维普资讯 http://www.cqvip.com 2007年第3期 中图分类号:TP335 文献标识码:A 文章编号:1009—2552{2007}03—0026一o3 基于分布式算法的色彩空间转换的硬件实现 张 娜,郭 炜 (上海交通大学微电子学院,上海200O3O) 摘要:用硬件实现色彩空间转换有多种方法。现比较了查表法、直接硬件运算法和分布式算 法,并对分布式算法提出改进,进而使其硬件实现的面积减小约50%,速度进一步提高。详细 介绍了改进的分布式算法及硬件实现方法,给出了相应的硬件面积、延时、画面的质量等结果。 关键词:RGB;色彩空间转换;分布式算法 Hardware implementation of the color space conversion based on distributed arithmetic ZHANG Na.GU0 Wei (seh ̄ofMicrodectronics,Shang ̄JiaotongUniversity,Shank1 200030,on) Abstract:There are many ways to implement color space conversion in hardware.In this paper,three ways ale compared:looking up table,direct computing in hardware,and distributed arithmetic(DA).An improved DA for hardware implementation is proposed in this paper.The result shows that using hte improved DA reduces about 50%of the design area and increases the spIeed of conversion.The improved DA and its implementation re iantroduced in detail and the result of hardware area,time delay and the quality of the picture is presentd.e Key words:RGB;color space conversion;distributed arithmetic 0 引言 随着电子技术的发展,生活中出现了多种多样 的视频设备,如计算机、彩色电视机、智能手机等。 由于各种原因,这些设备采用的色彩空间并不相同, 比如计算机中采用的是RGB色彩空间,彩色电视系 统中采用的是YCrCb/YIQ/YUV色彩空间。所以各 种设备都需要经过色彩空间转换才能正确感知和重 现大自然的色彩。虽然可以用软件实现色彩空间的 ・ 式中的(C。C。C ),(b。b。b )分别表示RGB或 YCrCb/YIQ/YUV色彩空间中的一个像素,口 为g- 数。例如RGB到YCrCb色彩空间的转换关系为[2-3]: f,l,1 r o.257 o.504 o.0981 I G I=I o.439—0.368一o.071 I Cb 一0.148—0.291 O.439) Q 转换,但是速度比较慢,很难满足视频的实时性要 求。因而硬件实现方法具有重要的研究价值。以 RGB到YCrCb色彩空间的转换为例,分析了基于分 布式算法的硬件实现方法,并对此作了改进。基于 改进后的算法,研究并确定了部分积的位数。最后 f,R1 r16 1 证明改进后的实现方法大大减少了硬件面积,提高 了速度。 收稿日期:2006—09—07 1 色彩空间转换的方法 RGB和YCrCb/YIQ/YUV色彩空间可以通过下 一作者简介:张娜(198t一),女,上海交通大学微电子学院硕士研究 生,主要研究方向为数字图像处理,集成电路设计。 26一 维普资讯 http://www.cqvip.com 以可以用查找表实现色彩空间的转换。这种方法的 不足之处在于需要存储器的面积很大。R,G,B的 范围均为0~255,这样(R,G,B)就有28*28*28= 个元素,所需存储器太大。 R[7:01 G[7:01 B[7:01 Y 图1直接硬件运算方法的原理图 另一种普遍采用的方法是直接进行硬件运 算【2-3],结构如图l所示。这种方法比较直观,但是 需要乘法器和加法器的数量较多,占用大量硬件资 源,速度也比较慢。 分布式算法(Distirbuted Arithmetic) 是一种以 实现乘加运算为目的的运算方法。与传统算法相 比,分布式算法可以有效地减少硬件电路的规模,提 高电路的执行速度。 由公式(1)可以得到像素的任意一个分量C。的 表达式: 三 cI 25 alm bm+口幻 式中a 是常数系数,b 是另一个色彩空间中的像 素。像素的每个分量一般用8比特二进制数表示。所 以b 可以表示成这样的无符号二进制数: 7 b =∑bm.1*2 b 是b 的第Z比特。所以 的表达式变为: 2 7 c =∑口 *(∑bm.1*21)+口 = ,n:0 f=0 7 2 ∑(∑a,f:0 m=0 tm'*b . )*2 +% (3) 2 ∑口 *b . 称为部分积。因为口 是常数系数, m:0 所以部分积的值只依赖于b .,,它可通过表1得到。 表1 部分积 由公式(3)可见,将相应的部分积移位、相加, 就得到 。 分布式算法用查表代替乘法运算,用较少的存储 器和加法运算实现色彩空间的转换,面积小,速度快。 2分布式算法的改进及其硬件实现 如前所述,分布式算法使固定系数的乘法问题 得到了很好的解决,用较少的存储器就可以完成色 彩空间转换。根据s.A.White提出的DA算法 J, 用于上述分布式算法中,还可以进一步减少存储器 的个数。 将b 增加符号位,扩展至9bits,b 的展开式变为: 7 b =一bmI8*28+∑bm.1*2 将b 取补码得到一b l 7 一b =占mI8*28+∑占m1:0 .1*2 +1 占 是将b 取反。现在b 可以这样表示: 6 = 1[6m一(一6 )]= 1[(一6m.8* 7 7 28+∑bf=0 *21)一(一占m.8*28+∑ f:0 占m.1*2 +1)]= [(占m.8一bm’8)*28+ 7 ∑(bmIl一占m’1)*2 一1] 在本文中b 代表色彩空间的一个分量,均为正数, 即b枷=O,上式可简化为: 6 : [ (6m.1一占m.1)*21]一 1+2_7 令b m.1=bm’l—b .f(z≠0), 则C。的表达式为: cI=∑口 *b +%=∑口 * ‘ - 1-妻61 27)1 0 1 =0 .f*2 一 ++口-幻:∑2口 (∑7 6, 2r)+(2_7一 )∑2 m u l u 一 . m:0 口 +%=∑(∑口 b .f)*2卜 + (27_一专)∑口 +口‘3 (4) 一27— 维普资讯 http://www.cqvip.com 2 新的部分积∑口m=0 b 可以通过表2得到: 表2新的部分积一具有对称性 表2具有对称性,上下只相差一个符号位。这 样就可以将部分积减少一半。 基于上述原理,色彩空间转换可以用图2所示 的硬件结构实现。 图2采用改进的分布式算法的色彩空间转换器的硬件实现 在图2中,b1.1,b:.f作为MUX的控制信号,选择一 个部分积,b。. 用来判断部分积的正负,最后加上常数 1 2 项( 一 1) 口 +口格,就得N-个色彩分量 。 ‘ m:0 为了将最终的色彩分量结果精确到个位,运算 过程中的数据需要精确到0.1,所以部分积的小数 部分至少保留4比特。由公式(4)可以看出,部分积 最多需要左移6次,要保证部分积移位后仍精确到 0.1,其小数部分就应该多取6比特,共lO比特。由 公式(2)可见,(口柚+口 +口 )的绝对值均小于4,部 分积的整数部分可以用2比特表示。另外还需要1 比特符号位,所以部分积用l3比特二 进制数表示。 这种方法只需4个l3比特的寄存器,大大节省了硬 件面积。 提出的硬件结构用Vefil ̄HDI 实现后,用 一28一  ̄opsys公司的Desi Compiler 行综合,选用1sMc 0.18邮帅ical工艺库,算法改进前的硬件面积为 382978.40625o*0.5J,改进后的硬件面积为 1 ̄513.7656 ̄,减少了57%。 3部分积精度的确定 以RGB到Yc 色彩空间的转换为例,选图像 处理中广泛采用的Ie衄图像,根据公式(2)把它从 RGB色彩空间转换到YCrI=b色彩空间。主要步骤 如下: ①在MaⅡab中,用imread函数得到这幅图像各 个像素的RGB值; ②用硬件完成RGB到YC b色彩空间的转换, 将YQCb的值保存下来; ③将结果(YC 色彩空间)做成一帧视频,用 Y1ⅣPl ̄er播放,检查图像质量。 做色彩空间的转换时,部分积的位数取的少一 些,可以节省硬件资源,但是结果的正确率会下降, 造成画面失真,这就需要选一个折中的方案。部分 积分别取13bit,9bit,5bit(分别精确到2~,2=0,24), 比较硬件所用的面积、最大延时和画面质量,综合考 虑后选择一个合适的数据精度。 用 ̄opsys公司的Desi Compi ̄r进行综合,选 用1sMC 0.18 £)Tpical工艺库,三种情况下得到的 面积和最大延时如表3所示。 表3面积和延时 三种情况下的转换结果如图3所示,(a),(b), (c)是部分积依次取l3比特、9比特、5比特时的 结果。 嘲嘲嘲 图3邵分积位数不同时的结果 综合考虑硬件面积、延时和画面质量几个因素, 在该项目中(用于手机显示屏),部分积取9比特比 较合适。在不影响播放效果的情况下这是最节省资 源的方案。当然,也可以根据对画面质量的要求调 整部分积的位数,得到满意的效果。 本文提出的基于改进的分布式算法的色彩空间 转换器整合了控制单元和接口单元后,(下转第l22页) 维普资讯 http://www.cqvip.com A k-k-宙 五 ̄relem, ̄+nsor nd}wofks[J]. IEEEJourna1 OI1 Selected Areas in Coin-_ I fIlImications 20O5 23(6)1159 1166 —.。 :.由于WSN的特殊性,其发展面临许多特有的问 [4] , sD,MaDcF, Rl,d a1.A c*raralizedenergy一 题,这些问题涵盖了网络组织结构、路由协议设计、 cjent rouitng protocolforwirele ̄一 networ ̄EJ].IEEE Radj。 数据传输聚合、微处理器设计、电池等方面。本文以 Cammmnicati ̄m,2005(3):508—513. 节能为主线,分析了WSN设计的相关关键技术,指 [5】Ye W,Heid ̄m J・Estrin D・An energy—elflden MAC protocol 出了其发展的方I句o h rd髑sel1s0r ne s[c]. 础“gs N舢M 2002’ : 实际上,在设计WSN时,以上所提及的问题并 [6] h 。 。nll s。Ka舡R,et a1.Di blIIed — 不是完全孤立的,他们之间可能是互相关联或耦合 i Ad—Hoe wireless netwokrs[J].Proc.0fth。IEEE Int1.Sympo- 的,设计者在满足设计性能指标的情况下,必须综合 sium Personal Indoor and Mdaile P ̄idio Conmamication。2001,2 考虑影响系统性能指标的各种参数。要将WSN变 (9):59—66. 成一个成熟的实用技术还有大量的课题有待于研 [7]AkkayaK,Youni。M・Ener ̄一 她 岫一 曲ined 船 data in wirelem sel1s0r networks[J]・Joumal 0f Ctmmaifcation Sys・ 几、肿 。tetIls,2OO4。17:663—687. 参考文献: [8]AI—Karaki J,UI—MustafaR,KamalA.Data删∞inwireless [1]-q ̄lIK。孙怡宁,梅涛.无线传感器网络综述[J].通信学报, sel1s0r netwonks—exact and approximate,ago, ̄thm.[C].Pn)ce 2OO4,25(4):115—124. 0f Hi小Performmee Switching andRouting2004:241—245. 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PerigeeLLC.Pr0dIlct Specmcatine[J].RGB2YCr( ̄Color spaceCon- 本文比较了硬件实现色彩空间转换的几种方 verter,January 10,2OOO. 法,分析了基于分布式算法的硬件实现方法,并对算 Stanley A Whil ̄.Xoplicai+, ̄0f distributed arithmetic to digital si 法进行了改进,运用提出的改进算法在硬件实现的 pnx ̄ssing:a tutorial r vi [J].IEEE ASSP M- ̄ne July,1989. 面积上比没有改进算法可减小约5o%。这个算法 Keith Jack.Video Demystiifed[JJ.1 ̄.esvierlnc.。2OO5. Bensaali F,Amil ̄A,Bouridane A.An eficinet architecturefor color 可用于任何固定系数的矩阵乘法问题,具有较高的 space conversion using Distributed Arithmetic[C].Circuits and Sys- 实现价值。 tems.2OO4.ISCAS’04.Proceedings 0fthe2OO4International Sympo- 参考文献: sium,2OO4。2:1I一265—8. 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