m基于FPGA的RGB转ycrcb颜色空间转换算法实现,包含testbench,对比三种转换方法

1.算法仿真效果

vivado2019.2仿真结果如下：

其中1为直接乘法公式计算；

2为移位法计算；

3为分布式计算；

2.算法涉及理论知识概要

        人类获得信息的主要方式是视觉,通常情况下颜色有2种描述方式,一种是RGB色度空间表示,一种是 YCbCr色度空间表示。然而,普通的R GB颜色空间对视频的显示存在很多问题,将其转换为YCbCr颜色空间能够很 好地适应现代社会的要求,本文正是采用一种新的方法,通过FPGA成功地将其转化,并得到正确的结果,此方法内 部变量少、算法优点突出、实时性好,十分易于在实际工程中实现。

    　RGB颜色空间

        在RGB颜色空间中,1个带颜色的图像采样是用3个 值来表示一个像素点的相对的红、绿和蓝色比(3种光线的 主样构成颜色)。任何颜色都可以通过把红、绿和蓝通过 不同的比例相混得到。CRT和LCD通过分别对每个像素 点的红绿蓝值进行显示来得到各种颜色。从一个通常的观

察距离来看,不同的构成部分可以达到颜色上的真实感。

        YCbCr颜色空间

       人类视觉系统(HVS)相比亮度来说对于颜色不是那 么敏感。在RGB颜色空间中,3种颜色被平等地看待,并 用相同的分辨率存放起来。但是通过把亮度与颜色信息 分离,并对亮度值取更高的分辨率可以更有效地表示1个 颜色图像。

       颜色空间转换

        YCbCr颜色空间和它的变换(通常写为YUV)是1种 流行而高效的表示一个颜色图像的方法。YCrCb是国际 通用的B T.601数字电视信号中使用的彩色空间,它由 YU V彩色空间经过缩放和平移得到。YCrCb色度空间与 R GB色度空间的转换公式如下:

直接乘法公式计算

       直接相乘，我们直接调用系统的IP核，如果版本不同，需要重新生成。如代码段中：

移位法计算

    位移法就是用位移的方法来替换乘法器。

根据二进制乘法过程。二进制的乘法可以理解为，移位相加。

具体代码如上所示：

例如R*0010001100，那么其第三，四，八为1，所以结果为R移位7，R移位3，R移位2，最后三个相加得到。

分布式计算

    分布式算法是一种快速的流水线结构的算法，根据你提供的论文的要求，这个分布式算法的具体物理结构如下所示：

 将输入信号的每一位和另一个数相乘，通过10级流水线操作后，我们可以得到10个部分积，然后将10个部分积累加，得到最后的结果。

3.Verilog核心程序

`timescale 1ns / 1ps
//
// Company: 
// Engineer: 
// 
// Create Date: 2023/03/26 18:01:20
// Design Name: 
// Module Name: tops
// Project Name: 
// Target Devices: 
// Tool Versions: 
// Description: 
// 
// Dependencies: 
// 
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
// 
//
 
 
module tops(
                clk, 
					  ena, 
					  r, 
					  g, 
					  b, 
					  y, 
					  cr, 
					  cb
					  );
 
input     clk;//输入时钟
input     ena;//输入使能信号
input[7:0]r;  //输入R,G,B信号
input[7:0]g;
input[7:0]b;
 
output[7:0]y;//输出Y,CR,CB信号
output[7:0]cr;
output[7:0]cb;
 
//mult your_instance_name (
//  .CLK(CLK),    // input wire CLK
//  .A(A),        // input wire [9 : 0] A
//  .B(B),        // input wire [9 : 0] B
//  .SCLR(SCLR),  // input wire SCLR
//  .P(P)        // output wire [19 : 0] P
//);
//================================================
wire[21:0]y1;
wire[21:0]cr1;
wire[21:0]cb1;
//================================================
wire[19:0]yr; 
wire[19:0]yg; 
wire[19:0]yb; 
 
mult mult_yr(
				.CLK  (clk), 
				.A    (10'd306), 
				.B    ({r,2'b00}), 
				.SCLR (ena), 
				.P    (yr)
            );
 
 
mult mult_yg(
				.CLK  (clk), 
				.A    (10'd601), 
				.B    ({g,2'b00}), 
                .SCLR (ena), 
				.P    (yg)
            );
				
mult mult_yb(
				.CLK  (clk), 
				.A    (10'd116), 
				.B    ({b,2'b00}), 
                .SCLR (ena), 
				.P    (yb)
            );
		
assign y1  = yr + yg + yb;
assign y   = y1[21:14];//y计算公式
 
 
 
wire[19:0]crr;
wire[19:0]crg; 
wire[19:0]crb;
 
mult mult_crr(
				.CLK  (clk), 
				.A    (10'd512), 
				.B    ({r,2'b00}),
                .SCLR (ena), 
				.P    (crr)
            );
 
mult mult_crg(
				.CLK  (clk), 
				.A    (10'd429), 
				.B    ({g,2'b00}), 
				.SCLR (ena), 
				.P    (crg)
            );
				
mult mult_crb(
				.CLK  (clk), 
				.A    (10'd83), 
				.B    ({b,2'b00}), 
				.SCLR (ena), 
				.P    (crb)
            );
 
assign cr1 = crr - crg - crb;
assign cr  = cr1[21:14]+128;//cr计算公式
 
 
wire[19:0]cbr; 
wire[19:0]cbg; 
wire[19:0]cbb;
 
mult mult_cbr(
				.CLK  (clk), 
				.A    (10'd173), 
				.B    ({r,2'b00}), 
				.SCLR (ena), 
				.P    (cbr)
            );
 
mult mult_cbg(
				.CLK  (clk), 
				.A    (10'd339), 
				.B    ({g,2'b00}), 
				.SCLR (ena), 
				.P    (cbg)
            );
				
mult mult_cbb(
				.CLK  (clk), 
				.A    (10'd512), 
				.B    ({b,2'b00}), 
				.SCLR (ena), 
				.P    (cbb)
            );
 
assign cb1 = cbb - cbr - cbg;
assign cb  = cb1[21:14]+128;//cb计算公式
endmodule