（微电子学与固体电子学专业论文）soc环境下的camera+scale设计.pdf

摘要 放眼当今的便携式多媒体产业，虽然市场依旧繁荣，但是近几年来随着国内 外众多厂家纷纷加入到这个领域，便携式多媒体的市场竞争越来越激烈，市场不 可避免地陷入了一片“价格跳水 的尴尬局面。为了应对便携式多媒体的价格大 战，生产厂家在降低生产成本的同时，不断地推出新功能，这也是消费类电子产 品生存的出路。在这种环境下，含有c a m e r ai n t e r f a c e 和c a m e r as c a l e 的便携式多媒 体设备将是其发展的方向。 c a m e r as c a l e 主要用于c a m e r ai p 和多媒体可控芯片之间，它的功能是对c a m e r a 口产生的数据进行缩小处理，进而显示在屏幕上。它可以应用在m p 3 、m p 4 、手 机等消费类产品中。在多媒体可控芯片的s o c 设计中，c a m e r as c a l e 已经成为不可 缺少的一部分，它的性能优劣将直接影响相应电子系统的性能和指标。 本论文采用自顶向下的正向设计路线，对c a m e l as c a l e 进行具体设计。包括系 统划分、算法的m a t l a b 仿真、编写代码、功能仿真与验证、逻辑综合。在设计 的不同阶段使用了不同的e d a 工具，包括n c - v e r i l o g ，d e b u s s y ，d e s i g nc o m p i l e 在占 守。 在具体实现上，本文给出了c a m e r as c a l e 的各个模块的详细设计，包括：寄存 器配置及定义，顶层t o p 模块，具体的算法模块，同步先进先出缓存( f i f o ：f i r s t i nf i r s to u t ) 。在c a m e r as c a l e 设计中，考虑到速度、面积和功耗等因素，对各个模 块的具体设计做了优化，例如在低功耗设计中，引入了门控时钟的设计。论文最 后给出了c a m e r as c a l e 综合优化、仿真测试和分析的结果。结果表明，所设计的 c a m e r as c a l e 功能上已达到设计要求。它可以根据输入像素和输出像素来自动计算 缩小倍数；支持b y p a s s 旁路模式：各种出错检验和中断；支持 r g b 5 6 5 ，y u v 4 2 0 ，y u v 4 2 2 _ o n e _ c h a n n e l ，y u v 4 2 2 一t h r e e c h a n n e l 四种 输入数据模式；对于y u v 4 2 2o n ec h a n n e l 而言，其数据排列支持四种模式 删，y v y u ，i 删和v n ；在数据连续处理中，支持任意模式的切换。 关键字：c a m e r as c a l e 先进先出缓存有限状态机仿真验证 a b s t r a c t f o rn o w a d a y sm u l t i m e d i ai n d u s t r y , a l t h o u g ht h em a r k e ti ss t i l lp r o s p e r o u s ，m a n y d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lf a c t o r i e se n t e r e di nt h i sf i e l di nt h el a s tf e wy e a r s t h e nt h e m a r k e tc o m p e t i t i o no fm u l t i m e d i aw a sm o r ea n dm o r ev i g o r o u s t h em a r k e ti n e v i t a b l y s a n ki n t ot h ee m b a r r a s s e ds i t u a t i o no ft h ep r i c ej u m pi n t ow a t e r f a c i n gt h ep r i c ew a ro f m u l t i m e d i a , w h e nf a c t o r i e sr e d u c e dt h ec o s to fp r o d u c t i o n , t h e yc o n s t a n t l yc r e a t e dn e w f u n c t i o n t h i si sa l s oa l le x i tf o rc o n s u m e re l e c t r o n i c sp r o d u c t s u n d e rt h i se n v i r o n m e n t ， m u l t i m e d i ae q u i p m e n t sw i t hc a m e r ai n t e r f a c ea n dc a m e r as c a l ef u n c t i o n sw i l lb et h e d e v e l o p i n gd i r e c t i o n t h ec a m e r as c a l ei sm a i n l yu s e df o rt h ec a m e r ai pa n dm u l t i m e d i ac o n t r o lc h i p ，i t s f u n c t i o nz o o m so u tt h eo u t p u td a t ao ft h ec a m e r ai pi no r d e rt os h o wa tt h es c r e e n i t c a na p p l yi nm p 3 ，m p 4 ，m o b i l et e l e p h o n ee t c i nm u l t i m e d i ac o n t r o l c h i p ss o c d e s i g n s ，c a m e r as c a l eh a sb e c o m ea ni n d i s p e n s a b l ep a r ta n dp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l e i nt h ep e r f o r m a n c eo ft h eo v e r a l le l e c t r o n i cs y s t e m i nt h i sp a p e r , t o p - d o w nd e s i g np r o c e s si s r e s e a r c h e d ，w h i c hi n c l u d e ss y s t e m p a r t i t i o n , a r i t h m e t i cm a t l a bs i m u l a t i o n ，c o d i n g ，f u n c t i o ns i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o n , l o g i cs y n t h e s i se t c d i f f e r e n te d at o o l sa r eu s e do nd i f f e r e n td e s i g np h a s e s ，i n c l u d i n g n c - v e r i l o g ，d e b u s s y ，d e s i g nc o m p i l ea n ds oo n i np r a c t i c e ，t h i sp a p e rg i v e sad e t a i l e dd e s i g ni m p l e m e n t a t i o no fc a m e r as c a l e m o d u l e si n c l u d i n gd e f i n i t i o na n dc o n f i g u r a t i o nr e g i s t e r ，t o p m o d u l e ，a r i t h m e t i c m o d u l e ，g e n e r a t o r , s y n c h r o n o u sf i f o ( f i r s ti nf i r s to u o i nc a i n e r as c a l ed e s i g n , o p t i m i z a t i o no ns p e c i f i cm o d u l ed e s i g ni sc a r r i e do nw i t hr e g a r dt oa r e a , s p e e da n d s t a b i l i t y f o re x a m p l e ，i nl o wp o w e rd e s i g nu s i n gc l k g a t ed e s i g n i nt h ee n dl o g i c s y n t h e s i s ，t i m i n gs i m u l a t i o na n da n a l y s i sh a v ea l s ob e e np e r f o r m e d t h er e s u l ts h o w s t h a tt h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o ni sr e a c h e d i tc a l lc a l c u l a t ez o o m i n go u tm u l t i p l ea c c o r d i n g t oi n p u tp i x e la n do u t p u tp i x e l ，s u p p o r tb y p a s sf u n c t i o na n d s u p p o r tm a n yk i n d so fe r r o r c o r r e c t i n ga n di n t e r r u p t i ta l s oc a ns u p p o r tr g b 5 6 5 ，y u v 4 2 0 ，y u v 4 2 2 _ o n e _ e l i a s n e l ，y u v 4 2 2 一t h r e e c h a n n e li n p u t t i n g d a t am o d e s f o ry l r v 4 2 2 一o n e c h a n n e l ，d a t aa r r a n g i n gs u p p o r t sf o u rm o d e s ：v ，1 价删，i 丌v ya n dv d u r i n gt h ed a t ap r o c e s s i n g ，i tc a l ls u p p o r tm o d es w i t c h i n g k e y w o r d ：c a m e r as c a l ef i f of s ms t i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o n 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 日期鸪幽 日期弘 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文背景 在科技高速发展的信息时代，科技的每一次进步都将为人们的生活带来更多 的精彩。曾几何时，磁带机占领了人们听音乐的市场，很快的磁带机又被c d 机所 取代。现在便携式多媒体正在走进普通百姓的家庭，这将引起一场消费类电子的 革命。 而带有摄像头功能的便携式多媒体无疑是人们追求的目标，那如何把摄像头 采集的图片经过处理显示在便携式多媒体的屏幕上呢? c a m e r as c a l e 和c a m e r a i n t e r f a c e 就是为了这个目的而诞生的。甚至也可以把c a m e r as c a l e 和c a m e r ai n t e r f a c e 技术应用在手机上，作为消费类电子产品，手机和m p 4 无疑是人们需求最重要的 东西，所以c a m e r as c a l e 和c a m e r ai n t e r f a c e 极大的增加了便携式多媒体的市场竞争 能力。 在各种消费类电子产品趋于集中的今天，便携式多媒体无疑占据着市场的主 流，然而想争夺市场占有量，产品价格是极其重要的因素。据统计，在过去的两 年时间内，便携式多媒体的价格已经跌了近6 0 9 6 。价格下降打破了便携式多媒体市 场扩展的屏障，同时也促进了便携式多媒体消费量的较快增长。但是据业内人士 的调查统计，目前国内市场便携式多媒体的利润空间已不足2 0 0 元，便携式多媒 体可能面临像当年c d 机一样残酷的市场竞争环境。据业内人士分析说，近一两年 来，众多厂家看中了便携式多媒体市场的巨大发展前景，纷纷加入了这个领域， 使得便携式多媒体生产规模不断扩大。同时，由于便携式多媒体不断强调功能的 创新，当一些老型号的产品功能无法满足现有消费需求而形成大量库存时，降价 就似乎成为唯一的处理方法。于是，便携式多媒体市场不可避免地陷进了一片“价 格跳水的漩涡当中。尽管当今的便携式多媒体市场依然繁荣，但重蹈当年c d 机 的覆辙似乎已经不可避免，因为先进的技术取代落后的技术，这是自古以来的发 展道理。随着便携式多媒体日渐普及，生产成本日渐降低，如何在原有的便携式 多媒体上开发出新功能成为便携式多媒体是否能够继续生存的关键。 人们越来越注重生活的质量与品味，带有摄像头功能的便携式多媒体已经成 为人们追求的目标。在追求高品位享受的同时，人们也在追求简单化的生活。在 这种背景下，基于带有摄像头功能的便携式多媒体的c a m e r as c a l e 和c a m e r a i n t e r f a c e 就产生了，这使得便携式多媒体的功能变得更加强大。 c a l t l e r as c a l e 和c a m e r ai n t e r f a c e 模块的设计，无疑使多媒体芯片的功能越来越 2 s o c 环境下的c a m e r as c a l e 设计 强大，并且具有独创性。虽然国内的多媒体芯片设计公司起步比较晚，但是通过 我们不懈的努力，在不久的将来我们必定能超过国外的芯片设计公司，让我们所 设计的多媒体芯片被全世界所采用，这是我们所期望的。 1 2 1 国际现状 1 2 国内外的研究动态 在当今各大国际主流多媒体芯片制造公司里，比如三星、索尼、飞思卡尔、 飞利浦等，其中三星作为这些公司的代表，在2 0 0 8 年2 月宣布打算升级旗下移动 处理器产品线，将会推出一款全新的智能芯片，该芯片的频率达到了6 6 7 m h z ，在 多媒体方面支持视频硬件解码，包括3 d 图形与3 d 视频。三星这一专门为智能 手机以及导航设备而量身定做的芯片，采用6 5 纳米制程工艺。其硬件视频加速器 支持的视频格式包括m p e g 4 和h 2 6 4 。该芯片支持各种智能手机操作系统，当然 包括s y m b i a n 、w i n d o w sm o b i l e 以及l i n u x ，可以在低能耗的情况下捕捉以及回放 视频图像，因此可以延长电池的续航能力。三星公司表示，这件新产品极有可能 会成为目前最顶级的多媒体应用中的解决方案。由此我们可以看出国外的公司在 多媒体芯片产业处于领先地步。 1 2 2 国内现状 对比于国外公司，我国的芯片产业比较落后，起步比较晚。但是在2 0 0 7 ，在 信息产业部、财政部、发展改革委、科技部、商务部、北京市政府的大力推动下， 以数字多媒体芯片为突破口的“星光中国芯工程 突破七项核心技术，申请8 0 0 项国内外技术专利，形成了完整的数字多媒体芯片技术体系。目前，“星光”数字 多媒体芯片成为第一个打入国际市场的“中国芯 ，被三星、索尼等国际知名企业 大量采用，占据计算机图像输入芯片世界第一的市场份额。“星光 已经成为国际 知名的芯片品牌，也成为中国第一家在纳斯达克上市的芯片公司。相对于通用c p u 芯片、存储器芯片这类已有国际垄断霸主的产品，数字多媒体芯片还处于群雄逐 鹿的局面。 事实证明，“星光中国芯工程 之所以能够成功，关键是找准了芯片产业的突 破口。过去，我国在选择高技术发展项目时，往往是国外出了个什么，我们也做 什么，跟踪的结果只是让国外的这一产品卖得便宜些，核心技术依然在别人手中， 中国做的是附加值很低的制造业。中星微敢于选择国际上尚不成熟、同时又有巨 大市场前景的领域进行拼搏。从移动数字影像产业到数码相机、宽带数字多媒体 第一章绪论 通信、数字高清晰电视，都离不开数字多媒体芯片，这是一个产值达数十亿美元 的巨大的产业，而目前群雄纷争，尚无霸主。发展“未来的技术”，这也是硅谷许 多创业公司的成功之道。 这几年以来，中星微开发设计出拥有自主核心技术、具有国际领先水平的“星 光”系列5 代数字多媒体芯片，使打上“中国创造 印记的芯片大批量地用在了 三星、飞利浦、惠普、罗技等跨国公司的产品中，为中国的多媒体芯片产业起了 很好的带头作用。 1 3 芯片简介 c a m e r as c a l e 这个模块就是为a s a p l 8 1 0 乜3 芯片所设计，a s a p l 8 1 0 是一款国内 自主研发的最新多媒体可控芯片。 1 3 1 芯片简介 a s a p l 8 1 0 是一套完整的个人媒体播放器解决方案，可为消费者提供高质量的 多媒体体验。a s a p l 8 1 0 系统级芯片让客户有能力设计和开发具有音频、视频、 游戏、学习和无线功能的高性能数字多媒体播放器。 a s a p l 8 1 0 是单芯片数字媒体系统，它是数字音频播放器、p d a 、录音机、手 机、便携式视频播放器和数字图片夹应用的理想解决方案。a s a p l 8 1 0 提供了更长 的电池寿命，更小的外部体积，更高的处理性能和优秀的软件调试功能。 a s a p l 8 1 0 的特点之一是具备低功耗，以至于可以延长电池的寿命。它的电源 管理单元包含一个智能的锂离子电池充电器，而且它被设计成支持a v c ( a d a p t i v e v o l t a g ec o n t r 0 1 ) ，a v c 能减少大约系统功耗的5 0 。a v c 也允许芯片工作在很高 的c p u 系统频率，而这个频率高于正常的电压控制系统。 为了提供最大的应用灵活性，a s a p l 8 1 0 集成了大量的i o 端口。它能有效地 与各种闪存、a t a 驱动、串行总线、智能l c d 连接。还能通过集成的高速应用 u a r t 和4 b i ts d i o 控制器，与蓝牙和w i f i 等高级应用连接。 对于便携式音频播放器a s a p l 8 1 0 集成了整个可用的模拟部件。它包括与耳 机和扬声器放大器相关的高分辨率音频编解码器、8 通道1 2 b i ta d c 、大电流电池 充电器、5 v 操作的线性调节器、嵌入p h y 的高速u s b 2 0o t g 和多种系统监 控和基础系统。 a s a p l 8 1 0 的中央处理器是由含两个高速缓冲存储器，一个容量为4 0 k b y t e s 的嵌入式s r a m 和一个集成的存储器管理单元组成，它可为音频交叉衰减 ( c r o s s f a d i n g ) 和后处理、m p 3 、w i n d o w sm e d i a a u d i o ( w m a ) 编码，以及静动态 4 s o c 环境下的c a m e r as c a l e 设计 视频解码等高级功能提供所需的处理能力，芯片a s a p l 8 1 0 的整个构架如图1 1 1 3 2 芯片特点 图1 1a s a p l 8 1 0 系统架构图 a s a p l 8 1 0 的硬件特点如下：s c 3 2c p u 最高运行在1 8 0 m h z ；集成的低功 耗容量为4 0 k b 的片上r a m ；高速u s b ，速度最高可达4 8 0 m b s ，完全支持 o t g ( o n t h e g o ) ；对于电源管理单元，温度传感器可以激活适应性的电源管理 单元；在音频编码9 9 d b 信噪比的数字转模拟立体声系统，9 0 d b 信噪比的模拟转 数字立体声系统，立体耳机直接驱动大滤波电容，单声道语音输入，双声道立体 声输入；s p d i f 数字输出，8 通道a d 转换器，e m i 外部存储接口，提供s d r a m 和n o rf l a s h ：数量多的外部多媒体接口，最大支持4 个n a n d 闪存，高速m m c ， m s ：1 6 d m a 通道的双外设总线桥，多外设时钟域节约功耗使性能优化，d m a 链 接d m a 指令结构节约功耗：液晶显示( l c d ) 接口适用于所有标准l c d 单元； 符合大多数工业接口的l c d 控制器，支持t f t - s t n 、r g b ，支持r g b 的旁 路输出；两个通用异步收发器( u a r t ) ，最高1 5 m b s 的高速u a r t 控制；主从 1 2 c ，同步串行接口( 应用s p i ，m m c ，s d i o ，m s ) ；4 通道1 6 位循环解码计数器； 5 通道脉冲宽度调节器( p w m ) ；1 0 m 1 0 0 m 以太网m a c 控制器：灵活的i o 管 第一章绪论 脚，所有的数字管脚有驱动强度( 4 m a ，8 m a ) 控制，几乎所有的数字管脚都支持 多用途的输入输出( g p i o ) 模式，几乎所有的数字管脚都支持上拉模式。 1 3 3 总的评价 a s a p l 8 l o 采用a r m l1 内核，并集成了u s b 2 0 、u s bo n t h e g o 和v - f i r ， 以及一个t e a 5 7 6 7f m 调频器。通过把电池充电、电源管理、音频编解码器和闪 存控制器集成在一个单芯片上，a s a p l 8 1 0 解决方案能实现相比现有高容量闪存式 播放器延长8 0 的电池寿命，并使体积更加小巧；同时，依靠a r m l1 强大的处理 功能，客户也可以开发许多新的功能。该芯片除了支持各主要音频编解码器，包 括m p 3 、w i n d o w sm e d i aa u d i o 、a a c 及o g gv o r b i s ，还支持m p e g 4 、h 2 6 4 及 w m v 9 视频编解码器。而以前的系列仅支持w m a 格式的视频。基本上a s a p l 8 1 0 系列是音频播放器的理想选择，已经通过了d r m l 0 、p 4 s 2 0 兼容性测试。还有现 在m p 3 产品在容量上也会越来越大，也会到1 g 、2 g 、4 g 、8 g 。在a s a p l 8 1 0 平 台上基本上支持超过1 g 以上的容量。也支持大屏幕l c d ，无论2 寸、3 5 寸都可 以直接支持。 a s a p l 8 1 0 是真正一个s o c 。它已经把整个音频处理、模拟部分、电容管理、 充电器、u s b 控制器整合在同一个芯片里。整个系统是一个很简单的设计。你只 需要外挂一个闪存、s d r a m 、电池、l c d ，基本上就是一个m p 3 媒体播放器。 如果需要f m 功能，就增加一个t e a 5 7 6 7 芯片。其他外围功能都已经整合在 a s a p l 8 1 0 芯片里。 除了上述所说的以外，a s a p l 8 1 0 也提供一个视频的解码器，市场上有太多不 同的视频格式，基本上没有一台播放器可以播放所有的格式，针对这个问题 a s a p l 8 1 0 提供一个p c 解码器，解码器作为媒体格式的一个转化，是针对不同格 式、不同分辨率做一个解码。这个解码器可以支持不同的音频格式，包括r e a l 视 频上支持h 2 6 4 、w m v 等等。也支持a v i 、m p e g 。在无线连接性方面，也把 w 谅i 功能加入到a s a p l 8 1 0 里面。 1 4 论文主要工作和安排 本课题采用“t o p _ d o w n 自项而下的正向设计路线，根据设计要求，利用 v e r i l o gh d l 技术实现了c a m e r as c a l e 的性能，主要工作有： ( 1 ) 熟悉c a l t i l t as c a l e 的视频与图像格式，视频的控制信号以及中断控制等等。 ( 2 ) 设计c a m e r as c a l e 的缩小算法，并且用m a t l a b 进行算法仿真。 ( 3 ) 完成c a m e r as c a l e 的顶层t o p 模块，算法模块，同步f i f o 的设计及优化。 6s o c 环境下的c a m e r as c a l e 设计 本设计全部采用v e r i l o gh d l 硬件描述语言描述。 ( 4 ) 完成c a m e r as c a l e 的仿真验证、逻辑综合。 本文结构安排如下： 第一章介绍了课题提出的背景及意义，介绍了国内外的研究动态，以及对本 论文的主要工作和结构安排做了介绍。 第二章阐述了c a m e r as c a l e 理论基础，主要介绍了视频与图像格式，视频的控 制信号。 第三章主要介绍c a m e r as c a l e 的原理及设计。首先介绍了c a m e r as c a l e 的基本 原理及设计要求，并对系统按功能进行模块划分。其次，介绍了所设计的c a m e r a s c a l e 的内部基本构造，然后又介绍了算法的m a t l a b 仿真。最后，详细介绍了 c a m e r as c a l e 各个子模块的设计。 第四章给出了c a m e r as c a l e 的算法的综合优化、仿真验证。仿真和综合结果表 明此c a m e r as c a l e 的功能符合设计要求，能够正确的收发数据。 第五章结束语，总结了本课题取得的成果和本文的不足之处。 第二章视频格式与控制信号 2 1 1r g b 的概述 第二章视频格式与控制信号 2 1 视频与图像格式 r g b 色彩模式是工业界的一种颜色标准，是通过对红( r ) 、绿( g ) 、蓝( b ) 三 个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色的，r g b 即代 表红、绿、蓝三个通道的颜色，这个标准几乎包括了人类视力所能感知的所有颜 色，是目前运用最广的颜色系统之一。 r g b 色彩模式使用r g b 模型为图像中每一个像素的r g b 分量分配一个0 2 5 5 范围内的强度值。例如：纯红色r 值为2 5 5 ，g 值为0 ，b 值为o ；灰色的r 、g 、 b 三个值相等( 除了o 和2 5 5 ) ；白色的r 、g 、b 都为2 5 5 ；黑色的r 、g 、b 都 为0 。r g b 图像只使用三种颜色，就可以使它们按照不同的比例混合，在屏幕上 重现1 6 7 7 7 2 1 6 种颜色。 在r g b 模式下，每种r g b 成分都可使用从0 ( 黑色) 到2 5 5 ( 白色) 的 值。例如，亮红色使用r 值2 4 6 、g 值2 0 和b 值5 0 。当所有三种成分值 相等时，产生灰色阴影。当所有成分的值均为2 5 5 时，结果是纯白色；当该值 为0 时，结果是纯黑色。 根据三基色原理，任意一种色光f 都可以用不同分量的r 、g 、b 三色相加混 合而成。f = r r + g g + b b 。其中r 、g 、b 分别为三基色参与混 合的系数。当三基色分量都为0 ( 最弱) 时混合为黑色光；而当三基色分量都为k ( 最强) 时混合为白色光。调整r 、g 、b 三个系数的值，可以混合出介于黑色光和 白色光之间的各种各样的色光。 2 1 2r g b 的原理 r g b 是从颜色发光的原理来设计的，通俗点说它的颜色混合方式就好像有红、 绿、蓝三盏灯，当它们的光像互相叠合的时候，色彩相混，而亮度却等于两者亮 度之总和，越混合亮度越高，即加法混合。 有色光可被无色光冲淡并变亮。如蓝色光与白光相遇，结果是产生更加明亮 的浅蓝色光。知道它的混合原理后，在软件中设定颜色就容易理解了。红、绿、 蓝三盏灯的叠加情况，中心三色最亮的叠加区为白色，加法混合的特点：越叠加 s o c 环境下的c a m e r as c a l e 设计 越明亮。 红、绿、蓝三个颜色通道每种色各分为2 5 5 阶亮度，在0 时“灯最弱 是关掉的，而在2 5 5 时“灯”最亮。当三色数值相同时为无色彩的灰度色，而三 色都为2 5 5 时为最亮的白色，都为0 时为黑色。 r g b 颜色称为加成色，因为您通过将r 、g 和b 添加在一起( 即所有光线 反射回眼睛) 可产生白色。加成色用于照明光、电视和计算机显示器。例如： 显示器通过红色、绿色和蓝色荧光粉发射光线产生颜色。绝大多数可视光谱都可 表示为红、绿、蓝( r g b ) 三色光在不同比例和强度上的混合。这些颜色若发生 重叠，则产生青、洋红和黄。 2 1 3r g b 的格式 r g b l 、r g b 4 、r g b 8 都是调色板类型的r g b 格式，在描述这些媒体类型的 格式细节时，通常会在b i t m a p i n f o h e a d e r 数据结构后面跟着一个调色板( 定 义一系列颜色) 。它们的图像数据并不是真正的颜色值，而是当前像素颜色值在调 色板中的索引。以r g b l ( 2 色位图) 为例，比如它的调色板中定义的两种颜色值 依次为0 x 0 0 0 0 0 0 ( 黑色) 和0 x f f f f f f ( 白色) ，那么图像数据0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 ( 每 个像素用l 位表示) 表示对应各像素的颜色为：黑黑白白黑白黑白黑白白白。 常见的r g b 格式有r g b l 、r g b 4 、r g b 8 、r g b 5 6 5 、r g b 5 5 5 、r g b 2 4 、r g b 3 2 、 a r g b 3 2 等。 ( 1 ) r g b 5 6 5 格式 r g b 5 6 5 使用1 6 位表示一个像素，这1 6 位中的5 位用于r ，6 位用于g ，5 位用于b 。程序中通常使用一个字( w o r d ，一个字等于两个字节) 来操作一个像 素。当读出一个像素后，这个字的各个位意义如下： 高字节低字节 r r rrrg g g g g gbbbbb 可以组合使用屏蔽字和移位操作来得到r g b 各分量的值： k t e f i n er g b 5 6 5m 队s ki 也d0 x f 8 0 0 # d e f i n er g b 5 6 5m l a s kg r e e n0 x 0 7 e 0 # , d e f i n er g b 5 6 5m 魄s kb l u e 0 x 0 01 f r = ( w p i x e l r g b 5 6 5m a s kr e d ) 1 l ： g = ( w p i x e l r g b 5 6 5m a s kg r e e n ) 5 ： 第二章视频格式与控制信号 9 b2w p i x e l r g b 5 6 5 一m a s k _ b l u e ； r 的取值范围是o 一3 1 ，g 的取值范围是0 - 6 3 ，b 的取值范围是0 3 1 。 ( 2 ) r g b 5 5 5 格式 r g b 5 5 5 是另一种1 6 位的r g b 格式，r g b 分量都用5 位表示( 剩下的1 位 不用) 。使用一个字读出一个像素后，这个字的各个位意义如下： 高字节 低字节 x r rrr r g g g g gb bbbb 可以组合使用屏蔽字和移位操作来得到r g b 各分量的值： # d e f i n er g b 5 5 5 _ m a s k _ r _ e d0 x 7 c 0 0 撤l e f m er g b 5 5 5 _ m a s k _ g r e e n0 x 0 3 e 0 # d e f i n er g b 5 5 5 _ i v l a s k b l u e0 x 0 01 f r = ( w p i x e l r g b 5 5 5m a s kr e d ) 1 0 ： g2 ( w p i x e l r g b 5 5 5 _ m a s k _ g r e e n ) 5 ： b2 w p i x e l r g b 5 5 5 一m a s k _ b l u e ； r 的取值范围是0 3 1 ，g 的取值范围是0 - 3 1 ，b 的取值范围是0 - 3 1 。 ( 3 ) r g b 2 4 格式 r g b 2 4 使用2 4 位来表示一个像素，r g b 分量都用8 位表示，取值范围为 0 - 2 5 5 。注意在内存中r g b 各分量的排列顺序为：b g r b g r b g r 。通常可以使 用r g b t r i p l e 数据结构来操作一个像素，它的定义为： t y p e d e fs t r u c tt a g r g b t r i p l e b y t e r g b t b l u e ； b y t e r g b t g r e e n ； b y t e r g b t r e d ： ) r g b t r p l e ： ( 4 ) r g b 3 2 格式 r g b 3 2 使用3 2 位来表示一个像素，r g b 分量各用去8 位，剩下的8 位用作 a l p h a 通道或者不用。( a r g b 3 2 就是带a l p h a 通道的r g b 2 4 注意在内存中r g b 各分量的排列顺序为：b g r ab g r ab g r a 。通常可以使用r g b q u a d 数据结 构来操作一个像素，它的定义为： t y p e d e f s t r u c tt a g r g b q u a d b y t e r g b b l u e ： b y t e r g b g r e e n ： l o s o c 环境下的c a m e r as c a l e 设计 b y t e r g b r e d ； b y t e r g b r e s e r v e d ；保留字节( 用作a l p h a 通道或忽略) ) r g b q u a d ； 2 1 4y u v 的概述 ( 亦称y c r c b ) 是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法( 属于 p a l ) ，是p a l 和s e c a m 模拟彩色电视制式采用的颜色空间。其中的y 、u 、v 几个字母不是英文单词的组合词，y 代表亮度，u v 代表色差，u 和v 是构成彩色 的两个分量。在现代彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄影机或彩色c c d 摄影 机进行取像，然后把取得的彩色图像信号经分色、分别放大校正后得到r g b ，再 经过矩阵变换电路得到亮度信号y 和两个色差信号r y ( 即u ) 、b y ( 即v ) ， 最后发送端将亮度和色差三个信号分别进行编码，用同一信道发送出去。这种色 彩的表示方法就是所谓的y u v 色彩空间表示。采用y u v 色彩空间的重要性是它 的亮度信号y 和色度信号u 、v 是分离的。如果只有y 信号分量而没有u 、v 信 号分量，那么这样表示的图像就是黑白灰度图像。彩色电视采用y u v 空间正是为 了用亮度信号y 解决彩色电视机与黑白电视机的相容问题，使黑白电视机也能接 收彩色电视信号。 2 1 5 的优点 y u v 主要用于优化彩色视频信号的传输，使其向后相容老式黑白电视。与 r g b 视频信号传输相比，它最大的优点在于只需占用极少的频宽( r g b 要求三个 独立的视频信号同时传输) 。其中“y ”表示明亮度( l u m i n a n c e 或l u m a ) ，也就 是灰阶值；而“u 和“v ”表示的则是色度( c h r o m i n a n c e 或c h r o m a ) ，作用是 描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。“亮度”是透过r g b 输入信号来 建立的，方法是将r g b 信号的特定部分叠加到一起。“色度”则定义了颜色的两 个方面色调与饱和度，分别用c r 和c b 来表示。其中，c r 反映了g b 输入信号 红色部分与r g b 信号亮度值之间的差异。而c b 反映的是r g b 输入信号蓝色部 分与r g b 信号亮度值之同的差异。 采用y u v 色彩空间的重要性是它的亮度信号y 和色度信号u 、v 是分离的。 如果只有y 信号分量而没有u 、v 分量，那么这样表示的图像就是黑白灰度图像。 彩色电视采用y u v 空间正是为了用亮度信号y 解决彩色电视机与黑白电视机的兼 容问题，使黑白电视机也能接收彩色电视信号。 第二章视频格式与控制信号 2 1 6y u v 和r g b 互换 y u v 与r g b 相互转换的公式如下( r g b 取值范围均为0 - 2 5 5 ) ： y = 0 2 9 9 r + 0 5 8 7 g + 0 1 1 4 b u = 0 1 4 7 r 一0 2 8 9 g + 0 4 3 6 b v = 0 6 1 5 r 一0 5 1 5 g 0 1 0 0 b r = y + 1 1 4 v g = y 0 3 9 u o 5 8 v b = y + 2 0 3 u 2 1 7 的主要格式 常见的y u v 格式有y u y 2 、删、w 7 、i 删、a y u v 、y 4 1 p 、y 4 1 1 、 y 2 1 1 、1 1 = 0 9 、m 、y v l 2 、y 9 、y u v 4 1 1 、y u v 4 2 0 等。 ( 1 ) y u v 4 4 4 y u v 三个信道的抽样率相同，因此在生成的图像里，每个象素的三个分量信 息完整，如果每个分量用8 比特表示，则未经压缩的每个像素占用3 个字节。 原始像素 y ou ov 0y 1 u 1 v 1y 2 u 2 v 2 y 3 u 3 v 3 采样后的码流 y ou 0v 0y 1 u 1 v 1y 2 u 2v 2 y 3 u 3 v 3 ( y ：u ：v = 4 ：4 ：4 ) 还原后的像素为： y 0u 0v 0 y 1u 1v 1 y 2u 2v 2 y 3u 3v 3 ( 2 ) y u v 4 2 2 每个色差信道的抽样率是亮度信道的半，所以水平方向的色度抽样率只是 4 ：4 ：4 的一半。对非压缩的8 比特量化的图像来说，每个由两个水平方向相邻的像 素组成的宏像素需要占用4 字节内存。 原始像素 y 0 u 0 v 0y 1 u 1v 1y 2 u 2 v 2 y 3 u 3 v 3 采样后的码流 y 0 u 0y 1v 1y 2 u 2y 3v 3 ( y ：u ：v - - 4 ：2 ：2 ) 还原后的像素为： y 0u ov 1 y 1u 0v 1 y 2u 2v 3 y 3u 2v 3 ( 3 ) y u v 4 1 1 4 ：1 ：1 的色度抽样，是在水平方向上对色度进行4 ：1 抽样。对于低端用户和消 1 2s o c 环境下的c a m e r as c a l e 设计 费类产品这仍然是可以接受的。对非压缩的8 比特量化的视频来说，每个由4 个 水平方向相邻的像素组成的宏像素需要占用6 字节内存。 原始像素 y o u 0 v 0y 1 u 1v 1 y 2u 2 v 2 y 3 u 3 v 3 采样后的码流 y 0 u 0y 1y 2v 2 y 3 ( y ：u ：v = 4 ：1 ：1 ) 映射出像素点为： y ou ov 2 y 1u ov 2 y 2u ov 2 y 3u ov 2 ( 4 ) y u v 4 2 0 4 ：