Verilog和Matlab实现RGB888互转YUV444

一、色彩空间

  色彩空间就是显示一幅图像所使用的特定颜色组合，不同的应用场景会使用不同的色彩空间。常见的色彩空间有RGB、CMYK、HSV、LAB以及YUV等等。

1.1 RGB色彩空间

  RGB色彩空间最常用的用途就是显示器领域，利用物理中光的三原色可以叠加成不同颜色的原理；因此一个像素由R、G、B三种颜色分量组成，在RGB色彩空间中，R、G、B三个分量的属性是独立的，每个分量数字越大，对应的颜色占比就越大。常见的RGB格式有RGB888、RGB565、RGB555等等，其中RGB888表示每种颜色分量都有256级，所以RGB888能表示256 * 256 * 256=1677w种颜色。RGB色彩空间应用十分广泛，但不适合做图像处理，因为人眼视网膜上存在两种视敏细胞：锥状细胞和杆状细胞这两种细胞对颜色和亮度的感知程度不一样（具体可以去了解以下人眼系统构成），总之就是人眼对亮度的感知大于对颜色的感知。而RGB三种分量都与亮度有关系，因此做图像处理时，改变任意分量对亮度都会产生影响，因此RGB色彩空间通常只是用来显示。

1.2 CMYK色彩空间

  CMYK色彩空间的使用场景是印刷、打印等领域，当光线照射到一个物体上时，物体将吸收一部分光，并将剩下的光进行反射，反射的光线就是我们所看见的物体颜色，这也是与RGB色彩空间的根本不同之处。CMYK颜色模型使用青、品红、黄、黑四个通道来表示颜色，青、品红、黄三个通道分别对应RGB的补色，K通道表示黑色墨水的量

  因此RGB色域更广，CMYK相较于RGB色域有限，所以存在一些RGB里的颜色在印刷时无法显示的情况，这些CMYK色域不包含的颜色在印刷时会丢失。

1.3 YUV色彩空间

  YUV是指亮度分量和色度分量都分开表示的像素格式，其中Y表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰度值；而U和V表示的则是色度（Chrominance或Chroma），作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。

  YCbCr其中Y是指亮度分量，Cb指蓝色色度分量，而Cr指红色色度分量。YCbCr 则是在世界数字组织视频标准研制过程中作为ITU - R BT.601 建议的一部分，其实是YUV经过缩放和偏移的翻版。其中Y与YUV 中的Y含义一致，Cb，Cr 同样都指色彩，只是在表示方法上不同而已。在YUV 家族中，YCbCr 是在计算机系统中应用最多的成员，其应用领域很广泛，JPEG、MPEG均采用此格式。

1. YUV是一种模拟信号，其色彩模型源于RGB，常用于模拟广播电视中
2. YCbCr是一种数字信号，是YUV压缩和偏移的结果，在数字视频中广泛使用。

  一般人们所讲的YUV大多是指YCbCr。YCbCr 有许多采样格式，是在获取原始图像数据时采用的策略。如YUV444，YUV422，YUV420 。

• YUV 4：4：4表示每一个 Y 分量对应一对 UV 分量，每像素占用 （Y + U + V = 8 + 8 + 8 = 24bits）

• YUV 4：2：2表示每两个 Y 分量对应一对 UV 分量，每像素占用 （Y + 0.5U + 0.5V = 8 + 4 + 4 = 16bits）

• YUV 4：2：0表示每四个 Y 分量对应一对 UV 分量，每像素占用 （Y + 0.25U + 0.25V = 8 + 2 + 2 = 12bits）

二、色彩空间转换公式

2.1 RGB转CMYK

  第一步：将RGB色彩空间中的颜色映射到CMY色彩空间中R，G，B值除以255，将范围从0…255更改为0~1

$$R^{{}^{\prime }}=R/255$$
$$G^{{}^{\prime }}=G/255$$
$$B^{{}^{\prime }}=B/255$$
  第二步：计算出黑色K的量值：
$$K=1-max(R^{{}^{\prime }},G^{{}^{\prime }},B^{{}^{\prime }})$$
  第三步：计算出C(青色)，M(品红)，Y(红色)的值：
$$C=（1-R^{{}^{\prime }}-K）/(1-K)$$
$$M=（1-G^{{}^{\prime }}-K）/(1-K)$$
$$Y=（1-B^{{}^{\prime }}-K）/(1-K)$$

  例如R、G、 B = 88、137、142转换成CMYK就等于C、M、Y、K=38、4、0、44（单位%）

2.2 CMYK转RGB

$$R=255\ast （1-C）\ast （1-K）$$
$$G=255\ast （1-M）\ast （1-K）$$
$$B=255\ast （1-Y）\ast （1-K）$$

  例如C、M、Y、K=38、4、0、44（单位%）等于R、G、 B = 89、137、143

2.3 RGB888转YUV444

$$Y=0.299\ast R+0.587\ast G+0.114\ast B$$
$$U=-0.169\ast R-0.331\ast G+0.5\ast B+128$$
$$V=0.5\ast R-0.419\ast G-0.081\ast B+128$$

2.4 YUV444转RGB888

$$R=Y+1.402\ast V-1.402\ast 128$$
$$G=Y-0.344\ast U-0.714\ast V+1.058\ast 128$$
$$B=Y+1.772\ast U-1.772\ast 128$$

三、MATLAB实现RGB888转YUV444

3.1 matlab代码

clear all; close all; clc;

% -------------------------------------------------------------------------
% 读图像到matlab
IMG1 = imread('..................../.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图像');

% -------------------------------------------------------------------------
% 计算YUV
% Y=0.299  *R  + 0.587*G + 0.114 * B
% U=-0.169 *R  - 0.331*G + 0.5   * B + 128
% V=0.5    *R  - 0.419*G - 0.081 * B + 128
IMG1 = double(IMG1);    %转为双精度浮点数   
IMG_YUV = zeros(h,w,3); %先将变量清零 
for i = 1 : h
    for j = 1 : w
        IMG_YUV(i,j, 1) = ( IMG1(i,j,1)*0.299 + IMG1(i,j,2)*0.587 + IMG1(i,j,3)*0.114);
        IMG_YUV(i,j,2)  = (-IMG1(i,j,1)*0.169 - IMG1(i,j,2)*0.331 + IMG1(i,j,3)*0.5 + 128);
        IMG_YUV(i,j,3)  = ( IMG1(i,j,1)*0.5   - IMG1(i,j,2)*0.419 - IMG1(i,j,3)*0.081 + 128);
    end
end

% -------------------------------------------------------------------------
% Display Y Cb Cr Channel
IMG_YUV = uint8(IMG_YUV); 
subplot(222); imshow(IMG_YUV(:,:,1));  title('Y  通道');
subplot(223); imshow(IMG_YUV(:,:,2));  title('Cb 通道');
subplot(224); imshow(IMG_YUV(:,:,3));  title('Cr 通道');

3.2 matlab结果

四、Verilog实现RGB888转YUV444