基于FPGA的色彩空间转换系统设计

时间：2024-05-18

苏莹++杨文宁

摘要：在视频图像获取的过程中，采集的图像通常是RGB色彩空间表示，但在实际的图像处理中为了降低带宽、压缩存储要将RGB图像转化为YCbCr色度空间的图像。本篇论文用FPGA芯片EP2C8Q208C8N作为核心芯片，同时结合解码芯片TVP5150和编码芯片ADV7123共同完成色彩空间的转换并通过VGA显示结果。

关键词：RGB YCbCr FPGA 色彩空间转换

中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（a）-0023-01

1 常见色彩空间

我们主要介绍RGB和YCbCr色彩空间。RGB色彩空间是一种常用的色彩空间。它可以实现不同平台的映射而不严重损失颜色信息。任何一种颜色都可以由三基色红、绿、蓝混合叠加而成。RGB三个分量彼此相互独立，三个分量的值越小所代表的亮度越低。RGB色彩空间它所占用的带宽和存储量是很大的，如果使用该色彩空间进行图像传输，非常不利于图像的处理。所以引入另一种色彩空间YCbCr。该格式的色彩空间是演播室编码方案中使用的颜色模型。Y，Cb，Cr分别代表亮度、蓝色色度分量和红色色度分量。YCbCr色彩空间有以下优势。首先它的构成原理符合人类的视觉感知过程，再次它可以实现亮度和色度的分离，由于人眼对亮度的变化更敏感，所以我们在传输图像时减小带宽的同时引起的颜色损失小，人眼几乎无法察觉。

2 总体设计方案

系统的总体设计框图如图1所示。

基于FPGA的色彩空间的转换过程可以描述为：首先通过CCD摄像头进行视频图像采集，采集来的RGB图像为NTSC或PAL制式的，接着我们会把视频数据送到解码芯片TVP5150，它会将信号变为ITU-R BT.656格式的数据流。我们选取的TVP5150芯片是和FPGA主控芯片集成在一个开发板上，它的功耗非常低，芯片小巧利于便携。视频解码芯片在对视频信号处理之前总线会对其进行配置。从解码芯片出来的信号便进入FPGA芯片，进行串并转换、解交织等操作最终实现色彩空间的转换。最后信号送到ADV7123芯片进行编码，并通过D/A转换芯片在VGA显示器上显示出来。

3 仿真与硬件验证

硬件部分我们采用了Alera公司的FPGA芯片EP2C8Q208C8N作为核心处理芯片，该芯片内部含有丰富的可编程逻辑资源，可以非常方便的完成相关乘法器的例化。在使用乘法器IPCore时，我们需要进行优化设置。硬件部分包括CCD摄像头、FPGA主控芯片、视频解码芯片TVP5150、视频编码芯片ADV7123等。最终将VGA线和显示器的VGA口相连接，便可以通过显示屏观察结果。

硬件实物图如图2所示。

软件部分采用Quartusii 9.1进行Verilog语言的编写，并进行时序仿真。进行时序仿真的结果图3所示。

4 结语

生活中存在多种色彩空间，它们各自具有不同的特点。但是在很多情况下我们又得在它们之间进行转换，这无论对于科研研究还是消费市场都是很有必要的。本篇论文是通过硬件实现的RGB色彩空间到YCbCr色彩空间的转换，采用的Alera公司的FPGA芯片EP2C8Q208C8N作为核心处理芯片，利用其内部丰富的可编程逻辑资源实现空间的转换，并采用Quartusii 9.1进行软件编程与仿真，验证了模块的功能。

参考文献

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