计算机数字图像处理常用颜色空间及转换

包新月 俞磊

（安徽中医药大学 安徽省合肥市 232000）

对图像色调的认识与处置在电脑数字图像处理阶段会时常用到[1]。比如在CRT 显示器中，扫描仪与打印机运用阶段，均要权衡到不同的色彩空间。例如打印机运用CMYK 颜色空间，显示器是RGB 色彩空间，在完成由图片到显示器到打印机的打印工作中，要意识到其色彩转换需求，这部分是电脑彩色体系中需要解读的基本常识[2]。伴随计算机多媒体科技的日新月异，色彩处理科技在数字图像处理阶段中得到了广泛的运用，与灰度图像对比，彩色图像提供了更多的讯息。

1 色彩系统

1.1 RGB色彩系统

RGB 颜色系统是最为常规的颜色系统，其是由（CIE）国际照明委员会在1931年提出的。自然界内的全部色彩都能够有红色、绿色、蓝色三大基色进行表示，其相应的波长依次是700nm、546.1nm、435.8nm，并且在CIE-RGB 体系中，配套等能白光的三原色（R）、（G）、（B）亮度比率是1000：49507：0.0601,幅亮度比率也能够进行显示。

以红色为实例，某类色彩含红色比例能够被分成0—255 共256个色阶，0 级代表不包括红色，255 阶代表包含100%的红色元素。相似地，绿色与蓝色也能够分成256 阶。如此，依照R、G、B 的类似组合就能够分成256×256 ×256（大概1600 万）中色彩。

1.2 CMY颜色系统

RGB 颜色系统是加色合成法（Additive Clolor Synthesis），但是在印刷领域则通用CMY 颜色系统，也就是Cyan、Magenta、Yellow。通常所用到的四色印刷CMYK 是要算入黑颜色的。其通过色彩叠减来形成其余色彩，因此这类模式也被叫做减色合成法。图1 为CMYK 色彩系统简图。

2 数字图像处理阶段常用的色彩空间

颜色空间是说某类3D 色彩空间中的一部可显示光子集，其包括某类颜色域的全部色彩，色彩空间能够用来显示颜色间的关联。数字图像处置阶段常用的色彩空间包含RGB、CMY 等。

3 颜色空间的转化

相异的色彩空间使用的场景是迥异的，例如一张图片在电脑中是通过RGB 显现的；使用YUV 或HIS 编辑处置；打印输出阶段要转化成CMY 印刷阶段要转化成CMYK。在使用实践中，必须在各类迥异的色彩空间完成转化，以满足不同需要。

3.1 RGB和CMY/CMYK色彩空间的转化

图1：CMYK 色彩系统简图

由于CMY 色彩空间与RGB 空间的相互补充的功能，也就是使用白色减去RGB 空间内的某项色彩数据就相当于同样颜色在CMY 空间中的数据。依照该原理，极易通过计算将RGB 空间转化成CMY 空间。

3.2 系统整体设计

系统的整体方案设计是对TVP5150 分配完成时，应首先将CCD 摄录设备的光学图像准变为视频参数，并将其录入到TVP5150 视频解码设备中从而完成相应的解码操作，采用TVP5150视频解码设备可将CCD 读写的NTSC、PAL 视频信号转变为ITURBT.656，之后在FPGA 重病完成编程、串并处理、颜色元素转化、帧储蓄，并构建和VGA 规则相契合的时序与讯号，最后将ADV7123 视频D/A 转换芯片以便进行D/A 转换、录入，使其能够在显示设备中显现。

TVP5150 主要是经由TI 公司开发的一部超低耗能与性价比极高的解码元件，能够把NTSC 与PAL 视频信号转化成数字色彩信号，极为适合携带，其视频商品的品质相对较高，需借助准则化的I2C 总线进行创设。上述设计主要是借助Verilog 硬件设备对I2C 总线进行的相应的管控设施构建，并主要是依据其序赋值进行设备储蓄，并对TVP5150 讯号进行相应的处理操作。ADC7123 属于高速三路十位环境下的RGB D/A 转化零件，是一种数字图像信息虚拟化产品。

3.3 I2C总线管控设施

透过I2C 总线进行TVP5150 的配置。I2C 总线透过串行参数录入/输出端（SDA）及钟表录入/输出线（SCL）完成数据传送，准则化速度：100kbit/s，最高速率：400kbit/s。在本文当中FPGA设备主要是用以编写Verilog 语言并进行I2C 总线的构建。首先，可将FPGA 下的100GHz 进行频率分解并当成管理设备的作业钟表，透过对该作业钟表的SCL 高低电平周期、重建原始环境下的时序。比如，仅通过4 部作业钟表就能够形成4.9ns 的原始环境的时间。之后依照I2C 协约，获得原始数据、原始地质、写入许可等一些指令，依次完成对各储藏设备的赋值，进而完成对TVP5150 的分配。

4 FPGA模态下的颜色元素转化

此体系在FPGA 中对TVP5150 录入的BT.656 参数实施解析，透过解交织。串并联系、颜色元素转化、帧处理、VGA 时序管理讯号的分析，得到RGB 环境下的参数流。

4.1 解交织

在解交织系统的应用过程中，能够实现对TVP5150 录入的数字视频解码，进而获取到YCbCr 视频讯号。

一帧完备的PAL 环境下的ITU-R BT.656 数据分成奇数组与偶数组，23-311 是偶数组的数据；366-624 为奇数组数据，其余则为场控制信号。每个ITU-R BT.656 参数原本的288 位是管控讯号。起始阶段的4 位是EAV（有价值视频总结信号），并且对接280 个固定填制数据，最终4byte 为SAV 信号。

SAV 信号与EAV 信号有3byte 的引导数据：FF，00,00；最终1byteXY 是通过既定数据1，F（奇偶标记）、V、H 与由F，V,H计算所得低四位构造。

同过连续判断FF，00,00 和XY 进行F，V，H 的提炼以及有意义的视频信号预判，管控后期视频的处理、帧缓冲系统以及DAC 系统时序构造。让录入视频参数流依次流过五到八位储存设施，所以时钟延迟并得到录入时序讯号TRS，对中央三个储蓄设备进行操控，当其数据都是FF,00,00 阶段，TRS 预设为1，反之就是零。当TRS 信号改编成1 之后，判断随之而来的XY 数据并获得F，V，H 讯号。

4.2 4:2:2 —— 4:4:4串并转换系统

本文把4:2:2 串联参数变换为4:4:4 并联参数，中心缺少Cb、Cr 参数可以通过插值的方式获得。因为YCbCr 信号属于串行数据流。（见表1）

表1：YCbCr 模式下的串行数据流

创设一部计算器并实施挑选，数据是零与二为Cb、Cr、Cb 讯号，数据是一与三的为Y 讯号，从而进行串行讯号转变，YCbCr 的串行参数被单独隔离。

4.3 色彩空间转化模块

该模块是对分解的有价值YCrCb 数据转化成RGB 模式的数据值。针对YCrCb 到RGB 的转化能够使用下列算式实现：

在FPGA 内为了方便使用Verilog 语言完成，首先对数据实施扩大处置，通过科学转换后可以得到算式。

等号右端的运算数据录入16 位的储蓄器内，读取高八位的数据就能够获得R，G,B 的数据。通过转化后，三路的并行YCrCb数据值改编成三路并行的RGB 数据值。笔者定义了五到十位的二进制reg 数据const1 （10′b0100101010 ） ，const2 （10 ′ b 0110011000 ） ，const3 （10 ′ b0011010000 ） ，const4 （10 ′ b 0001100100 ） ，const5 （10 ′ b1000000100）与八个十八位二进制reg 变量X_int，三项八位reg 类储蓄设备最后输入R_int [15 ∶8]等数据就能够得到转换后的R,G,B 数据值。

4.4 帧缓存

在PAL 录入环境当中，YCbCr 属于隔行参数的一种，需将隔行的视频讯号处理为逐行，而透过颜色元素转化后的三个参数（R，G，B）中的每一回路中所包括的1716 个周期，并且刚好是VGA 两行的周期，因此将1 行的数据储蓄后使用两大RAM 实施乒乓储备，如果RAM1 使用13.5MHz 钟表接纳则经由色彩空间转换模块写入到RGB 图片数据中，利用RAM2 解读27MHz 钟表，当RAM1 储备完成1 行数据时则可对RAM2 内1 行数据进行2 次解读，两个行储备工作做完后，实施转换，RAM1 内的数据读取，RAM2接纳数据。由此类推，利用乒乓储备后奇行有价值数据进行两次读取，完成了数据流的无缝缓冲。

5 结束语

综上所述，在本文中通过采用经由Xilinx 公司研发的Virtex-4设备并将FPGA 作为视频录入芯片，借助TVP5150 解码设备对其所编写的视频数据流实施解交织、串并转化、颜色空间转化、帧缓存并在FPGA 中建立了与VGA 准则的时序与管控信号相吻合的数据流，并且完成了对FPGA 芯片内部的高速及时处理，而且耗能低、成本性强，有着极高的使用价值与可操作性。