RGB转YCbCr算法 之Matlab & FPGA实现介绍

1.引言

虽然现在RGB是计算机视觉最基本的三原色组成结构，但是YCbCr也有非常重要的角色，甚至却之不可，理由如下：

1）很多机器视觉，图像处理/检测识别算法，不关注色彩，只需要在灰度域处理即可；

2）包括HDMI接口，UVC协议，BT656/709/1120等，都有采用YCbCr格式进行传输，保证了相互转换的一致性，同时采用YCbCr422/420有效降低了传输带宽；

3）不管实H.264还是AVS，JPEG，MJPEG等都采用YUV格式进行编码压缩；

4）and so on...

RGB转YCbCr虽然很基础，但是很重要（YCbCr转RGB雷同），怎样做更快也是一门学位。在本书开篇“图像处理硬件加速引擎”中，笔者引用conquer的《让你的软件飞起来》，从最初的计算机浮点运算120S，通过定点化、查找表等方式加速到了0.5S，提升了240倍，接着毕设介绍了硬件并行加速的思维，再次将计算时间缩短到了1ms左右，有一次提升了500倍，前后将近10万倍的加速，足以见得，硬件加速的重要性与意义。那么，废话少说，我们从新再梳理一遍。

2.YCbCr原理介绍：

YCbCr 则是在世界数字组织视频标准研制过程中作为ITU - R BT.601 建议的一部分，其实是YUV经过缩放和偏移的翻版。YCbCr其由Y（Luminance）、Cb（Chrominance-Blue）和Cr（Chrominance-Red）组成，其中Y表示颜色的明亮度和浓度，而Cb和Cr则分别表示颜色的蓝色浓度偏移量和红色浓度偏移量。

医学研究证明，人的肉眼对视频的Y分量更敏感，因此在通过对色度分量进行子采样来减少色度分量后，肉眼将察觉不到的图像质量的变化。如果只有Y信号分量而没有U、V分量，那么这样表示的图像就是黑白灰度图像。彩色电视采用YUV空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色电视信号。我们通常把YUV和YCbCr概念混在一起，但其实这两者还是有挺大的区别。

首先，YUV是一种模拟信号，其色彩模型源于RGB模型，即亮度与色度分离，适合图像算法的处理，常应用于在模拟广播电视中，其中Y∈ [0,1] U,V∈[-0.5,0.5] 。

而YCbCr是一种数字信号，其色彩模型源于YUV模型，它其实YUV压缩和偏移的版本（所谓偏移就是从[-0.5,0.5] 偏移到[0,1 ]，因此计算时候会加128），在数字视频领域应用广泛，是计算机中应用最多的格式，包括JPEG，MPEG，H.264/5， AVS等都采用YCbCr格式，我们通常广义的讲的YUV，严格的讲应该就是YCbCr。

YCbCr继续细分，有2种格式：tv range与full range，主要区别如下：

1）tv range：Y∈[16,235] Cb∈[16-240] Cr∈[16-240] ，主要是广播电视采用的数字标准；

2）full range：Y、Cb、Cr∈[0-255] ，主要是PC端采用的标准，所以也称pc range

关于为何tv range要量化到16-235，主要是由于YUV最终在模拟域传输，因此为了防止数模转换时引起过冲现象，于是将数字域限定在16-235。至于为什么选择16/235，可自行了解Gibbs Phenomenon吉布斯现象，这里不再继续展开。

所以RGB转YCbCr，得明确转tv range还是pc range；反之也可以通过像素值范围，去判断是tv range，还是pc range，甚至还得明确是什么格式范围，否则会导致偏色。如下图所示，为BT.601标准中YUV的的UV坐标模型（U越大越蓝，V越大越红）：

1）针对标准SDTV（标准分辨率电视），采用ITU-R BT.601数据格式，其中YCbCr的为tv range，所以YCbCr也有一定的区间范围，因此给出RGB与YCbCr的相互转换公式如下：

2）针对标准HDTV（高清晰度电视），采用ITU-R BT.709数据格式，其参数略有不同，这里给出RGB与YCbCr的相互转换公式如下：

3）最后，针对full range或者pc range的的YCbCr格式，这里YCbCr均为0-255的取值，其RGB与YCbCr的转换公式，如下：

因此在具体转换前，务必搞清楚当前的制式，否则很容易引起偏色甚至异常现象产生。另外，图像传感器可以配置输出RGB/YCbCr，因此相对应的手册一般也会给出转换公式，如下所示，为OV7725传感器手册中，RGB与YCbCr的转换关系。与上面full range下的RGB转YCbCr公式，还是有一些略微的区别。

3.RGB转YCbCr硬件思维推导

约定，我们采用上一节中full range的YCbCr转RGB的公式进行推导。

由于Y或者CbCr的计算类似，这里仅以Y为例进行推演，最原始的公式如下：

Y0 = R*0.299 + G*0.587 + B*0.114

首当其冲的是干掉浮点，那么进行256倍扩大后，如下（防止溢出，得取不大于本身的最大整数，即直接*256后直接舍去小数）

Y1 = R*76 + G*150 + B*29

由于扩大了256倍即2的8次方，那么对上述结果再右移8bit，得到最后的结果，如下（其中76+150+29=255＜1024，不会溢出）：

Y2 = (R*76 + G*150 + B*29)>>8

其实在PC中，采用查找表理论上会比乘法器更快，但由于FPGA中，本身就有乘法器资源，因此可以直接快速计算；但如果用查找表，则需要768*18bit的RAM缓存，反而代价更大，因此综合评估，乘法器最优。

同上，推导Cb/Cr的计算公式，如下：

Cb = (-R*43 - G*84 + B*128 + 32678)>>8

Cr = (R*128 - G*107 - B*20 + 32678)>>8

4.RGB转YCbCr Matlab实现

首先，我们基于Matlab进行仿真，这里先给出相关代码，如下（申明，本书中所有图像处理代码都不采用Matlab Image库，纯手工打造加速，便于读者的理解）

如上Matlab代码中，整体流程如下：

1）读取本地RGB格式的jpg图像；

2）创建Y通道与Cb/Cr通道图像数组；

3）分别计算YCbCr的数据；

4）uint8保存后，显示结果并保存于当前文件夹

这里Cb与Cr构建了3维数组，主要是为了借用RGB通道，显示B与R的偏移量。否则仅显示灰度的Cb Cr，没有直观的效果。

5.RGB转YCbCr FPGA实现

按照我在第*章中约定的方式，我们采用兼容通用并行视频流格式时序，如下图所示，本书所有图像算法的设计都将基于此时序，方便算法之间的Pipeline和移植。

由于RGB转YCbCr着实简单，那么我们直接上代码介绍，如下：

整体流程和Mtlab处理类似，只不过FPGA每个时钟处理一步运算，并行计算合计，花3个时钟计算得到结果，详解如下：

1）利用9个8bit乘法器，分别计算定点化后9个乘法，即Step 1

2）分别扩大256倍后的Y， Cb，Cr，即Step 2

3）缩小256倍，可以右移8bit，或者直接取高8bit，更省资源

4）由于耗费了3个clk，同步将vsync及href信号delay 3个clock，保持时序对齐。

上述设计由于太过于简单，都没有仿真的必要，直接上硬件。但为了将讲整个仿真平台搭建起来，后续我们提供一套基于modelsim的图像算法处理仿真环境。当前由于时间的限制，后续再补上相关内容，敬请期待。

本篇关于RGB转YCbCr的，基于Matlab与FPGA的实现思维，就讲解到此，如有问题请直言不讳，我也将知无不言，谢谢。

参考文献：

https://www.cnblogs.com/ninghechuan/p/9515639.html

https://www.cnblogs.com/luoyinjie/p/7219319.html

https://blog.csdn.net/qq_36955294/article/details/83443317

https://blog.csdn.net/cukexr2833/article/details/107841687

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