摘 要：圖像的顯示質(zhì)量在計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵性的作用。在此根據(jù)YUV到RGB顏色空間的轉(zhuǎn)換理論、圖像數(shù)據(jù)格式以及轉(zhuǎn)換公式，并在精簡(jiǎn)的圖像采集平臺(tái)上，獲取圖像的YUV數(shù)據(jù)，并分別基于VC++和Matlab提出了一種顏色空間轉(zhuǎn)換算法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明該算法可以有效地提高圖像的顯示質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)； 顏色空間； YCbCr； RGB

中圖分類(lèi)號(hào)：TN91934； TP317.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004373X（2012）22006504

在計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)中，圖像的顯示往往要涉及到顏色空間轉(zhuǎn)換的問(wèn)題［1］，目前廣泛采用的數(shù)字圖像傳感器和模擬圖像傳感器（使用視頻解碼器）的數(shù)據(jù)輸出格式一般都包含YUV/YCbCr 4∶2∶2，而顯示器基本都是采用RGB值來(lái)驅(qū)動(dòng)的，所以要在顯示每個(gè)像素之前，需要把YUV/YCbCr彩色分量值轉(zhuǎn)換成RGB值［2］。目前大部分文獻(xiàn)只是籠統(tǒng)地在顏色空間模型中提出了YUV/YCbCr到RGB的轉(zhuǎn)換公式，并沒(méi)有針對(duì)相應(yīng)的YUV/YCbCr采樣格式提出切實(shí)可行的轉(zhuǎn)換算法［34］。因此本論文就針對(duì)目前YUV/YCbCr格式的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)合空間轉(zhuǎn)換公式，提出了YUV/YCbCr 4∶2∶2到RGB的轉(zhuǎn)換算法，并分別在VC++和Matlab軟件中進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)研究。

1 顏色空間理論

為了科學(xué)地定量描述和使用顏色，人們提出了各種顏色模型。目前常用的顏色模型有RGB，CMYK，HSI和YUV。下面主要對(duì)RGB和YUV顏色模型進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1.1 RGB顏色模型

RGB （Red， Green， Blue）是顯示和保存彩色圖像的最常見(jiàn)的色彩空間，它通過(guò)CIE規(guī)定的三基色，即紅、綠、藍(lán)三種基色的加權(quán)混合得到各種顏色。這里可用圖1的單位立方體來(lái)說(shuō)明［2］。三維空間的3個(gè)軸分別與R（紅）、G（綠）和B（藍(lán)）3個(gè)分量相對(duì)應(yīng)。原點(diǎn)對(duì)應(yīng)黑色，與原點(diǎn)最遠(yuǎn)的定點(diǎn)對(duì)應(yīng)白色。在這個(gè)模型中，從黑到白的灰度值分布在從黑色原點(diǎn)白色頂點(diǎn)的連線上，立方體上或其內(nèi)部的點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的顏色，可用從原點(diǎn)到該點(diǎn)的矢量表示。

圖1 RGB顏色空間RGB（紅、綠、藍(lán)）模型主要用于面向硬件設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于視頻監(jiān)視器、彩色攝像機(jī)或打印機(jī)等［5］。

1.2 YUV/YCbCr顏色模型

YUV是被歐洲電視系統(tǒng)所采用的一種顏色編碼方法（屬于PAL）。YUV主要用于優(yōu)化彩色視頻信號(hào)的傳輸，使其向后兼容老式黑白電視［6］。其中“Y”表示明亮度（Luminance），也就是灰度值；而“U”和“V”表示的則是色度（Chrominance），作用是描述影像色彩及飽和度，用于指定像素的顏色。YCbCr是YUV通過(guò)縮放和偏移衍變而成的。其中Y與YUV中的Y含義一致，Cb，Cr同樣都指色彩，只是在表示方法上不同而已。一般情況下YUV大多是指YCbCr。在本文中，U一詞相當(dāng)于Cb，V一詞相當(dāng)于Cr。

YUV格式通常有2大類(lèi)：打包（Packed）格式和平面（Planar）格式。前者將YUV分量存放在同一個(gè)數(shù)組中，通常是幾個(gè)相鄰的像素組成一個(gè)宏像素（Macropixel）；而后者使用3個(gè)數(shù)組分開(kāi)存放Y，U，V三個(gè)分量，就像是一個(gè)三維平面一樣。常用的YUV 4∶2∶2和YUV 4∶4∶4均為打包格式。

YUV的優(yōu)點(diǎn)之一是，色度頻道的采樣率可比Y頻道低，同時(shí)不會(huì)明顯降低視覺(jué)質(zhì)量。通常采用A：B：C表示法來(lái)描述U和V與Y的采樣頻率比例，常用的采樣頻率比例有：YUV 4∶4∶4表示色度頻道沒(méi)有下采樣。YUV 4∶2∶2表示2∶1的水平下采樣，沒(méi)有垂直下采樣，對(duì)于每?jī)蓚€(gè)U樣例或V樣例，每個(gè)掃描行都包含4個(gè)Y樣例，每像素16位。4∶2∶2格式包含YUY2和UYVY兩種格式，它們之間的區(qū)別只是字節(jié)順序的不同，如圖2，圖3所示。

要在屏幕上顯示圖像，就必須以RGB表示圖像的顏色。所以需要把YCrCb模型向RGB模型轉(zhuǎn)換。具體的YCbCr與RGB的彩色空間變換關(guān)系如下［7］：Y

Cr

Cb=0.2990.5870.114

0.500－0.148 7－0.081 3

－0.168 7－0.331 30.500R

G

B+0

128

128

（1）

R

G

B=101.402

1－0.344 14－0.714 14

11.7720Y

Cb－128

Cr－128

（2） 通過(guò)變換得出的R，G，B值可能超出了其定義域，所以在變換之后要對(duì)RGB數(shù)值進(jìn)行檢查，如果大于255，則賦值為255；如果小于0，則賦值為0。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

為了驗(yàn)證和比較圖像數(shù)據(jù)在顏色空間轉(zhuǎn)換后的圖像質(zhì)量，本論文設(shè)計(jì)了一種基于CMOS圖像傳感器的簡(jiǎn)易計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)［8］。目的是為了通過(guò)硬件平臺(tái)，并結(jié)合上位機(jī)的軟件系統(tǒng)，采集圖像數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顏色空間的轉(zhuǎn)換，從而檢驗(yàn)顏色空間轉(zhuǎn)換算法的可行性和有效性。實(shí)現(xiàn)視覺(jué)系統(tǒng)的主要部件以及硬件系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 硬件實(shí)現(xiàn)模塊在設(shè)計(jì)中選用的是具有超小型1/6\"的光學(xué)尺寸，分辨率為640×480像素的CMOS圖像傳感器。它有著出色的彩色視頻性能和很小包裝，并且功耗極低。在圖像傳輸方面，由于USB能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速、雙向、同步傳輸，而且成本較低并可以實(shí)現(xiàn)熱拔插。所以此處選用USB控制器作為數(shù)據(jù)傳輸接口，并采用的是Cypress公司的EZUSB FX2LP系列USB設(shè)備［9］。通過(guò)USB控制器的8051完成對(duì)CMOS傳感器的時(shí)序控制，并由USB的Slave FIFO同步傳輸數(shù)據(jù)于PC機(jī)進(jìn)行接收。由此完成了簡(jiǎn)潔的硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖像數(shù)據(jù)接收的軟件平臺(tái)主要是基于VC++來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)調(diào)用Cypress公司提供的開(kāi)發(fā)包Development Kits的驅(qū)動(dòng)程序CYUSB.SYS，以及C++編程類(lèi)庫(kù)CyAPI.lib，來(lái)完成對(duì)USB設(shè)備的打開(kāi)、關(guān)閉和圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、圖像的動(dòng)態(tài)顯示。在VC++中編寫(xiě)圖像數(shù)據(jù)接收程序，創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的線程函數(shù)來(lái)接收一幀的圖像的數(shù)據(jù)。當(dāng)接收完一幀圖像數(shù)據(jù)之后，保存到txt文件中，以待后期的處理。

3 顏色空間的轉(zhuǎn)換

對(duì)于YCbCr 4∶2∶2格式的圖像，每個(gè)像素是16位，因此一幀640×480像素的YCbCr 4∶2∶2格式圖像的數(shù)據(jù)大小為640×480×2 B，即614 400 B。24位的真彩圖像，每個(gè)像素的R，G，B分量分別是8位，共24位。因此同樣的一幀640×480像素的RGB圖像的數(shù)據(jù)大小為640×480×3 B，即為921 600 B。所以在YCbCr到RGB轉(zhuǎn)換的過(guò)程中首先要對(duì)Cb和Cr進(jìn)行補(bǔ)值，然后完成顏色空間的轉(zhuǎn)換。

3.1 基于VC++實(shí)現(xiàn)顏色空間的轉(zhuǎn)換

在VC++中把接收到的一幀YCrCb圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一幀RGB圖像數(shù)據(jù)。首先讀入txt文件中的數(shù)據(jù)到內(nèi)存中，按行列的方式讀取每一個(gè)像素，對(duì)Y，Cb，Cr值進(jìn)行提取，轉(zhuǎn)成R，G，B格式，然后進(jìn)行顯示?；舅惴ㄈ鐖D5所示。

圖5 VC++中實(shí)現(xiàn)顏色空間轉(zhuǎn)換的基本算法其中i表示圖像的高度，j表示圖像的寬度。讀取的txt文件的數(shù)據(jù)放入ImageData中。本文中按照YUY2格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由前面可知，YUY2在內(nèi)存中的存放次序第一個(gè)字節(jié)為Y0，每二個(gè)字節(jié)為U0，依次排列如下：［Y0，U0，Y1，V0］［Y2，U1，Y3，V1］［Y4，U2，Y5，V2］ …。相應(yīng)的U和Cb對(duì)應(yīng)，V和Cr對(duì)應(yīng)，所以在ImageData中，讀出的第一個(gè)數(shù)據(jù)是Y，然后根據(jù)j是否能被2整除，判斷讀出Cb和Cr。按照式（2），對(duì)Y，Cb，Cr值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的R，G，B值。最后對(duì)RGB圖像進(jìn)行顯示，如圖6所示。

由圖像可以看出，日光燈和對(duì)太陽(yáng)光強(qiáng)烈反光的地方，圖像的顏色出現(xiàn)了異樣，這是因?yàn)樵谏厦娴乃惴ㄖ?，提取出?lái)的每一個(gè)像素都擁有一個(gè)Y值，但是對(duì)于Cb和Cr，每個(gè)像素只包含了其中的一個(gè)值。所以造成了有強(qiáng)光照到的地方，在轉(zhuǎn)換后得到的圖像中，出現(xiàn)了顏色的異樣。在這種算法中，此類(lèi)問(wèn)題是無(wú)法避免的。而對(duì)于沒(méi)有被強(qiáng)光照到的地方，由于人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)（其實(shí)就是人的眼睛）對(duì)亮度的感覺(jué)比對(duì)顏色更加敏感，所以即使在像素缺少Cb或Cr值的情況下，人用眼睛并不會(huì)察覺(jué)到畫(huà)面質(zhì)量的變化［10］。

基于VC++實(shí)現(xiàn)顏色空間轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)在于可以通過(guò)用戶編程，在操作界面上完成多種對(duì)視頻流或圖像的操作，使得應(yīng)用程序的功能更加的強(qiáng)大和方便。

圖6 VC++中轉(zhuǎn)換成的RGB圖像3.2 基于Matlab實(shí)現(xiàn)顏色空間的轉(zhuǎn)換

Matlab圖像處理工具箱中集成了有關(guān)顏色空間轉(zhuǎn)換的函數(shù)，其中從YCbCr顏色模型轉(zhuǎn)換到RGB模型的的轉(zhuǎn)換函數(shù)為YcbCr2RGB。此函數(shù)是基于YCbCr 4∶4∶4格式的，所以在調(diào)用此函數(shù)之前，要先把YCbCr4∶2∶2格式的數(shù)據(jù)中的Y，Cb，Cr值進(jìn)行提取，然后通過(guò)插值法補(bǔ)全Cr和Cb的值，從而實(shí)現(xiàn)了YCbCr4∶2∶2格式到Y(jié)CbCr4∶4∶4格式的轉(zhuǎn)換。本論文中采用了最簡(jiǎn)單的插值法進(jìn)行插值，即使用臨近的Cb，Cr值進(jìn)行插值。對(duì)Y，Cb，Cr值進(jìn)行提取和補(bǔ)值的函數(shù)如下：

y = ycbcr（1：2：640.*480.*2）；

cb（1：2：640.*480） = ycbcr（2：4：640.*480.*2）；

cb（2：2：640.*480） = ycbcr（2：4：640.*480.*2）；

cr（1：2：640.*480） = ycbcr（4：4：640.*480.*2）；

cr（2：2：640.*480） = ycbcr（4：4：640.*480.*2）；

對(duì)得到的Y，Cb，Cr數(shù)組進(jìn)行合并，然后通過(guò)YcbCr2RGB函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到RGB。在YCbCr色彩空間中，它的亮度信號(hào)和色度 信號(hào)是分離的。如果只有Y信號(hào)分量而沒(méi)有Cb，Cr分量，那么這樣表示的圖像就是黑白灰度圖像。所以將Y分量寫(xiě)入文件，只顯示圖片的Y分量即得到黑白圖像，如圖7所示。

將轉(zhuǎn)換得到R，G，B分量分別寫(xiě)入文件并讀取成矩陣，然后將矩陣轉(zhuǎn)置，合并成三維數(shù)組，即為圖像的RGB值數(shù)組，直接可通過(guò)Imshow函數(shù)進(jìn)行顯示。圖8為轉(zhuǎn)換得到的RGB真彩圖像。

由同一幀圖像的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換得到的RGB圖像，可以明顯地看出，由Matlab中得到的圖像質(zhì)量更加好一些。說(shuō)明用臨近的Cb，Cr值對(duì)YCbCr值進(jìn)行補(bǔ)全，可以有效地改善圖像質(zhì)量。而且Matlab中集成了YcbCr2RGB轉(zhuǎn)換函數(shù)，使得編程更加容易和簡(jiǎn)便，只要完成相應(yīng)的Cb，Cr的插值，即可有效地完成圖像顏色空間的轉(zhuǎn)換和顯示。

圖7 提取Y分量得到的黑白圖像

圖8 Matlab中轉(zhuǎn)換得到的RGB圖像4 結(jié) 語(yǔ)

由于計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)中，對(duì)圖像的顯示是必不可少的環(huán)節(jié)，如果圖像的顯示質(zhì)量不能達(dá)到一定的要求，往往會(huì)對(duì)系統(tǒng)的整體性能帶來(lái)很大的影響。所以本文針對(duì)在計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)中，必然會(huì)遇到的在圖像顯示過(guò)程中的顏色空間的轉(zhuǎn)換的理論進(jìn)行了闡述，并在相應(yīng)的硬件的基礎(chǔ)上，提出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的轉(zhuǎn)換算法，并對(duì)得到的圖像進(jìn)行了比較和分析。本文提出的算法可經(jīng)過(guò)修改，方便地應(yīng)用到Y(jié)UV/YCbCr的其它采樣格式的顏色空間轉(zhuǎn)換中，所以具有較好的實(shí)用性和拓展性。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介： 向方明 女，1973年出生，工程師。現(xiàn)主要從事嵌入式系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)工作。

朱遵義 男，1957年出生，高級(jí)工程師?，F(xiàn)主要從事漏電斷路器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)及低壓電器智能電網(wǎng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)。

許 敬 女，1984年出生，碩士。主要研究方向?yàn)閳D像處理電路設(shè)計(jì)及算法研究。