RGB转YCbCr算法MATLAB与FPGA实现（Quartus） |
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RGB转YCbCr算法MATLAB与FPGA实现（Quartus）
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一、说明
实现平台：Quartus17.1、MATLAB2022b和Modelsim SE-64 10.4 二、内容本文内容主要实现图片进行RGB模式转化为YCbCr模式的算法实现，首先用MATLAB进行算法的验证，最后再通过FPGA实现具体算法。 三、原理YCbCr是一种数字信号，其在数字视频领域应用广泛，是计算机中应用最多的格式，JPEG，MPEG等都采用YCbCr格式。 YCbCr格式具体可以分为两种格式：tv range格式和full range模式，主要区别如下： 1) tv range格式 Y∈[16,235],Cb∈[16,240],Cr∈[16,240]，主要是广播电视采用的数字标准。 2）full range格式 Y,Cb,Cr∈[0,255],主要是PC端采用的标准。 图像传感器可以配置输出RGB/YCbCr格式图像，根据对应手册的转换公式即可。本文根据OV7725图像传感器手册的对应关系：
使用硬件实现算法，首先要考虑去掉浮点，再不考虑精度的前提下，将数值扩大256倍，为防止溢出，舍去小数点而不进行四舍五入，公式如下： 由于数值扩大了256倍，即2的8次方，因此对上述结果再右移8bit，得到结果如下： 同上，Cb/Cr的计算公式如下： 1）RGB转YCbCr clear all;close all;clc; %read pc image to matlab IMG1 = imread('...\素材\0_images\Scart.jpg');%读取jpg图像 h = size(IMG1,1); %读取图像高度 w = size(IMG1,2); %读取图像宽度 subplot(221); imshow(IMG1); title('RGB Image'); % RGB转YCbCr %Y = (R*76 + G*150 + B*29) >>8 %Cb = (-R*43 - G*84 + B*128 + 32768) >>8 %Cr = (R*128 - G*107 - B*20 + 32768) >>8 IMG1 = double(IMG1); IMG_YCbCr = zeros(h,w,3); for i = 1:h for j = 1:w IMG_YCbCr(i,j,1) = bitshift((IMG1(i,j,1)*76 + IMG1(i,j,2)*150 + IMG1(i,j,3)*29),-8); IMG_YCbCr(i,j,2) = bitshift((-IMG1(i,j,1)*43 - IMG1(i,j,2)*84 + IMG1(i,j,3)*128 + 32768),-8); IMG_YCbCr(i,j,3) = bitshift((IMG1(i,j,1)*128 - IMG1(i,j,2)*107 - IMG1(i,j,3)*20 + 32768),-8); end end %display Y Cb Cr channel IMG_YCbCr = uint8(IMG_YCbCr); subplot(222);imshow(IMG_YCbCr(:,:,1));title('Y Channel'); subplot(223);imshow(IMG_YCbCr(:,:,2));title('Cb Channel'); subplot(224);imshow(IMG_YCbCr(:,:,3));title('Cr Channel');MATLAB执行显示图结果（RGB图，Y通道图，Cb通道图和Cr通道图）
2）仿真数据准备 为了后续FPGA设计中，配合ModelSim进行RTL仿真，实现仿真模型与Verilog代码的对比分析，需要提前生成Y、Cb、Cr通道的数据。 首先生成测试图像的数据，用MATLAB转化为img_RGB.dat，保存于当前目录下。将MATLAB转换好的Y、Cb、Cr通道的数据写入到img_YCbCr.dat文件中，用于后续与RTL仿真生成的结果进行对比，具体实现代码封装成函数，如下: function RGB2YCbCr_Data_Gen(img_RGB, img_YCbCr); % 打印函数1：RGB输入，YCbCr输出 % RGB2YCbCr_Data_Gen(uinit8 img_RGB, uint8 img_YCbCr) % img_RGB：输入待处理的RGB图像 % img_YCbCr：输入处理后的YCbCr图像 % img_RGB.dat：输出 待处理的RGB图像hex数据（比对源数据） % img_YCbCr.dat：输出处理完的YCbCr图像hex数据（比对结果） h1 = size(img_RGB,1); % 读取图像高度 w1 = size(img_RGB,2); % 读取图像宽度 h2 = size(img_YCbCr,1); % 读取图像高度 w2 = size(img_YCbCr,2); % 读取图像宽度 %Simulation source data generate bar = waitbar(0,'Speed of source data generating ...'); %creat process bar fid = fopen('.\img_RGB.dat','wt'); for row = 1:h1 r = lower(dec2hex(img_RGB(row,:,1),2))'; g = lower(dec2hex(img_RGB(row,:,2),2))'; b = lower(dec2hex(img_RGB(row,:,3),2))'; str_data_tmp = []; for col = 1:w1 str_data_tmp = [str_data_tmp,r(col*2-1:col*2),' ',g(col*2-1:col*2),' ',b(col*2-1:col*2),' ']; end str_data_tmp = [str_data_tmp,10]; fprintf(fid,'%s',str_data_tmp); waitbar(row/h1); end fclose(fid); close(bar); %close waitbar %Simulation target data generate bar = waitbar(0,'Speed of source data generating ...'); %creat process bar fid = fopen('.\img_YCbCr.dat','wt'); for row = 1:h2 Y = lower(dec2hex(img_YCbCr(row,:,1),2))'; Cb = lower(dec2hex(img_YCbCr(row,:,2),2))'; Cr = lower(dec2hex(img_YCbCr(row,:,3),2))'; str_data_tmp = []; for col = 1:w2 str_data_tmp = [str_data_tmp,Y(col*2-1:col*2),' ',Cb(col*2-1:col*2),' ',Cr(col*2-1:col*2),' ']; end str_data_tmp = [str_data_tmp,10]; fprintf(fid,'%s',str_data_tmp); waitbar(row/h2); end fclose(fid); close(bar); %close waitbar执行该函数： % ------------------------------------------------------------------------- % Generate image Source Data and Target Data RGB2YCbCr_Data_Gen(IMG1, IMG_YCbCr);生成文件过程：
最后分别产生了img_RGB.dat和img_YCbCr.dat文件：
文件具体内容如下：
1）FPGA实现代码： `timescale 1ns/1ns module RGB888_YCbCr444 ( //global clock input clk, input rst_n, //Image data prepared to be processed input per_img_vsync, //prepared Image data vsync valid signal input per_img_href, //prepared Image data href valid signal input [7:0] per_img_red, //prepared Image red data to be processed input [7:0] per_img_green, //prepared Image green data to be processed input [7:0] per_img_blue, //prepared Image blue data to be processed //processed image data output post_img_vsync, //processed Image data vsync valid signal output post_img_href, //processed Image data href valid signal output [7:0] post_img_Y, //processed Image brightness output output [7:0] post_img_Cb, //processed Image blue shading output output [7:0] post_img_Cr //processed Image red shading output ); //step 1 9 parallel multiplication using 1 clocks reg [15:0] img_red_r0,img_red_r1,img_red_r2; reg [15:0] img_green_r0,img_green_r1,img_green_r2; reg [15:0] img_blue_r0,img_blue_r1,img_blue_r2; always @(posedge clk)begin img_red_r0 |
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