【FPGA图像处理实战】- RGB与YUV互转

RGB颜色空间和YUV颜色空间是图像处理中经常遇到的两个颜色空间，但它们的特性不一样，应用的场景有差异，所以经常会遇到有RGB转YUV、YUV转RGB的需求。

一、RGB与YUV的介绍

1、RGB颜色空间

RGB颜色空间，又称红绿蓝颜色空间，是一种基于红、绿、蓝三种基本颜色进行混合的颜色空间。RGB分别代表红色（Red）、绿色（Green）和蓝色（Blue），通过不同程度的三种颜色的叠加，可以产生丰富而广泛的颜色。RGB颜色空间在计算机图像处理、显示器显示、摄影和影视制作等领域具有广泛的应用。

R、G、B取值常用8比特表示，因此代表三基色的红、绿、蓝通道分别用0~255的整数表示强度。0表示无光，亮度最暗；255表示强度最大，亮度最亮。（0，0，0）表示纯黑色；（255，255，255）表示白色。

它起源于上世纪初，当时Thomas Young和Helmholtz先后提出了视觉的三原色学说，即视网膜存在三种视锥细胞，分别对红、绿、蓝三种光线敏感。当一定波长的光线作用于视网膜时，以一定的比例使三种视锥细胞分别产生不同程度的兴奋，这样的信息传至大脑中枢，就产生某一种颜色的感觉。

在显示器发明之后，人们开始使用发出不同颜色的光的荧光粉、滤色片或半导体发光器件来形成色彩。为了再现人眼能够感受到的大多数自然色彩，人们选择了红、绿、蓝三种颜色的发光体作为基本发光单元，并通过控制它们的发光强度来实现各种颜色。

RGB颜色空间的优点是直观且容易理解。然而，其缺点是R、G、B三个分量相互高度相关，当某个分量发生变化时，颜色很可能发生改变。

2、YUV颜色空间

YUV颜色空间，又常被称作YCbCr颜色空间，是用于数字电视的颜色空间，在ITU-R BT.601、BT.709、BT.2020标准中被明确定义，这三种标准分别针对标清、高清、超高清数字电视。Y是亮度，Cb（U）、Cr（V）表示色度，三个分量是相互独立的，它们分别表示图像的亮度、蓝色色差和红色色差。

Y分量表示图像的亮度信息，它描述了图像的明暗程度，是黑白电视信号需要的内容。U分量表示蓝色色差，它描述了蓝色和绿色之间的差异，用于还原图像中的蓝色和绿色。V分量表示红色色差，它描述了红色和绿色之间的差异，用于还原图像中的红色和绿色。

在广播电视中，使用YCbCr可解决黑白电视和彩色电视之间的信号兼容问题。

二、RGB与YUV互转的公式

这里主要介绍BT601: 标清数字电视（SDTV) 8bit

1、RGB转YUV

Y=0.299*R + 0.587*G+0.114*BU=Cb=0.564*(B-Y) + 128 = 0.499704*B - 0.168636*R - 0.331068*G + 128 = 0.5*B - 0.169*R - 0.331*G + 128V=Cr=0.713*(R-Y) + 128 = 0.499813*R - 0.418531*G - 0.081282*B + 128 = 0.5*R - 0.419*G - 0.081*B + 128

2、YUV转RGB

R = Y + 1.402*(V-128) = Y + 1.402V - 1.402*128G = Y - 0.344*(U-128) - 0.714*(V-128) = Y - 0.344*U -0.714*V + 1.058*128B = Y + 1.772*(U-128) = Y + 1.772*U - 1.772*128

四、Python实现

import cv2# 1. 读取图像rgb_image = cv2.imread(1280_720.bmp)# 2. 将RGB图像转换为YUV图像yuv_image = cv2.cvtColor(rgb_image, cv2.COLOR_RGB2YUV)# 3. 将YUV图像转回RGB图像rgb_image_again = cv2.cvtColor(yuv_image, cv2.COLOR_YUV2RGB)# 4. 显示图像cv2.namedWindow("rgb", 0)cv2.resizeWindow("rgb", 300, 180) # 设置窗口大小cv2.namedWindow("yuv", 0)cv2.resizeWindow("yuv", 300, 180) # 设置窗口大小cv2.namedWindow("rgb_a", 0)cv2.resizeWindow("rgb_a", 300, 180) # 设置窗口大小cv2.imshow(rgb, rgb_image)cv2.imshow(yuv, yuv_image)cv2.imshow(rgb_a, rgb_image_again)# 4. 设置窗口显示时间，单位为毫秒（这里设置为100秒，可以根据需要调整）cv2.waitKey(100000)# 5. 关闭所有窗口cv2.destroyAllWindows()

五、FPGA实现

FPGA实现思路分享：分析一下上面两个公式，主要涉及乘法运算、有符号数处理、浮点数运算三个内容，需要采用流水线方式处理就行。

FPGA实现代码：暂不公开，需要的可以加入我的知识星球，正在更新图像处理实战专栏，详细文章、设计逻辑、完整工程代码都有。

六、总结颜色空间的转换是数字图像处理中的重要部分，而RGB与YUV之间的转换又是其中最常用的一种。

通过了解RGB和YUV颜色空间的特性以及它们之间的转换公式，我们可以在FPGA上实现高效的颜色空间转换。

我们公众号推出了系统性的学习FPGA路径，少走弯路，少踩坑。

市面上传统的FPGA学习，对于FPGA编程思维和FPGA设计思想训练较少，学习路径很陡  。

即使把开发板的资料教程都学习了一遍，还是会有很多不理解。。代码写起来还是费劲。

我们这里提供的入门专栏，先学习verilog基础和vivado基本操作，从FPGA图像算法入手，实现各种图像算法，锻炼FPGA硬件编程思维逻辑，并在实现过程中学习各种IP的使用，时序优化。

最后基于图像处理做更复杂的项目，提升系统化设计能力和项目架构设计能力。

不玩虚的，有丰富的教程和学习资料，有完整的理论分析、C model、工程代码，代码直接可以移植应用到产品中，可以讨论交流，可以答疑。

星球有哪些内容？

星球内主打实战入门专栏，也有丰富的学习资料、教程、源码参考下载。

FPGA图像处理实战、FPGA数学运算、FPGA接口、FPGA数字信号处理等等。

加入星球后不满意可以退款吗？

可以，三天内退出星球，星球自动退全款。

欢迎大家加入，一起学习，一起交流，一起成长。

有任何疑问，微信 z987077676 找我，私信，看到会回复。

订阅后微信z987077676找我，截图支付记录，领取「FPGA资料包+定向朋友圈」

注明：本内容来源网络，不用于商业使用，禁止转载，如有侵权，请来信到邮箱：429562386ⓐqq.com 或联系本站客服处理，感谢配合！