基于FPGA的RGB和HSV色空間轉(zhuǎn)換算法實(shí)現(xiàn)*

袁奮杰，周 曉，丁 軍，吉國(guó)威，湯勇明，夏 軍

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院， 南京210096)

近年來(lái)，隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)圖像及視頻的質(zhì)量要求越來(lái)越高。因此，圖像視頻的處理也越來(lái)越受到人們重視[1]。通常，從攝像儀和掃描儀所獲得的顏色，以及計(jì)算機(jī)顯示所用的顏色都是RGB色空間。但是RGB色空間中，顏色的屬性沒(méi)有獨(dú)立，在進(jìn)行圖像處理時(shí)，會(huì)造成各個(gè)屬性間的串?dāng)_，給圖像處理帶來(lái)了很大的麻煩。

HSV色空間在圖像處理方面具有較突出的優(yōu)勢(shì)，它將顏色的亮度，色調(diào)和飽和度屬性分離，所以在許多圖像編輯工具中應(yīng)用比較廣泛， 如Photoshop。 RGB色空間和HSV色空間之間的轉(zhuǎn)換是非線性的，很多地方只是用C等高級(jí)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，而硬件實(shí)現(xiàn)則需要考慮時(shí)鐘同步，算法優(yōu)化，實(shí)時(shí)性等問(wèn)題，所以該轉(zhuǎn)換算法的硬件實(shí)現(xiàn)有一定的難度。然而硬件實(shí)現(xiàn)無(wú)論從速度，應(yīng)用范圍，可產(chǎn)品化程度方面都大大超過(guò)軟件，因此顯得十分重要。本文給出了基于FPGA平臺(tái)的RGB色空間和HSV色空間的轉(zhuǎn)換算法設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)。同時(shí)在HSV色空間進(jìn)行了色調(diào)變換實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證轉(zhuǎn)換的實(shí)用性。

1 RGB色空間和HSV色空間

1.1 RGB色空間

RGB色空間是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的色空間，被普遍使用在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和因特網(wǎng)中，它能使顏色從一個(gè)平臺(tái)映射到另外一個(gè)平臺(tái)而不會(huì)嚴(yán)重丟失顏色信息。 RGB是一種相加成像系統(tǒng)，由紅、綠、藍(lán)三種基色疊加，以產(chǎn)生各種需要的顏色。

RGB色空間被廣泛用于計(jì)算機(jī)圖像設(shè)備中的原因是，計(jì)算機(jī)顯示器需要利用紅、綠、藍(lán)三種顏色形成各種顏色，使用RGB色空間可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)。另外，由于RGB色空間已被廣泛使用多年，有大量的相關(guān)資源可以利用。

然而在圖像處理時(shí)， RGB色空間卻存在一些問(wèn)題。 RGB色空間是與設(shè)備相關(guān)的顏色空間，而且注重顏色的合成而將顏色的屬性相混合。例如在進(jìn)行圖像處理時(shí)，如果不均勻改變RGB，會(huì)改變亮度和飽和度，由此帶來(lái)的RGB比例改變甚至?xí)淖兩{(diào)。這使得在圖像處理時(shí)，需考慮多種因素而使算法復(fù)雜化。因此一種能獨(dú)立表示顏色屬性的空間就非常重要。 HSV色空間正是一種與設(shè)備無(wú)關(guān)的，將亮度，飽和度和色調(diào)分離的顏色空間。

1.2 HSV色空間

HSV是利用色調(diào)H、飽和度S和亮度V這三個(gè)色彩的基本屬性來(lái)確定顏色的。它對(duì)應(yīng)一個(gè)倒立的六棱錐，六棱錐的頂部V=1，它包含RGB顏色模型中R=1， G=1和B=1的三個(gè)面，顏色最亮。

色調(diào)H是色彩的基本屬性，它處于平行于六棱錐頂面的色平面上，由繞V軸的旋轉(zhuǎn)角給定，它的取值范圍從0°到360°(360°構(gòu)成一個(gè)完整的圓)。飽和度S是指顏色純度，它的取值范圍從0%(無(wú)色)到100%(純色，由色調(diào)值指定)，它沿水平方向變化，越接近六棱錐中心軸的色彩，其飽和度越低。亮度值V指定顏色亮度，它的取值范圍從0%(黑色)到100%(白色)。它是六棱錐的中心軸，頂端V=1成白色，底端V=0成黑色，整個(gè)中心軸表示無(wú)彩色系的灰度顏色[2]。

HSV色空間將色調(diào)H，飽和度S和亮度V分離，使得在圖像處理時(shí)，可以單獨(dú)改變某個(gè)屬性來(lái)調(diào)節(jié)圖像而不影響其他屬性。同時(shí)HSV在亮度和飽和度方向上均勻，這兩個(gè)屬性的改變程度可以用比例來(lái)控制。另外HSV色空間是與設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色空間，這讓該空間的圖像處理具有普適性[3]。

1.3 RGB色空間和HSV色空間的相互轉(zhuǎn)換

色空間從RGB到HSV的轉(zhuǎn)換公式如下：設(shè)(r，g， b)是顏色的紅、綠、藍(lán)坐標(biāo)，它們的取值范圍都是[0， 1]。設(shè)max為r， g， b中最大值， min為最小值。要找到HSV空間上的(h， s， v)值，這里h∈[0， 360)是色調(diào)角， s， l∈[0， 1]是飽和度和亮度[4]。

色空間從HSV到RGB的轉(zhuǎn)換公式如下

對(duì)于每個(gè)顏色向量(r， g， b)

2 RGB和HSV色空間轉(zhuǎn)換算法

2.1 色空間轉(zhuǎn)換的算法設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的RGB和HSV色空間轉(zhuǎn)換公式由于涉及到許多浮點(diǎn)數(shù)乘除法運(yùn)算和分類(lèi)情況， FPGA實(shí)現(xiàn)較困難。結(jié)合FPGA本身特點(diǎn)，將RGB和HSV色空間轉(zhuǎn)換變?yōu)槿缦聦?shí)現(xiàn)流程[5-7]。

圖1 RGB到HSV轉(zhuǎn)換流程圖

根據(jù)上面得到的算法流程圖，可以利用Verilog HDL進(jìn)行文本輸入描述各個(gè)功能模塊，頂層利用原理圖將模塊和信號(hào)連接實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能。在利用FPGA實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，涉及到很多乘除法運(yùn)算，這里可以調(diào)用QuartusⅡ的可參數(shù)化宏模塊，實(shí)現(xiàn)乘除法運(yùn)算[8]。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中涉及到一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：浮點(diǎn)數(shù)的乘除法。由于FPGA只能實(shí)現(xiàn)整數(shù)的乘除法，對(duì)于浮點(diǎn)數(shù)參與的運(yùn)算以及結(jié)果為浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算，采用先放大后縮小的方法。即先將浮點(diǎn)數(shù)放大一定倍數(shù)，取其整數(shù)部分，最后再將結(jié)果縮小相應(yīng)的倍數(shù)[9]。

圖2 HSV到RGB轉(zhuǎn)換流程圖

浮點(diǎn)數(shù)放大的倍數(shù)，也需要在準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性方面折衷。放大倍數(shù)太小，引起的誤差過(guò)大，使圖像失真；放大倍數(shù)太大，占用資源多，同時(shí)會(huì)增加運(yùn)算延時(shí)。習(xí)慣上采用一個(gè)字節(jié)，即8位作為放大的倍數(shù)。這樣就將轉(zhuǎn)換過(guò)程中所有的數(shù)都統(tǒng)一到[ 0，255]范圍。后面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這種情況下的轉(zhuǎn)換誤差可以控制在3個(gè)單位之內(nèi)。這種程度的誤差對(duì)人眼來(lái)說(shuō)，是不可分辨的[10]。

例如在max=g情況下計(jì)算H時(shí)， (B-R)/(max-min)是在[ 0， 1)之間的，如果不處理， FPGA就會(huì)自動(dòng)截?cái)?，得到結(jié)果為0，使后面計(jì)算無(wú)法進(jìn)行。程序中將(B-R)放大256倍，使結(jié)果也放大了256倍，供后續(xù)計(jì)算。最后再將最終結(jié)果縮小256倍，達(dá)到轉(zhuǎn)換的目的。

在處理視頻圖像時(shí)，為了滿足實(shí)時(shí)性，乘法和除法模塊中不要引入時(shí)鐘信號(hào)，以提高速度。視頻是NTSC制式的隔行信號(hào)，具有60 Hz的刷新率。 VGA不變?cè)鲆娣糯笃鬏敵龅拿總€(gè)像素頻率為25 MHz。但是RGB和HSV顏色空間轉(zhuǎn)換的部分，由于運(yùn)算量較大，采用50 MHz時(shí)鐘，進(jìn)一步提高運(yùn)算速度[11]。

2.2 硬件實(shí)現(xiàn)的仿真和測(cè)試

根據(jù)上面的設(shè)計(jì)，采用ALTERA公司的QuartusⅡ軟件進(jìn)行編譯和仿真。輸入信號(hào)為8 bit RGB視頻信號(hào)，將其轉(zhuǎn)為HSV信號(hào)，再將得到的HSV信號(hào)轉(zhuǎn)回8 bit RGB信號(hào)，得到了正確的結(jié)果。

從圖中可以看出，對(duì)于輸入的8 bit RGB信號(hào)(24， 132， 39)，經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到放大的HSV(128， 209，132)， 與 理 論 值 相 同。 Add4， add2 和 negative2positive三個(gè)模塊是中間結(jié)果，對(duì)應(yīng)于R， G， B分別為最大值時(shí)的運(yùn)算結(jié)果，也與理論值相同。

將上面仿真得到的HSV信號(hào)作為輸入，仿真得到轉(zhuǎn)換的RGB(24， 132， 38)。對(duì)比之前的輸入RGB(24，132， 39)，可以看到只有藍(lán)色(B)產(chǎn)生了偏差為1的誤差。對(duì)于[0， 255]的顏色表示范圍，這樣的誤差在視覺(jué)方面是不可分辨的，可以認(rèn)為轉(zhuǎn)換前后顏色一致。

為了驗(yàn)證實(shí)時(shí)性，將輸入RGB信號(hào)轉(zhuǎn)為HSV信號(hào)，再轉(zhuǎn)回RGB信號(hào)。這一過(guò)程的整體仿真結(jié)果如圖5所示。由于VGA輸出頻率為25 MHz，因此采用40 ns的保持時(shí)間連續(xù)輸入的三組RGB信號(hào)(125， 80，85)， (200， 100， 100)和(150， 90， 200)。仿真 輸出顯示，前60 ns輸出不穩(wěn)定，但是之后能夠準(zhǔn)確的將輸入信號(hào)輸出，且每組信號(hào)保持40 ns，符合VGA輸出頻率要求。也就是說(shuō)，經(jīng)過(guò)空間轉(zhuǎn)換后，輸出相對(duì)于輸入整體延時(shí)60 ns，可以滿足實(shí)時(shí)性要求。

圖3 RGB到HSV轉(zhuǎn)換仿真圖

在軟件仿真正確的前提下， 進(jìn)行了硬件測(cè)試。利用DVD， FPGA開(kāi)發(fā)板和CRT顯示器構(gòu)建了測(cè)試系統(tǒng)[12]。其中FPGA驗(yàn)證平臺(tái)采用Terasic公司提供的DE2實(shí)驗(yàn)板，它核心為672管腳封裝的CycloneⅡ系列芯片 EP2C35F672C6。對(duì)DVD視頻輸出的信號(hào)在HSV色空間進(jìn)行了特定色調(diào)改變，然后轉(zhuǎn)化為RGB信號(hào)在顯示器上顯示。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7、圖8所示。

圖4 HSV到RGB轉(zhuǎn)換仿真圖

圖5 RGB到RGB轉(zhuǎn)換仿真圖

圖6 視頻原圖像

圖7 黃色變?yōu)榫G色

圖8 藍(lán)色變成品紅

3 結(jié)論

由于各種色空間的存在，造成電腦、因特網(wǎng)和各種視頻設(shè)備使用了各種不同的顏色表示方法。設(shè)計(jì)者必須在各種色空間之間進(jìn)行各種轉(zhuǎn)換。 HSV色空間因其顏色屬性分離的特點(diǎn)，在圖像處理方面有明顯優(yōu)勢(shì)，這也使得它和RGB色空間的轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)很有實(shí)用價(jià)值。本文給出了RGB色空間和HSV色空間轉(zhuǎn)換的算法設(shè)計(jì)，并在硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)能滿足色空間轉(zhuǎn)換的精度和實(shí)時(shí)性，能較好的處理視頻圖像。

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