用FPGA替代DSP实现即时图像和视频处理

　　色彩空间转换

　　视频系统另一重要部份是色彩空间转换，该制程规定了图像的表示方法，例如由一种色彩格式转化为另一种不同的色彩格式。

　　人眼传感器只能检测到波长介于400nm至700nm之间的可见光，这些传感器称为圆锥细胞，具有三种不同的类型：红光圆锥细胞、绿光圆锥细胞和蓝光圆锥细胞。如果单波长的光可见，这三种传感器的相对反应能使我们鉴别出光的颜色。该现象极具实用价值，因为这意味着我们只需简单地按不同比例将上述三种光混合，就能产生各种颜色的光。这就是著名的三色原理，它在彩电系统中获得了广泛的应用。

　　我们可以在3维立方体中藉由绘制三原色(即红色、绿色和蓝色，简写为RGB)的构成比率图以表示各种颜色，其中黑色位于原点，而白色则位于原点的斜对角。得到的立方体就是著名的RGB色彩空间。

　　不管最终的显示媒体是纸张、LED、CRT或等离子显示器，图像总可细分为很多个图素(例如HDTV可具备1920×1080个图素)。同时每种媒体之间又存在些许差异，但其基本原理都是每个图素由一定比例的红色、绿色或蓝色构成，构成的比例取决于驱动显示的电压信号。

　　利用RGB格式处理图像时，每个图素由3个分别对应于三原色的8位或10位字确定，因而这不是一种最高效的处理方法。这种格式下，必须在所有的红色、绿色和蓝色信道上对图素进行作业，所需的储存空间和数据频宽毫无疑问将比其它可供选择的色彩格式更大。为了解决这个问题，许多广播标准(如欧洲的PAL和北美的NTSC电视系统)均采用亮度和色度视频信号。因此，不同的色彩格式之间需要一种能互相转换的机制，即色彩空间转换(图2)。

　　用硬件实现这些电路则相对比较简单，只需要知道从一种格式映像到另一种格式的系数。最通用的一种转换是由RGB格式转换至YCbCr格式(反之则从YCbCr格式转换至RGB格式)。研究显示，人眼察觉到的光亮度信息(Y)的60％至70％来自绿色光。红色和蓝色信道实际上只是亮度信息的复制，因此这些重复信息完全可以去除掉。最终的结果是图像可用表征色度和亮度的信号来表示。在这种格式下，8位系统规定亮度的取值范围介于16至235之间，而Cb和Cr信号的取值范围介于16至240之间，并规定128表示亮度为0。

　　可用如下的方程将YCbCr空间中的色彩转换为RGB色彩空间中的色彩：

　　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'表示图像灰度校正RGB值。例如，CRT显示器的信号振幅与输出密度之间存在非线性，如果在显示信号之前进行图像灰度校正，就能使信号振幅与输出密度间的关系趋于线性。输出增益同样必须限定低于特定的临界值，以减少图像暗区中的传输噪音(图3)。

　　我们可以采用许多可行的方法实现所需的乘积功能，如利用内存、逻辑组件或嵌入式乘法器。显然，HDTV系统所需的74.25MHz数据率可轻松地达到，而且还可以尝试不同的设计折衷考虑，如系统精确度和设计范围之间的折衷。例如，为了保证3％的转换误差，YCbCr至RGB色彩空间转换器的设计尺寸可以至少减小一半。这或许超出了大多数显示器产品所能承受的范围，但仍然能被其它的应用系统接受，如机器视觉或安全系统。采用FPGA的系统架构就能调整应用系统的算法，由此实现最佳的性能和效率。