色彩空間轉換

　　視頻系統(tǒng)另一重要部份是色彩空間轉換，該制程規(guī)定了圖像的表示方法，例如由一種色彩格式轉化為另一種不同的色彩格式。

　　人眼傳感器只能檢測到波長介于400nm至700nm之間的可見光，這些傳感器稱為圓錐細胞，具有三種不同的類型：紅光圓錐細胞、綠光圓錐細胞和藍光圓錐細胞。如果單波長的光可見，這三種傳感器的相對反應能使我們鑒別出光的顏色。該現象極具實用價值，因為這意味著我們只需簡單地按不同比例將上述三種光混合，就能產生各種顏色的光。這就是著名的三色原理，它在彩電系統(tǒng)中獲得了廣泛的應用。

　　我們可以在3維立方體中藉由繪制三原色(即紅色、綠色和藍色，簡寫為RGB)的構成比率圖以表示各種顏色，其中黑色位于原點，而白色則位于原點的斜對角。得到的立方體就是著名的RGB色彩空間。

　　不管最終的顯示媒體是紙張、LED、CRT或等離子顯示器，圖像總可細分為很多個圖素(例如HDTV可具備1920×1080個圖素)。同時每種媒體之間又存在些許差異，但其基本原理都是每個圖素由一定比例的紅色、綠色或藍色構成，構成的比例取決于驅動顯示的電壓信號。

　　利用RGB格式處理圖像時，每個圖素由3個分別對應于三原色的8位或10位字確定，因而這不是一種最高效的處理方法。這種格式下，必須在所有的紅色、綠色和藍色信道上對圖素進行作業(yè)，所需的儲存空間和數據頻寬毫無疑問將比其它可供選擇的色彩格式更大。為了解決這個問題，許多廣播標準(如歐洲的PAL和北美的NTSC電視系統(tǒng))均采用亮度和色度視頻信號。因此，不同的色彩格式之間需要一種能互相轉換的機制，即色彩空間轉換(圖2)。

　　用硬件實現這些電路則相對比較簡單，只需要知道從一種格式映像到另一種格式的系數。最通用的一種轉換是由RGB格式轉換至YCbCr格式(反之則從YCbCr格式轉換至RGB格式)。研究顯示，人眼察覺到的光亮度信息(Y)的60％至70％來自綠色光。紅色和藍色信道實際上只是亮度信息的復制，因此這些重復信息完全可以去除掉。最終的結果是圖像可用表征色度和亮度的信號來表示。在這種格式下，8位系統(tǒng)規(guī)定亮度的取值范圍介于16至235之間，而Cb和Cr信號的取值范圍介于16至240之間，并規(guī)定128表示亮度為0。

　　可用如下的方程將YCbCr空間中的色彩轉換為RGB色彩空間中的色彩：

　　R'=1.164*(Y-16)+1.596*(Cr-128)

　　G'=1.164*(Y-16)-0.813*(Cr-128)-0.392*(Cb-128)

　　B'=1.164*(Y-16)+1.596*(Cr-128)

　　R'G'B'表示圖像灰度校正RGB值。例如，CRT顯示器的信號振幅與輸出密度之間存在非線性，如果在顯示信號之前進行圖像灰度校正，就能使信號振幅與輸出密度間的關系趨于線性。輸出增益同樣必須限定低于特定的臨界值，以減少圖像暗區(qū)中的傳輸噪音(圖3)。

　　我們可以采用許多可行的方法實現所需的乘積功能，如利用內存、邏輯組件或嵌入式乘法器。顯然，HDTV系統(tǒng)所需的74.25MHz數據率可輕松地達到，而且還可以嘗試不同的設計折衷考慮，如系統(tǒng)精確度和設計范圍之間的折衷。例如，為了保證3％的轉換誤差，YCbCr至RGB色彩空間轉換器的設計尺寸可以至少減小一半。這或許超出了大多數顯示器產品所能承受的范圍，但仍然能被其它的應用系統(tǒng)接受，如機器視覺或安全系統(tǒng)。采用FPGA的系統(tǒng)架構就能調整應用系統(tǒng)的算法，由此實現最佳的性能和效率。