顏色空間轉(zhuǎn)換理論及問(wèn)題分析

1、顏色空間轉(zhuǎn)換理論及問(wèn)題分析許敬，張合，張祥金，王曉峰（南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094）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。本文針對(duì)圖像顯示中的顏色空間轉(zhuǎn)換中圖像數(shù)據(jù)的格式、轉(zhuǎn)換公式和實(shí)現(xiàn)算法等問(wèn)題，結(jié)合顏色空間理論，進(jìn)行了分析和研究。本文設(shè)計(jì)了精簡(jiǎn)的硬件平臺(tái)，獲取圖像數(shù)據(jù)，并分別基于VC+和Matlab提出了兩種簡(jiǎn)單實(shí)用的顏色空間轉(zhuǎn)換算法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該算法可以有效地達(dá)到較好的圖像顯示質(zhì)量，具有很好的實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵字：計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)、顏色空間、YCbCr、RGB中文分類號(hào)：TP317·4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：The C

2、onversion Theory and Problems Analysis for Color SpaceXU Jing, ZHANG He, ZHANG Xiangjin, WANG Xiaofeng (ZNDY of Ministerial Key Laboratory, NUST, Nanjing 210094, China)Abstract：The quality of image display plays a key role in the computer vision system. Combined with the color space theory, analysis

3、 and research is accomplished according to the problems such as the image data format, conversion formulas and implementation algorithms in this paper. Based on a simple hardware platform the image data is extracted. And two simple and useful color space conversion algorithms are proposed, which are

4、 respectively based on VC + and Matlab software. Experimental results shows that the color conversion algorithms can achieve the desired purpose and a better practical value for image conversionKey words：Computer Vision System; color space; YCbCr、RGB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，這是因?yàn)槟壳皬V泛采用的數(shù)字圖像傳感器和

5、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/YCbCr4：2：2，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。由于大部分論文中只是籠統(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。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，提出了簡(jiǎn)單實(shí)用的YUV/YCbCr4：2：2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)。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

6、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12的單位立方體來(lái)說(shuō)明。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

7、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。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。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。

8、YUV格式通常有兩大類：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（macro-pixel）；而后者使用三個(gè)數(shù)組分開(kāi)存放YUV三個(gè)分量，就像是一個(gè)三維平面一樣。常用的YUV4：2：2和YUV4：4：4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：YUV4:4:4表示色度頻道沒(méi)有下采樣。YUV4：2：2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)掃描行都包含四個(gè)Y樣例，每

9、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、3所示。圖2 YUY2內(nèi)存布局圖3 UYVY內(nèi)存布局1.3 顏色空間轉(zhuǎn)換公式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：（1-1） （1-2）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)

10、。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EZ-USB FX2LP系列USB設(shè)備。通過(guò)USB控制器的8051完成對(duì)CMOS傳

11、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YCbCr4：2：2格式的圖像，每個(gè)像素是16位，因此一幀640×

12、480像素的YCbCr4：2：2格式圖像的數(shù)據(jù)大小為640×480×2字節(jié)，即614400字節(jié)。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字節(jié)，即為921600字節(jié)。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

13、R、G、B格式，然后進(jìn)行顯示?；舅惴ㄈ缦滤荆簣D5 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。按照公式（1-2），對(duì)Y、Cb、Cr值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的R、G、B值?？烧{(diào)用SetPixel()函

14、數(shù)，對(duì)RGB圖像進(jìn)行顯示，如圖6所示。圖6 VC+中轉(zhuǎn)換成的RGB圖像由圖像可以看出，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?；赩C+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)

15、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。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YCbCr4：4：4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:

16、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

17、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。圖7 提取y分量得到的黑白圖像將轉(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。圖8 Matlab中轉(zhuǎn)換得到的RGB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。4 結(jié)論由于計(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，提出了兩種簡(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)：1 章毓晉 機(jī)器視覺(jué)和圖像技術(shù) 自動(dòng)化博覽 2009（2）：