色彩空间转换的可重构硬件实现
作者：F.Bensaali*,A.Amira
英国贝尔法斯特女王大学，计算机科学院。
接受于 2004.06.27；修订版本在 2005.03.25 收到；在 2005.03.30 被接收。
概要
色彩空间转换对于包括视频压缩在内的许多种图像处理应用而言都是十分重要的。这一操作在高度优化的解码
器中的功耗比例接近于 40%。这也就是说，一种能够有效实行这种转换的方法是为我们所期望的。这篇论文
针对色彩空间转换的有效实行提出了两个新的结构，它们都适用于现场和编程逻辑阵列（FPGA）和 VLSI 的实
现。这些结构都是基于分布式算法（DA）ROM 累加器原理，并且已经被完成，还在 Celoxica RC1000 FPGA 开
发板上完成了验证。此外，它们是平台无关的，同时拥有着低延迟（八个周期）。第一个结构拥有高度的吞吐
量，第二个则是完全流水化的，同时拥有一个能够将数据速率持续保持在 234 百万次转换每秒的吞吐量。
2005 Elsevier 有限公司拥有所有权利.
关键词：色彩空间转换；现场可编程逻辑阵列；分布式算法
1. 前言
色彩是视网膜上的可见区域对于光所引起的频谱变化的一种视觉感受。由于人类的视觉系统拥有三种类型的视
锥细胞，所以对于描述色彩而言，三个不同的成分是充分并且必要的[1]。
色彩空间（也被称为色彩模式或者色彩系统）是一种我们可以用于定义、创造和构想颜色的方法。现在已经有
许多色彩空间存在，并且其中的绝大多数都是以每一种颜色作为一个三维坐标系统的一个点。每种色彩空间都
是为了已经定义好的应用领域而优化的[3]。其中三个最流行的色彩模式是 RGB（用于色彩打印领域）。所有
的色彩空间都能够由被现实摄像头、扫描仪这样的硬件所支持的 RGB 信息派生出来。
在 RGB 色彩空间内——一个由若干 RGB 值表示的像素点构成的集合内，对图像进行处理并不是最高效的。为
了加速许多处理过程，许多广播、视频和图像使用亮度和色差信号标准，比如 YCrCb，这使得在两种制式之间
必须存在一个转换机制。一些可以实现 RGB 到 YCrCb 转换的核已经能够在市面上找到，就像是 Amphion
Ltd[4] , CAST.Inc[5] 和 ALMA.Tech[6] 建议的那样，它们被设计为 FPGA 实现。另一种转换器也被提出[7]，它
已经被实现在由一个带有基于 FPGA 的可重构功能单元的 TriMedia 处理器实现的混合系统中。
作为在贝尔法斯特皇后大学正在进行的一个课题项目的一部分——针对于图像和信号处理算法，去开发一个基
于矩阵运算的硬件加速器[8-11]。本文提出了基于 DA 流水线，并且使用 FPGA 进行 RGB 和 YCrCb 色彩空间
转换的、一个低成本的加速器，DA 流水线是去隐藏乘法的一个乘法运算的比特级重排。这两个建议的结构都
基于一些像素的串行和并行操作。
实现和验证建议的结构的目标硬件是配有 Xilinx 公司 XCV2000E Virtex FPGA[12,13]的 Celoxica RC1000 PCI 开
发板。本文其他部分的组成如下：第二节给出了从 RGB 到 YCrCb 的一个综述，第三节和第四节则是两种结构
所涉及的数学背景和描述。硬件实现的结果和分析则是被列于第五和第六节。最终的结束语在第六节被给出。
2. 色彩空间转换：一个综述
在前言中许多色彩模式都被提到了，每一种都倾向于支持一种特定的任务或者解决某个针对性的问题。下面被
描述的是两种被选择于我们研究的对象，它们被用于许多图像处理应用中。
2.1. RGB 色彩空间
RGB 色彩空间是一种简单和健壮的色彩定义形式。RGB 使用三个数字部分去描述一种色彩。这种色彩空间能
够被认为是一种三维空间坐标系统，坐标系的每个轴对应色彩的每一种成分，R 或者红色，G 或者绿色，B 或
者蓝色。RGB 是一种适用于电脑显示的色彩空间，它的对应非常接近于人类眼睛的行为[1]。RGB 也是一种加
评论0