（电路与系统专业论文）视频中色度重采样算法的asic设计.pdf

中文摘要 随着数字视频技术的发展，视频信号的采样格式也日渐多样化。为了实现不 同采样格式视频的共享，多格式变换已成为数字视频设备中的必备功能，因而具 有广阔的市场前景。本文主要是对色度重采样算法的a s i c 前端设计。 由于不同应用场合的电视广播系统对y c r c b 的采样率的要求不同，i t u r ( 国际电信联盟无线电通信部门) 制定了各种视频标准，常用的有4 ：4 ：4 、4 ： 2 ：2 和4 ：2 ：0 等格式。对于信号源处理质量要求高的设备，经常采用4 ：4 ：4 格式，而在视频信号的捕捉和传送中常采用4 ：2 ：2 格式，4 ：2 ：0 的采样比也 常用于专业视频设备中。 一 色度重采样是一个非常实用化的技术，其发展与应用需求密切相关。当前市 场已经存在大量格式转换芯片，曾经只出现在高端应用领域的技术已被引入消费 类市场。但到目前为止支持高清视频处理的色度采样格式转换的芯片还不多，原 因在于巨大的算法计算量构成系统实现的瓶颈。 本文着重论述了色度重采样技术的基本原理和实现方法，采用v e r i l o gh d l 语言对这种算法进行了系统设计，并对其性能进行了分析和计算机软件仿真。在 色度重采样模块的设计过程中，重点解决了亮度信号和色度信号输出同步的问 题；为了节省生产测试成本，在该模块中加入了可测性设计，这个也是本课题的 创新点之一。此外，本课题还完成了各个模块及整个系统的功能验证工作，并通 过了f p g a 芯片的验证，为以后的a s i c 综合和布局布线奠定了良好的基础。 关键词：视频色度重采样专用集成电路算法 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lm e d i a t e c h n o l o g y , t h es a m p l ef o r m a t so fv i d e o s i g n a lh a v eb e c o m em o r ea n dm o r ev a r i o u s t os h a r ep r o g r a m sw i t hd i f f e r e n ts a m p l e f o r m a ta sw e l la st h ev i d e oq u a l i t ye n h a n c e m e n t ，t h ev i d e of o r m a tc o n v e r t e rh a s b e c o m eac r u c i a lc o m p o n e n ti nm o d e r nd i g i t a lv i d e oe q u i p m e n t s t h i sp a p e rm a i n l y d e s c r i b e st h ef r o n t e n da s i cd e s i g no fc h r o m ar e s a m p l e r sa l g o r i t h m b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n ta p p l i c a t i o ni nt h ed i g i t a lv e d e ob r o a d c a s t i n gs y s t e m ， y c b c rs a m p l i n gr a t e sa r ed i f f e r e n ta c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t s i t u ( i n t e m a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o nr a d i oc o m m u n i c a t i o ns e c t o r ) ，h a v em a d ea l lk i n d so f v i d e os t a n d a r d ss u c ha s4 ：4 ：4 ，4 ：2 ：2a n d4 ：2 ：0 4 ：4 ：4f o r m a ti s o f t e nu s e di nt h e e q u i p m e n t so fh i g hq u a l i t yr e q u i r e m e n t sf o rs i g n a lp r o c e s s i n g a n dt h ec a p t u r ea n d t r a n s m i s s i o no ft h ev i d e os i g n a lf o r m a to f t e nu s e4 ：2 ：2f o r m a t m o r e o v e r , 4 ：2 ：0f o r m a t i sa l s ou s e di np r o f e s s i o n a lv i d e oe q u i p m e n t s c h r o m ar e s a m p l ei sav e r yp r a c t i c a lt e c h n o l o g y , w h i c hi sc l o s e l yr e l a t e dt ot h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o nn e e d s m a n yo ft h ec u r r e n tf o r m a tc o n v e r s i o nc h i p m a r k e t ，w h i c ho n c ea p p l i e do n l yi nt h ef i e l do fh i g h e n dt e c h n o l o g y , h a sb e e n i n t r o d u c e di n t ot h ec o n s u m e rm a r k e t b u ts of a r , t h ec h r o m ar e s a m p l es h i pf o rh i g h d e f m i f i o nc o l o rv i d e op r o c e s s i n gi sf e w t h er e a s o ni st h a tat r e m e n d o u sa m o u n to f t h ea l g o r i t h ms y s t e mc o n s t i t u t e sab o t t l e n e c k t h er a t i o n a l ea n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o do ft h ec h r o m a r e s a m p l e ri si n t r o d u c e d ， a n dt h ev e r i l o gh d l l a n g u a g ei sa d o p t e di nt h es y s t e m i cd e s i g n i t sp e r f o r m a n c e sa r e a n a l y z e da n dv e r i f i e db ys i m u l a t i o n i nt h ep r o c e s so fc h r o m ar e s a m p l i n gm o d u l e d e s i g n ，w ef o c u s e do ns o l v i n gt h el u m i n a n c ea n dc h r o m i n a n c es i g n a l so u t p u ts i g n a l s y n c h r o n i z a t i o np r o b l e m t os a v eo nt e s t i n gc o s t ，t h ed e s i g nf o rt e s tw a su s e di nt h i s m o d u l e ，a n dt h i si sa l s oo n ei n n o v a t i o ni nt h es u b j e c t i na d d i t i o n ，t h ep a p e ra l s o c o m p l e t e dt h ew h o l es y s t e ma n ds u b - m o d u l ef u n c t i o nv a l i d a t i o na n da d o p t e df p g a v e r i f i c a t i o n ，w h i c hh a sl a i dag o o df o u n d a t i o nf o rt h ef o l l o w i n ga s i cs y n t h e s i s p l a c e m e n ta n dr o u t i n g k e yw o r d s ：d i g i t a lv i d e o ，c h r o m ar e s a m p l e r , a s i c ，a l g o r i t h m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获缛苤鲞盘鲎或其他教育机构的学位 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已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 乏飞飞 签字日期：印。7 年，月五e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：飞飞 导师签名： 签字同期：动。7 年f 月2 蜀 殍钴 签字同期：7 叩年月印日 第一章绪论 1 1 数字视频概述 第一章绪论 视觉是人类最重要的感觉，也是人类获取信息的主要来源。据统计，人类 从外界获取的信息中，7 5 来自视觉【l 】。视觉信息与其他的信息相比，具有直观、 具体、生动等诸多显著优点，而且视频所包含的信息量很大。因此，各种视频技 术的研究和应用一直吸引着国内外广大科技人员的关注。随着多媒体技术及 i n t e m e t 网络的快速发展，各种信息采集和生产手段在不断投入使用，例如，数码 照相机、摄像机、扫描仪、打印机等设备的使用，使视频信息的来源不断扩大。 同时，人们对视频的应用也越来越广泛，视频广播、可视电话、视频会议等应用 形式不断涌现。视频信息正在对人们的生活方式和社会发展起着越来越重要的作 用。 视频是一组在时间轴上有序排列的图像，是二维图像在一维时间轴上构成 的图像序列，又称为动态图像、活动图像或者运动图像。它不仅包含静止图像所 包含的内容，还包含场景中目标运动的信息和客观世界随时间变化的信息。电影、 电视等都属于视频的范畴。早期的视频主要是模拟的视频信号，随着各种电子技 术的发展以及全球数字化进程的推进，视频的采集设备和采集方式有了很大的发 展，直接采集数字视频的设备得到了广泛的开发和应用。 相对模拟视频，数字视频有很多的优越点【2 】： ( 1 ) 便于存储。模拟视频信号大多存储在磁带或胶片上，磁带对存储环 境的温度、湿度要求较严格，因此，长期存放和使用磨损都会对磁带造成无力损 伤，这将严重影响重放的图像质量。而数字存储就没有这些问题。特别是随着数 字存储技术的发展，以及存储设备价格的降低，存储的成本也在不断下降，同时， 各种压缩编码技术层出不穷，也大大降低了数字视频所需的存储空间。 ( 2 ) 图像质量好。模拟视频信号抗干扰能力差，在传输和存储过程中会 受到各种干扰和引入各种噪声，而且经过多次传输或复制后，会不断积累噪声， 导致图像质量下降。而数字视频的复制不会引入任何错误，图像质量不会下降。 另外，数字视频中还可采用纠错编码技术，提高抗干扰的能力。 ( 3 )便于提供新的业务。数字视频的数字表示和传输手段可以使它很容 易地与现有的数字通信和计算机相结合，能为人们提供全新的、更灵活、更方便 第一章绪论 的服务，如视频点播等。 ( 4 ) 便于编辑。对于模拟视频的编辑非常不方便，需要对原有电影复制 或重新复制才可以进行视频剪辑，通常会破坏媒体的载体。而数字视频的编辑不 必破坏原有载体，可进行非线性剪辑和视频创作，而且可以多人共享同一视频源。 特别是近年来宽带网络技术的发展，为数字视频技术提供了广阔的机遇。 网络的带宽正在逐渐由十兆，过渡到百兆、千兆，甚至更宽，网络作为视频应用 的瓶颈正在被打破。而且各种压缩算法、多媒体通信协议也在不断地完善和发展， 这些都为发展更多、更广泛的视频应用奠定了良好的基础，相信不久的将来，视 频应用将遍及我们工作、生活的方方面面。 1 2 课题研究背景 在数字图像处理领域中，色度抽样是指在表示图像时使用较亮度信息为低的 分辨率来表示色彩( 色度) 信息。当对模拟分量视频或者y u v 信号进行数字抽样 时，一般会用到色度抽样。 由于人眼对色度的敏感度不及对亮度的敏感度，图像的色度分量不需要有和 亮度分量相同的清晰度，所以许多视频系统在色差通道上进行较低( 相对亮度通 道) 清晰度( 例如，抽样频率) 的抽样【3 1 。这样在不明显降低画面质量的同时降 低了视频信号的总带宽。因抽样而丢失的色度值用内插值，或者前一色度值来替 代。 视频系统的抽样率通常用一个三分量比值表示。第一个值是亮度( y ) 分量样 本的数量，后两个值是两个色彩( 色度) 分量样本的数量：u c b 分量在前，v c r 分量在后。在比较图像质量时，这三个值之间的比值才是重要的，所以4 ：4 ：4 可以简化为1 ：1 ：1 ：但是习惯上亮度样本的数量值总为4 ，其他两个值依此类 推。 由于不同应用场合的电视广播系统对y c b c r 的采样率的要求不同，i t u r ( 国际电信联盟无线电通信部f - j ) 制定了各种视频标准，常用的有4 ：4 ：4 、4 ： 2 ：2 和4 ：2 ：0 等格式。对于信号源处理质量要求高的设备，经常采用4 ：4 ：4 格式，而在视频信号的捕捉和传送中常采用4 ：2 ：2 格式，4 ：2 ：0 的采样比也 用于专业视频设备。 随着视频广播在各个领域中的广泛应用，我们常常需要对视频格式进行转 换，如果能将这种转换集成到一块芯片上，那么将对我们的应用带来极大的方便。 2 第一章绪论 1 3a s i c 技术的发展 随着现代计算机和信息技术的快速发展，a s i c 技术也得到了蓬勃的发展。 在计算机和信息技术日新月异的进程中，我们对芯片的规模、速度、功耗性能等 也提出了更高的要求，半导体工艺首先在芯片材料上满足了这样的要求，从最初 的1 5 u m 、1 0 u m 、o 8 u m i 艺发展到现在的0 2 5 u r n 、0 1s u m 甚至到深亚微米d s m 技术【4 】。半导体硅片的集成度和复杂度越来越高，芯片规模越来越大，这些对 a s i c 芯片的开发工具及设计方法的要求也越来越高，从而推进了各种计算机平 台上的e d a i 具相继出现和更新换代，使得设计高性能、高可靠性、大规模、低 功耗的a s i c 产品成为可能。高性能的i c 反过来又推动了计算机工业的迅速发展。 这样就在芯片设计技术和现代信息技术之间形成了一个良性的循环。a s i c 技术 发展状况如图1 1 所示【5 1 。 高速 海量运算 实时处理系统 通信系统 简单 可靠 低成 _ 图1 1a s i c 技术发展状况 集成电路设计越来越复杂，规模越来越大，要开发一个几十万门甚至上百 万门的a s i c 芯片，只采用传统的原理图( s c h e m a t i c ) 设计是难以实现的。于是 一种基于硬件描述语言的自上而下的设计思想( t o p d o w n ) 给我们提供了一 套a s i c 芯片的设计方法。所谓的自上而下的设计方法就是指：a s i c 芯片系统 第一章绪论 设计过程是依照从抽象的行为描述到具体的晶体管设计来进行的，如图1 2 所示。 这种自上而下的设计方法的基础是硬件描述语言，即h a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ，简称h d l 。硬件描述语言有很多种，目前最为流行的事v e d l o gh d l 和v h d l ，本设计主要是利用v e r i l o gh d l 实现，因为v e r i l o gh d l 在进行a s i c 芯片设计时比v h d l 更有优越性。 系统级 l i 算法级 i l i r t l 级 i l l 门级 i l 晶体管级 抽象 具体 图1 - 2t o p d o w n 设计方法 v e r i l o gh d l 是一种硬件描述语言，用于从算法级、门级到开关级的多种抽 象设计层次的数字系统建模。被建模的数字系统对象的复杂性可以介于简单的门 和完整的电子数字系统之间。数字系统能够按层次描述，并可在相同描述中显式 地进行时序建模。v e r i l o gh d l 语言不仅定义了语法，而且对每个语法结构都定 义了清晰的模拟、仿真语义。因此，用这种语言编写的模型能够使用v e r i l o gh d l 仿真器进行验证。v e r i l o gh d l 从c 编程语言中继承了多种操作符和结构，所以它 是一种简单易学的硬件语言。此外，v e r i l o gh d l 提供了扩展建模能力使设计人 员能更方便灵活地进行复杂芯片的设计【4 】。 4 第一章绪论 1 4 研究框架 1。i m 现有算法评估 选择设计算法l 高级语言仿真 l ， 设计j ， 评估 架构设计i = 爿系统拥范r h n t 描诛、iiv h d 糸统缴 7k7 b v u c fl lr 1 l 级描述及仿真l 一v h d r t l 级 。，j7 b v 门级 综合后侑直ii c d f 山 7 l 一 n nl 亩 ，青塞诒计、勰计寺储， 图1 3 研究框架 色度重采样系统的研究工作是由算法设计和电路设计两个部分组成的。设 计流程将在图1 3 所示的框架下进行。算法设计是建立在对现行各类算法的分析 比较基础之上，理解各类算法的设计思想和优缺点，进而设计出新的高效算法， 对新算法的效果可通过m a t l a b 软件仿真结果来验证【6 1 。新算法是否适合a s i c 实 现是评判新算法的另一个重要标准。因此算法设计应当和架构设计结合起来进行 电路设计并将遵循t o p d o w n 流程，在系统级设计中由h d l 语言将所设计的架 构精确为系统级规范，通过将其仿真结果与算法仿真结果经行对比以确认硬件系 统与原始算法的一致性。经确认的系统级规范将在r t l 级细节化，由h d l 的可综 合子集描述的电路将再次经过仿真验证，然后由综合工具综合出门级网表，带延 迟信息的门级网表需要经过仿真以确认本设计的物理可实现性。图1 3 方案实施 部分只完成a s i c 流程的前端设计，设计结果为以h d l 文件形式呈现并经过仿真 验证的可综合软核。 第一章绪论 1 5 本文主要工作 色度重采样是一个非常实用化的技术，其发展与应用需求密切相关。当前 市场已经存在大量格式转换芯片，曾经只出现在高端应用领域的技术已被引入消 费类市场。但到目前为止支持高清视频处理的色度采样格式转换的芯片还不多， 原因在于巨大的算法计算量构成系统实现的瓶颈。 本设计主要是利用a s i c 技术在视频中实现色度重采样。在整个过程中，需t 要做的工作及要解决的问题是： ( 1 ) 基于帧存、处理能力、系统性价比等的考虑，重点对色度重采样算法 进行研究和设计。解决了图像插值算法是否适合视频缩放在其处理场景的时域稳 定性问题，避免了前后帧处理的不一致性造成物体轮廓处的跳动现象。 ( 2 ) 遵循面向综合的代码编写风格，重点对r t l 设计与综合后网表的一致性 问题进行研究。通过引入延迟模块，解决了重采样模块亮度和色度信号输出同步 问题。 ( 3 ) 芯片设计中考虑了芯片测试问题，增加了可测性设计模块。该模块采 用内建自测试技术，通过一个8 位伪随机序列发生器产生内测试码，其生成多项 式为g f x l = l + x + x 8 。内测试码输入到被测电路进行测试，产生一个称为特征群 的伪随机序列，并将之与正确的特征群进行比较，以确定待测电路的好坏。 6 第二章彩色视频信号原理及其基础理论 2 1 基本原理 第二章彩色视频信号原理及其基础理论 2 1 1 彩色光的三个基本参数 彩色视觉是人眼的一种视觉功能。为确切表示某一彩色光，必须采用三个 基本参数：亮度、色调和饱和度。这三个量在视觉中组成一个统一的总效果，并 严格地描述为彩色光。 亮度是光作用于人眼时引起的明暗程度感觉。一般地，彩色光所含能量越 大则越亮，反之越暗。就物体而言，其亮度决定于由其反射( 或透射) 的光功率 的大小。若照射物体的光功率为定值，则物体反射( 或透射) 系数越大，物体越 明亮，反之则越暗。对同一物体来说，照射光越强( 即光功率越大) ，越明亮， 反之则越暗【7 j 。 色调是决定彩色本质的基本参数，是彩色的重要属性之一。它反映颜色的 类别，我们通常所说的红色、绿色、蓝色就是指色调。不同波长的光所呈现的颜 色不同，实际上就是指色调不同。对于彩色物体的色调，则决定于物体在光照射 下所反射的光谱成分。不同波长的反射光呈现不同的色调。 饱和度是指彩色光所呈现的颜色深浅的程度。同一色调的彩色光，其饱和 度越高，表明它的颜色越深：反之饱和度越低则颜色越浅。高饱和度的彩色光可 以因掺入了白光而被冲淡，变成低饱和度的彩色光。可见，饱和度下降的程度反 映了彩色光被白光冲淡的程度，因此饱和度反映了某种彩色光的纯度。完全没有 混入白光的某纯色光就是饱和度为l o o 的纯色光。 色调和饱和度合在一起就称为色度，它既说明了彩色光颜色的类别，又说明 了颜色的深浅程度。 2 1 2 三基色原理 根据人眼彩色视觉的特性，在彩色重现过程中，并不要求恢复原景物反射光 的光谱成分，而重要的是要获得原景物相同的彩色感觉。如果适当选择三种颜色， 将它们按不同的比例进行组合，就可以得到各种不同的彩色感觉，合成彩色的亮 度由三个基色的亮度之和决定，而色度则有三个基色分量的比例决定。三个基色 7 第二章彩色视频信号原理及其基础理论 必须是相互独立的，也就是说，其中任何一种颜色都不能由其它两种颜色混合产 生，这样就能配出较多的彩色。这就是三基色原理的主要内容。 在彩色视频广播中，比较恰当的还是在红色、绿色和蓝色的光谱色区域内选 择三个基色。这样，自然界中所能观察到的各种彩色几乎都能由它们相混配出。 三基色原理对彩色电视系统极为重要，它把所需要传送的景物的丰富多彩的色彩 的任务简化为只需传送三个信号。 在彩色视频广播中，将三种基色光按不同的比例相加而获得不同彩色的方 法，称为相加混色法。红色光与绿色光相加作用于人眼所引起的彩色感觉与黄光 作用于人眼所引起的彩色感觉相同【8 】。因此，通过将红色光和绿色光相加可以得 到黄色光。同理，绿色光和蓝色光相加的青色光；蓝色光和红色光相加得到品红 色光：红、绿、蓝三色光按一定比例相加为白光。 2 1 3r g b 计色制 为了根据三基色原理配出各种不同的彩色，首先必须选定三个基色。按照 1 9 3 1 年国际照明委员会所作统一规定，选水银光谱中波长为7 0 0 n m 的红色光为红 基色光；波长为5 4 6 n m 的绿色光为绿基色光；波长为4 3 5 8 n m 的蓝色光为蓝基色光。 人眼对这三个基色光的光谱光效率函数值分别为0 0 0 4 1 、0 9 7 5 6 和0 0 1 7 3 。由所 选的三个基色光可以进行配色试验，配色试验用比色计进行，如图2 1 所示。比 色计中有两块互成直角的白板( 屏幕) ，它们对任何波长的光几乎全部反射回来。 两块白板使人眼的视场分成两等分，在左半视场的屏幕上投射待配彩色光，在右 半视场的屏幕上投射红、绿、蓝三基色光。调节三基色光通量的比例，直至有三 基色混合得到的彩色与待配彩色完全相同为止，这时整个视场呈现出待配彩色， 从调节器刻度上就可得到红、绿、蓝三基色光的混合比例。 第二章彩色视频信号原理及其基础理论 a 观察者 图2 1 配色试验原理图 r 基 g 色 b 光 源 为了使等量的三个基色光能混配出标准白光，规定了红、绿、蓝三个基色单 位，分别用 r 、 g 】、 b 表示。用f 代表某一具有特定高度和色度的彩色光，符 号i ，i 表示光通量，那么标准白光磊的配色关系可用式( 2 1 ) 表示 墨= 1 r 】+ 1 g + 1 b ( 2 - 1 ) 上式中的等号含义是“可由混合配出 。若三种基色光同时增强到k ( 大 于零的常数) 倍，则k 尺 + k g 】+ k b 配出的仍为标准白光龟。当k = i 1 时， 表示三基色单位总量为1 时配出的白光。 在选定三种基色光并规定了它们的单位之后，对于任意给定的彩色光f ，其 配色方程可写成 ，毛= r r 卜g 【g 】+ b b 】 ( 2 - 2 ) + 式中r 、g 、b 的比例关系决定了所配彩色光的色度；而它们的数值决定了 所配彩色光的光通量。 9 第二章彩色视频信号原理及其基础理论 t 4 。v 6 。 7 。 图2 - 2r g b 制混色曲线 入( n m ) 1 9 3 1 年c i e 作出规定，在明视觉与视场观察条件下，确定出混配等能光谱色 所需要的三基色单位量数值称为分布色系数，也就是说，为配出单位辐射功率、 波长为九的单色光所需要的三个基色光的单位数，称为分布色系数【9 1 ，分别用 r ( 五) 、g ( i ) 、b ( t ) 表示。于是，单位辐射功率的单色光的配色方程可写成 f ( 力) = ；( 五) 吲+ ；( 五) g + 石( 兄) 吲 ( 2 3 ) 按“标准观察者”测定的分布色系数的标准数据可以绘制一组曲线，称为混 色曲线( 也称光谱系数曲线) ，如图2 2 所示。 2 2 亮度信号、色差信号及其组成 2 2 1 恒定亮度原理与高频混合原理 由于彩色光需用三个参量即亮度、色调和饱和度来表示，因此传送彩色图 像必须选用三个独立的信号。 从广播电视发展的过程来看，先有黑白电视和大量黑白电视接收机。因此， 希望新开办的彩色电视广播也能用原来的黑白电视机收看到黑白图像；反过来， 1 0 第二章彩色视频信号原理及其基础理论 还要求彩色接收机也能收看到黑自电视广播的图像【l0 1 。从这点出发，就要求彩色 电视系统也传送一个只反映图像亮度的亮度信号，而且它的特性( 扫描标准、带 宽等) 应与黑白电视的相同。另外，再选用两个信号来表示色度信息，并在传送 亮度信号的同一频带内传送。 在设计彩色电视系统时，为了提高观看效果和技术上的合理性，还应充分 利用人眼的视觉特性。人眼具有对亮度分辨率高、对色度细节分辨率低的特点， 在观察图像噪波时，反映为对亮度噪波敏感而色度噪波不敏感。因此，当用一个 亮度信号传送亮度信息时，希望它不受传送色度信息的其它信号的影响，即后者 的变化或混进的噪波将不影响亮度信号，也不反映到图像的亮度上，这样，重现 图像的亮度就只能由传送亮度信号决定。这一原理称为恒定亮度原理。实现这一 原理，可使传送的彩色图像具有最佳视觉信噪比。 另外，从人眼对亮度细节和色度细节的分辨力不同出发，彩色电视系统在 传送彩色景物时。可以只传送一个粗线条( 大面积) 的彩色图像，并配以亮度细 节。这一原理称为大面积着色原理。从信号频带来看，为传送代表亮度信息的信 号应占有全部视频带宽，而传送代表色度信息的信号可用较窄的频带。这样，在 接收端所恢复的三个基色信号也就只包含较低的频率分量，它们的高频部分都用 同一亮度信号的高频部分来补充。这就是混合高频原理。利用这一原理既可以节 省频带，又可以减少传送亮度和色度信息的两种信号因共用频带而产生的相互干 扰。 2 2 2 亮度信号与色差信号 如前所述，在彩色广播电视系统中所选用的传输信号并非三个基色信号， 而是经过转换并代表彩色三个基本参量的新的传输信号。它们应满足以下几方面 的要求j 。 ( 1 ) 为获得兼容性，必须传送一个与黑白电视相同的亮度信号。彩色全电视 信号应保持与黑白电视信号相同的频带宽度。 ( 2 ) 需要传送两个代表色度的信号，根据恒定亮度原理，它们不应含有亮度 信息；同时根据高频混合原理，色度信号可以采用窄带传输。 ( 3 ) 在传输黑白图像时，三个基色信号相等，即：r = g = b ，根据上一条件， 这时两个代表色度的信号应当等于零。 ( 4 ) 代表色度的两个信号是互相独立的。 ( 5 ) - - 个基色信号与三个传输信号之间的转换关系要简单。 根据上述条件，现行彩色电视系统选用的一组传输信号是：一个亮度信号 第二章彩色视频信号原理及其基础理论 和两个色差信号。所谓色差信号是指由基色信号和亮度信号之差组成的信号。它 们与三个基色信号之间的关系为 y = 0 3 0 r + o 5 9 g + 0 1 l b ( 2 4 ) f ( r 一】，) = r 一( o 3 0 r + 0 5 9 g + o 1 1 b ) = 0 7 0 r 一0 5 9 g 一0 1 l b ( b y ) = b 一( o 3 0 r + 0 5 9 g + 0 1 1 占) = - 0 3 0 r - 0 5 9 g + 0 8 9 b ( 2 - 5 ) 【( g y ) = g 一( o 3 0 r + o 5 9 g + 0 1 1 b ) = - 0 3 0 r + 0 4 1 g - 0 1 l 占 在三个信号中只有两个是独立的，它们之间的关系为 ( r - r ) 一罴 ( s - r ) 一等 ( g y ) = 一等 g 一】，、一业 0 3 0 r 一】，1 一塑 o 1l r 一】，1 一业 b y g 一】， b y ( 2 - 6 ) 由于( g 一】，) 信号数值较小，作为传输信号对改善信噪比不利。若传输另外 两个色度信号，则在终端只要用简单的电阻矩阵就能恢复( g y ) 。所以，通常 需选用y 、( r y ) 、( b - y ) 作为传输信号。 在接收端，为了恢复重现图像所需的三基色信号；可先按式( 2 - 6 ) 由( r y ) 和 ( b - y ) 信号组成( g 一】，) 信号，然后再将三个色度信号分别与亮度信号相加，就 得到三个基色信号。即 通常，由式( 2 5 ) 至式( 2 7 ) 表示的信号变换是通过矩阵电路来实现的。 2 2 3 转换特性的非线性对实现恒定亮度原理的影响 前面证明恒定亮度原理能够实现时，曾假定显像管具有线性的电一光转换 特性( 即y = 1 ) ，而且传输系统也是线性的，因而在摄像端无需进行y 校正。但是 7 - 2，l r 曰g = i l = y y y + + + y y y 一 一 一r 曰g 第二章彩色视频信号原理及其基础理论 实际显像管显示的亮度与所加电压的7 ( 1 ) 次方成正比。因此在彩色电视系统 中，在摄像端对每一基色信号均需进行厂校正( 开y 次方) ，即 f r = 砖7 ， g = g o 扫( 2 8 ) i b = 磷竹 由此组成的亮度信号 y = 0 3 0 p 7 7 + o 5 9 g o 7 7 + o 1 1 磁7 7( 2 - 9 ) 然而，根据色度学原理，传送景物所需的正确亮度信号为 k = o 3 0 & + o 5 9 g 0 + 0 1 1 鼠( 2 - 1 0 ) 显然】，( k ) “7 。 因此，对黑白电视机来说，由y 信号显示的亮度将不能正确反映原景物的亮 度，产生了亮度误差。只有在传送黑白图像时，由于r = g 0 = 岛= k ，此时 r - - ( r o ) “7 ，亮度误差才为零。 对于彩色电视机，+ 收到的亮度信号和色差信号先按式( 2 7 ) 恢复成三个基色 信号，而显示的三基色亮度分别与相应信号的y 次方成正比，因此彩色图像的亮 度和色度能够正确重现【1 2 】。但下面我们将证明，此时图像的亮度不仅与亮度信号 有关，还与色差信号有关。也就是说，恒定亮度的要求已经不能满足。 设显示的亮度与相应信号的y 次方之间的比例常数为1 ，于是按式( 2 - 7 ) 对于 大面积彩色部分，显示的亮度为 匕= o 3 0 ( r 一】，) + y 卜o 5 9 e ( g 一】，) + y 7 + o 1 1 ( b 一】，) + 吖( 2 - 1 1 ) 显然，将式( 2 8 ) 代入，得到 匕= 0 3 0 r o + o 5 9 g o + 0 11 s o = k 即显示的亮度是正确的。但是这个亮度是否与亮度信号】，有关呢? 取y = 2 ，将 式( 2 1 1 ) 展开，经整理后得到 第二章彩色视频信号原理及其基础理论 + 2 y d 】，= y 。2 3 + 。0 ( r 3 0 一( y r ) _ + y 。) 2 5 9 + ( o g 5 9 ( y g ) + _ 。y ) 1 2 1 + ( 召o 一1 】，1 ( ) b 一y ) 2 ( 2 - 1 2 ) + 2 】，lo 3 0 ( r y ) + o 5 9 ( g y ) + o 11 ( 召一】，) i 。 由于上式方括号内三项之和为零，故 艺= y 2 + o 3 0 ( r 一】，) 2 + o 5 9 ( g y ) 2 + o 1l ( b y ) 2 = y 2 + r 2 ( 2 1 3 ) 式中】：2 = o 3 0 ( r 一】，) 2 + o 5 9 ( g - y ) 2 + o 1 l ( b 一】，) 2 。 可见，显示的亮度既与亮度信号有关，又与色差信号有关( z 2 就表示与色差信号 有关的那一部分) ，这就违反了恒定亮度原理。造成这一结果的基本原因在于按 式( 2 _ 4 ) 组成的亮度信号不等于正确反映景物亮度的亮度信号的1 y 次方。正如前 面已经指出的，唯有在传送黑白图像时才有y = ( t o ) 7 ，恒定亮度才得以实现。 当传送彩色图像时，随着色调和饱和度的不同，偏离恒定亮度的程度也不同。恒 定亮度误差可用与r o 的比值来表示，即 玎：一y r ：( 竺：! 竺堡：竺：! 竺垡二：竺：! ! 堡，二 ( 2 1 4 ) ，7 = ：一= 二- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 二一 iz l l 。 ko 3 0 r 十0 5 9 g o + o 1 1 鼠 、7 比值7 7 称为恒定亮度指数。对于黑白图像r = 1 ，表示没有恒定亮度误差。7 7 值越 小，表示恒定亮度误差越大。 2 3r g b 与y c r c b 之间的空间转换 2 3 1 转换方程 计算机彩色显示器显示色彩的原理与彩色电视机一样，都是采用r ( r e d ) 、 g ( g r e e n ) 、b ( b l u e ) 相加混色的原理：通过发射出三种不同强度的电子束， 使屏幕内侧覆盖的红、绿、蓝磷光材料发光而产生色彩。这种色彩的表示方法称 为r g b 色彩空间表示( 它也是多媒体计算机技术中用得最多的一种色彩空间表 示方法) 。 y c r c b 色彩空间是国际电信联 a o t u ) 铝f j 定一种数字视频分量标准。y c r c b 色彩空间是由y u v 色彩空间派生出来的，其中亮度信号y 的取值范围为1 6 2 3 5 ， 而色度信号c r 和c b 取值范围1 6 - 2 4 0 。常用的几个y c r c b 采样格式有4 ：4 ：4 、4 ：2 ：2 、 1 4 第二章彩色视频信号原理及其基础理论 4 ：2 ：0 等。如图2 3 为r g b 与y c r c b 的色彩空间图。 y b w h f 1 。1 。o ) ( 1 1 。1 图2 3r g b 与y c 硒色彩空间转换图 经过试验研究，发现人眼对红、绿、蓝三种颜色的视见度不同，即对每种 颜色的敏感性不同。人眼对黄色和绿色感觉最亮，对红色和蓝色感觉最暗【1 3 】。因 此，在合成亮度信号时，就不能将三种颜色按一比一的比例进行混合，而应当按 照适合于人眼的视觉特点进行合成。研究说明，通过在r g b 前面加适当的系数， y = c a 木r + ( 1 一c a c b ) 木g + c b 奉b ( 2 1 5 ) 其中c a 和c b 在不同的标准中略有不同。 这样从r g b 到y c r c b 色彩空间转换可以用如下的方程来描述： 吲b - y = 。曼翥弱 系数c a ，c b 和1 - c a c b 的取值在0 到l 之间，这样使得亮度信号y 约束 在区间 rg j 。，r a 乙 内。这样的话，b - y 的最大值和最小值如下两个方程。 m i n 口一y = r g 留二。一( c a 木r 吼。+ ( 1 一c a c b ) 木r g 圆衄。十c b 木r 吨) = 一( 1 一c b ) 木( r 一r g b , 1 l i 。) m a x 占一y = r 吨一( c 爿木尺毗+ ( 1 一c a c b ) 木r 吒+ c b 木r 6 留二麟) = ( 1 一c b ) 木( 尺吨一r g 。) 因此，b y 的取值区间为 - ( 1 一c b ) 半( r g 氇i 肭。一r g b , 面。) ，( 1 一c b ) 木( r g b m 。一r 6 留叠。) 。 同样地， m i n 月一y = r g b m i 。一( c a 牛r 吨；+ ( 1 一c a c b ) 宰r g b m 。+ c b 牛r g b , 面。) = 一( 1 一c a ) 宰( r 吒一r 吨) 1 5 第二章彩色视频信号原理及其基础理论 m a x r y = r g e 。一( c a 木r 吨+ ( 1 一c a c b ) r g 8 曲+ c b 木r 吒) = ( 1 一c a ) 堆( 尺g 一尺哦i n ) 因此，r y 的取值区间为 卜( 1 一c a ) 奉( r 吒一r g 。) ，( 1 一c a ) 木( r 吒一r g 。) 】。 在实现过程中，色度和亮度的取值范围应该是相同的。我们可以通过两种 方法来实现，一种是将色度分量( b y 和r - y ) 通过压缩和加偏移补偿进行归一 化，另一种是将超出亮度取值范围的数值剪裁掉【1 4 1 。这两种方法都会导致图像信 息的丢失，但是它们的产生效果却不同。为了平衡输入( r g b ) 范围的差异，我 们可以在不同的视频标准中采用比较折衷的方法。这样的话，我们可以通过公式 ( 2 1 6 ) 来实现r g b 到y c 圮b 的颜色空间转换，方程中的系数见附表a 。 器1 躲- c a - c b c c ( 竺1cb)料g圈陋15cd(-cb)b o c ，c r c ( c 么+ c b 一1 ) 一 | li + id ci ( 2 一) ( 倒+ 一1 )l i lli 其中， c c ：l ，c d ：l 2 ( 1 一c b )2 ( 1 一c 4 ) 相反地，通过将公式( 2 - 1 6 ) 进行矩阵逆变换，我们可以得到y c r c b 到r g b 的颜 色空间转换方程，见公式( 2 1 7 ) 。 阡 2 3 2 误差分析 吲 以r g b 向y c r c b 进行颜色空间转换为例，r g b 与y c r c b 之间是一种非整 数比例的和或差的关系，图2 - 4 为转换电路图。在数字电路设计中，对于小数的 处理有两种方法，即定点法与浮点法。 】6 d 疆 “裟 。l i i 1，j y q q。l 。高 每 第二章彩色视频信号原理及其基础理论 a l l 】p i n gc i a l 咖 图2 _ 4r g b 向y c r c b 转换电路图 y c b c r 定点计算具有计算过程简单等特点。计算过程中，通常将所有原始数据用 比例因子放大成小数或整数，计算结果再用比例因子折算出实际值。定点计算的 缺点是应用不方便。例如在计算过程中，中间结果若超过最大绝对，机器将产生 上溢：中间结果若小于最小绝对值，机器将产生下溢。无论是上溢，还是下溢， 计算过程中都需要重新调整比例因子。对于多次相乘的情况，定点计算的计算精 度可能会严重下降，甚至会造成错误。 表征颜色空间转换算法误差的是整数乘法计算结果与小数乘法计算结果的 绝对误差。由于r g b 输出结果是整数，且取值区间为 o ，2 5 5 ，因此定义误差 域值为0 5 0 0 。当计算结果的绝对误差小于该误差域值时，标识近似算法的误差 在允许范围之内；否则将引起r g b 颜色计算结果的差异。 由颜色空间转换算法可见，采用整数乘法近似的计算误差与两个因素相关： 一是放大比例因子m ；二是输出截取因子n 。 放大比例因子m 的选取与近似计算结果的准确度密切相关。m 过小，近似结 果的准确度得不到保障，甚至会出现颜色失真，m 过大，又会出现超出人眼区分 范围，同时降低频率等性能指标【l 引。表