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RGB与YCbCr转换算法

RGB与YCbCr色域介绍

RGB模型

为了研究RGB模型，我们需要从光线的底层物理组成开始分析。光也属于电磁波，有着同样的特性，电磁波光谱图。

在电磁波波段中，400-700nm范围内为可见光波段，即人眼可见的光，大自然的色彩均是由可见光组成的。

红、绿、蓝三色被称为三原色。

饱和度均为100%的RGB能组合8种颜色，那么当RGB饱和度在0~100%（色彩深度）变化时，就能细分组合出更多的颜色。计算机处理的BMP图片为24bit的位图，即每一通道的颜色可以细分为2⁸=256级别（RGB888），每一通道的色彩分辨率能达到256级，总共能综合出的颜色种类计算如下：

R的种类xG的种类xB的种类 = 2⁸ x 2⁸ x 2⁸ = 16777216 ≈ 1600万

YCbCr色域

简介

YCbCr 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，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，人眼对视频的 Y 信号分量更敏感，因此在通过对色度分量进行子采样来减少色度分量后，肉眼将察觉不到图像质量的变化。如果只有 Y 信号分量，而没有 U、V信号分量，那么表示的图像就是黑白灰度图像。

YCbCr 格式可以细分成两种格式：tv range 格式与 full range 格式，主要区别如下：

• tv range 格式

  Y ∈ [16,235]，Cb,Cr ∈ [16,240]，主要是广播电视采用的数字标准。

• full range 格式

  Y,Cb,Cr ∈ [0,255]，主要是 PC 端采用的标准，所以也称为 pc range 格式。

YCbCr的应用

1. HDMI、DP等接口，UVC、BT656/709/1120等协议，都可以采用YCbCr格式进行传输，（YCbCr422/420 有效降低了传输带宽）；
2. 不管是H.264还是AVS、JPEG、MJPEG等格式，都采用YUV格式进行编码压缩；
3. 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。

YUV 和 YCbCr 的区别

• 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，常应用于模拟广播电视中，其中 Y ∈ [0,1]，U,V∈[-0.5,0.5]
• YCbCr 是一种数字信号，其色彩模型源于 YUV 颜色模型，是 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]，因此计算的时候会加 128），在数字视频领域应用广泛，JPEG、MPEG、H.264/5、AVS等都采用 YCbCr 格式。我们通常广义讲的 YUV ，严格讲就是 YCbCr。

色彩转换公式

在进行颜色转换之前，需要明确 YCbCr 的格式范围，否则会导致偏色。

另外，图像传感器可以配置输出 RGB/YCbCr 格式图像，对应的手册一般也会给出转换公式，在 VO7725图像传感器手册中，RGB 与 YCbCr 的转换关系如下所示：

与前面介绍的 full range 格式下的转换公式比较还是有略微差别。

RGB 转 YCbCr 实现

RGB 转 YCbCr 的 Matlab 实现

1. 读取图像

2. 转换公式参数化设计

3. 生成仿真测试源文件和验证文件

RGB 转 YCbCr 的 FPGA 实现

• 流水线延迟3个时钟周期

• 封装成 IP 例化界面如下所示：

YCbCr 转 RGB 实现

YCbCr 转 RGB 的 Matlab 实现

YCbCr 转 RGB 的 FPGA 实现