流，并且完成了對FPGA 芯片內部的高速及時處理，而且耗能低、成本性強，有著極高的使用價值與可操作性。