趙 海，呂超英，趙 健，陳遠明，徐佰新，王建鋒

（無錫華潤矽科微電子有限公司，江蘇無錫214000）

基于色調(diào)和飽和度分量的顏色調(diào)整電路

趙 海，呂超英，趙 健，陳遠明，徐佰新，王建鋒

（無錫華潤矽科微電子有限公司，江蘇無錫214000）

提出了一種基于色調(diào)和飽和度分量的獨立顏色調(diào)整電路，可用于視頻后處理過程中對膚色、藍天、綠葉等需要強調(diào)的顏色進行選擇性調(diào)整，對其他無關(guān)部分不會產(chǎn)生任何影響，以滿足不同視覺享受的需要。該方法具有顏色區(qū)域選擇準確和調(diào)整后顏色過渡自然的特點，并成功應(yīng)用于電視芯片中。該電路在TSMC 0.18 μm工藝平臺流片，工作頻率為150 MHz，主要采用了CORDIC快速算法，整個芯片采用流水線結(jié)構(gòu)，實時處理能力好。

色度；飽和度；獨立顏色調(diào)整；視頻后處理；CORDIC

1 引言

當(dāng)前，隨著視頻設(shè)備的高速發(fā)展，人們對視頻質(zhì)量的要求越來越高，對色彩的要求也越來越高。不同的人由于喜好不同，所喜歡的顏色各不相同。比如，有些人喜歡淺藍色的天空，有些人喜歡深藍色的天空；有些人喜歡淺綠色的草地，有些人喜歡深綠色的草地；有些人喜歡紅潤的膚色，有些人喜歡古銅的膚色；還有些人喜歡這一切的隨機組合，還有紅、黃、藍、綠、青等一系列顏色不同的深淺色的組合，這就需要視頻設(shè)備根據(jù)用戶的需求對顏色進行適應(yīng)調(diào)整。

目前市面上顏色調(diào)整的方法主要為RGB調(diào)整[1]，通過顏色空間轉(zhuǎn)換可以轉(zhuǎn)換到Y(jié)CbCr空間進行顏色調(diào)整[2]。YCbCr顏色可分解為色調(diào)和飽和度兩個分量：色調(diào)指顏色的外觀，用于區(qū)別顏色的名稱或顏色的種類，色調(diào)取決于可見光譜中光波的頻率。色調(diào)用紅、橙、黃、綠、青、藍、靛、紫等術(shù)語來描述。飽和度是相對于明度的一個區(qū)域的色彩，是指顏色的純潔性，它可用來區(qū)別顏色的明暗程度。通俗地講，飽和度是量化一種顏色滲入白光的程度，完全飽和的顏色是指沒有滲入白光所呈現(xiàn)的顏色。

本文介紹的顏色調(diào)整方法都是利用色調(diào)和飽和度來進行顏色調(diào)整的。

2 顏色調(diào)整方法

2.1 數(shù)學(xué)模型建立

Colorbar是視頻測試中最常用的測試條目，Colorbar中包含黃色、青色、綠色、洋紅色、紅色、藍色的色度分量值，其紅、藍偏移分量值如表1所示[3]。

表1 Colorbar的紅藍偏移分量

將表1的內(nèi)容用公式（1）計算后可以得到表2。

表2 Colorbar的紅藍偏移分量轉(zhuǎn)換

將表2中的數(shù)據(jù)用坐標(biāo)圖表示出來，如圖1所示。

圖1 顏色坐標(biāo)示意圖

將圖1中的直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的極坐標(biāo)對應(yīng)數(shù)學(xué)模型：

公式（2）中的Hue即為顏色的色調(diào)分量，Saturation即為顏色的飽和度分量。

2.2 基于色調(diào)和飽和度的顏色調(diào)整基本原理

通過調(diào)整色調(diào)Hue和飽和度Saturation可以達到調(diào)整顏色的目的。見圖1，通過公式（2），將由Cb_tmp、Cr_tmp構(gòu)成的直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為由Hue、Saturation構(gòu)成的極坐標(biāo)系，其中，Hue為極坐標(biāo)系中的角度，Saturation為極坐標(biāo)系的半徑，根據(jù)極坐標(biāo)系關(guān)系，有公式（3）如下：

工程上顏色調(diào)整可以分為整體顏色調(diào)整和獨立顏色調(diào)整（選擇性顏色調(diào)整）。所謂整體顏色調(diào)整即將所有顏色的色調(diào)分量統(tǒng)一按某一角度進行旋轉(zhuǎn)、按統(tǒng)一增強系數(shù)對飽和度進行調(diào)整，使畫面的所有顏色發(fā)生變化。而獨立顏色調(diào)整則是對人們特定關(guān)心的顏色進行色調(diào)和飽和度的調(diào)整。

整體顏色調(diào)整操作簡單，易于硬件實現(xiàn)，但實際工程意義不大；獨立顏色調(diào)整可對膚色、藍天、綠葉等人們比較關(guān)心的區(qū)域進行單獨調(diào)整，工程意義大，硬件上實現(xiàn)較復(fù)雜。

3 獨立顏色調(diào)整電路實現(xiàn)方法

3.1 整體結(jié)構(gòu)

圖2描述了顏色調(diào)整電路的整體框圖，總共包含7個主要部分：顏色預(yù)處理，計算反正切模塊，6種顏色范圍定義模塊，特殊顏色范圍定義模塊，6種顏色處理色調(diào)和飽和度，特殊顏色處理色調(diào)和飽和度，色調(diào)和飽和度計算以及寄存器配置模塊。

圖2 電路實現(xiàn)整體框圖

3.2 寄存器配置模塊

這個模塊可以根據(jù)用戶喜好自行設(shè)定需要調(diào)整的顏色以及如何調(diào)整，比如特定顏色增大色調(diào)、減小飽和度等。

3.3 顏色預(yù)處理模塊

這個模塊主要用公式（1）將輸入視頻信號YCBCR減去512，并將輸入的無符號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有符號數(shù)據(jù)。換句話說就是將表1的內(nèi)容轉(zhuǎn)換為表2的內(nèi)容，建立起圖1對應(yīng)的顏色坐標(biāo)系。

3.4 反正切函數(shù)計算模塊

將圖1由Cb_tmp和Cr_tmp構(gòu)成的直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成Hue和Saturation構(gòu)成的極坐標(biāo)系。轉(zhuǎn)換公式見公式（2）。

對于硬件實際計算過程，我們采用CORDIC算法[4]進行計算。

先初始化，將二三象限的角度映射到一四象限來，映射后：

y0=Cr_tmp;

x0=Cb_tmp;

sign0=sgn(y0)

x_table[0]=x0+sign0*y0;

y_table[0]=y0-sign0*x0;

z_table[0]=sign0*atan_table[0];

然后循環(huán)7次：

for(i=0;i＜7;i++)

{

sign[i]=sgn(y_table[i]);

x_table[i+1]=x_table[i]+((sign[i]*y_table[i])＞＞(i+1));

y_table[i+1]=y_table[i]-((sign[i]*x_table[i])＞＞(i+1));

z_table[i+1]=z_table[i]+(sign[i]*atan_table [i+1]);

}

得到的角度為z_table[7]，角度精確到1°。然后根據(jù)輸入的Cb_tmp、Cr_tmp值，將角度映射回各自的象限，將角度全部轉(zhuǎn)換到0°～360°區(qū)間，就得到了Hue，x_table[7]為對應(yīng)的飽和度Saturation。

圖3為迭代基礎(chǔ)單元，如果處理頻率較低，可以采用7倍時鐘復(fù)用這個單元得到CORDIR結(jié)果，該芯片這部分需要的處理頻率接近150 MHz，所以直接例化了7個迭代基本單元。表3（來自VESA標(biāo)準）為電視視頻輸出不同屏幕大小對應(yīng)的場頻、行頻、像素時鐘頻率。

表3 VESA視頻格式標(biāo)準

圖3 CORDIC迭代基本單元

雖然這一計算過程可以同時計算出Hue和Saturation。但是推導(dǎo)公式（4）和公式（5）發(fā)現(xiàn)Saturation這個參數(shù)在最終計算結(jié)果中是可以約分消掉的，所以這個模塊值計算了Hue。

3.5 6種顏色范圍定義模塊和6種顏色處理模塊

表1的數(shù)據(jù)來自參考文獻[2]，經(jīng)過顏色預(yù)處理模塊后轉(zhuǎn)換為表2，形成表3，芯片默認的6種顏色就是黃色、青色、綠色、洋紅色、紅色、藍色，在后面試驗結(jié)果的Colorbar中可以看到，實際上就是將一個圓周近似等分了6份。每種顏色又分為3部分，上邊界、下邊界和中間部分。顏色調(diào)整的時候，中間部分的調(diào)整值與寄存器配置進來的調(diào)整值一致。上邊界和下邊界的調(diào)整值根據(jù)離中間部分的距離遞減，具體算法后面會有介紹。

6種顏色根據(jù)角度分為6份。每種顏色的起始角度sta、終止角度end。洋紅色的角度magenta_ang=52°，紅色的角度 red_ang=109°，黃色的角度yellow_ang=171°，綠色的角度green_ang=232°，青色的角度cyan_ang=289°，藍色的角度blue_ang=351°，則按角度對顏色進行歸類為：

Magenta: (magenta_sta,magenta_end)，其中magenta_sta=magenta_ang-28，magenta_end= magenta_ang+28;

Red:(red_sta,red_end)，其中red_sta=red_ang-29, red_end=red_ang+29;

Yellow: (yellow_sta, yellow_end)， 其 中yellow_sta=yellow_ang-31,yellow_end=yellow_ang+31;

Green: (green_sta , green_end)， 其 中g(shù)reen_sta=green_ang-28,green_end=green_ang+28;

Cyan: (cyan_sta , cyan_end)， 其 中cyan_sta=cyan_ang-28,cyan_end=cyan_ang+28;

Blue: (blue_sta , blue_end)， 其 中blue_sta=blue_ang-31,blue_end=(blue_ang+31)%360。

飽和度Satura、色度Hue及顏色漸近變化偏置Bias，來獲得顏色的色度變化值Hue_change及飽和度變化值Satura_change，并據(jù)此對每種顏色的飽和度與色度進行獨立調(diào)整，以獲得每種顏色最終調(diào)整后的色度信息值Cb_out與Cr_out。

每種顏色對于色度變化值Hue_change及飽和度變化值Satura_change的計算，可以將視頻信號分為3部分計算，中間部分的調(diào)整值與寄存器配置進來的調(diào)整值一致。上邊界和下邊界的調(diào)整值根據(jù)離中間部分的距離遞減。

計算方法如下：

上邊界part=1，下邊界part=2，中間部分part=0，如果不在(sta，end)之內(nèi)則part=3。

顏色處理單元硬件實現(xiàn)框圖見圖4。

圖4 顏色處理單元

3.6 特殊顏色范圍定義模塊和特殊顏色處理模塊

在此需說明的是，對于膚色調(diào)整、天空增強和綠葉處理，可以用相同的方法采用色度飽和度計算及6種顏色范圍定義模塊和6種顏色處理模塊中提到的方法計算出色度變化值hue_change2及飽和度變化值satura_change2。例如，膚色的sta=109，end=156[5]；天空的sta=296，end=340；綠葉的sta=160，end=247。同樣角度如果都不在這 3組 （sta,end） 范圍內(nèi)，則hue_change2=0。顏色處理方法見圖5。

圖5 色度飽和度計算

3.7 色度飽和度計算模塊

通過調(diào)整色調(diào)Hue和飽和度Saturation可以達到調(diào)整顏色的目的。用式（3）、式（5）和式（6）可以計算得到最終的Cb_out和Cr_out。

4 實驗結(jié)果

4.1 電路實現(xiàn)整體邏輯圖

芯片拷貝圖見圖6，要求：（1）壓焊點清晰；（2）壓焊點內(nèi)填寫PIN序號，就近填寫壓焊點名稱，該序號及壓焊點名稱與坐標(biāo)表內(nèi)須保持一致；（3）芯片圖拷貝前，Layout Display Options中Axes/Label Origins選項設(shè)置為不顯示。

4.2 仿真結(jié)果圖

視頻信號輸入到視頻信號處理完畢總共耗時40個周期。圖7中，color_adj_video_in表示視頻信號進入顏色調(diào)整模塊的數(shù)據(jù)流，color_adj_video_out表示視頻信號從顏色調(diào)整模塊輸出的數(shù)據(jù)流。其中vsync_in和vsync_out表示場同步信號，場同步信號的頻率對應(yīng)表3中的Refresh Rate；hsync_in和hsync_out表示行同步信號，行同步信號的頻率對應(yīng)表3中的Horizontal Frequency；dv_in和dv_out表示有效像素標(biāo)識信號，根據(jù)表3中1920×1200分辨率中像素頻率154 MHz、行頻74 kHz，可以計算得到每行實際點數(shù)為2081個，有效像素點為1920個，由場頻60 Hz、行頻74 kHz，可以計算得到每場有1233.3行，有效行數(shù)為1200；Cb_in、Cr_in為輸入的每個像素點的色度分量，Cb_out、Cr_out為處理后每個像素點的色度分量。

4.3 工作頻率測試

測試目的：測試電視在1920×1080分辨率的液晶屏上的最大最小參數(shù)；

測試方法：用電視芯片整機測試，采用1920×1080的電視機播放視頻信號；

測試條件：25℃。

測試結(jié)果：支持的最小工作頻率為130 MHz，最大工作頻率為150 MHz。具體見表4。

圖6 芯片拷貝圖

圖7 顏色調(diào)整模塊仿真波形圖

表4 最大最小參數(shù)測試結(jié)果

4.4 IC芯片調(diào)試視頻效果

圖8（a）對應(yīng)圖7的輸入信號，圖8（b）對應(yīng)將圖7的輸出信號內(nèi)容用YCBCR播放器播放出來的效果圖，其中每個顏色可以單獨調(diào)整，其他顏色可以保持不變。

圖8 所有顏色都調(diào)整后的Colorbar

5 結(jié)論

本文設(shè)計的顏色調(diào)整電路可用于選擇性地對感興趣的圖像顏色進行調(diào)整，使畫面更加符合人們的觀察習(xí)慣，該顏色調(diào)整方法具有顏色選擇定位準確的特點，且在調(diào)整后的圖像顏色過渡自然，不會對周邊顏色進行破壞。該方法也成功應(yīng)用于電視視頻后處理電路中。

[1]郭志友，范廣涵，孫慧卿.LED顯示屏亮度和顏色的調(diào)整方法[J].液晶與顯示，2003，18（04）：298-300.

[2]周錢生，戴麟.快速查表法優(yōu)化視頻解碼中YCbCr到RGB的轉(zhuǎn)換[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，15（254）：167-169.

[3]Keith Jack.Video Demystified[M].United State of America: LLH Technology Publishing，2001：18-19.

[4]楊宏，李國輝，劉立新.基于FPGA的CORDIC算法的實現(xiàn)[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報，2008，13（01）：75-77.

[5]陶霖密，彭振云，徐光佑.人體膚色特征 [J].軟件學(xué)報，2001，12（07）：1032-1039.

Color Adjustment Circuit Based on Hue/Saturation

ZHAO Hai,LV Chaoying,ZHAO Jian,CHEN Yuanming,XU Baixin,WANG Jianfeng
（Wuxi China Resources Semico Co.,Ltd,Wuxi 214000,China）

The paper proposes an independent color adjustment circuit based on hue and saturation components.The circuit is capable of selective color adjustment during video post-processing and avoids any influence on other parts.It is characterized of accurate color region selection and natural transition.Being Manufactured in TSMC 0.18 μm process,the circuit works at 150 MHz and uses CORDIC algorithm with good real-time processing capability.

hue;saturation;independent color adjustment;video post-processing;CORDIC

TN402

A

1681-1070（2017）01-0027-05

趙 海（1974—），男，江蘇江陰人，1997年畢業(yè)于浙江大學(xué)電子工程專業(yè)，無錫華潤矽科微電子有限公司研發(fā)總監(jiān)、高級工程師，多年來一直專注于集成電路的設(shè)計與開發(fā)，其負責(zé)和參與的項目先后兩次獲得過江蘇省科技進步獎。

2016-7-28