FPGA ISP Bayer與常見顏色空間轉換介紹

前言

FPGA實現ISP（Image Signal Processor）過程中，在圖像接收、處理、傳輸過程中往往會接觸到各種各樣的圖像格式，比如接收圖像可能是原始RAW數據，驅動LCD顯示器需要RGB格式，HDMI/SDI顯示需要YUV格式等。各種圖像格式之間可能涉及到相互轉換，本文簡單介紹幾種常見的圖像格式以及Xilinx FPGA實現方式。

Bayer圖像

ISP通常是從接收到CMOS/CCD的圖像信號開始，對于彩色圖像傳感器，輸出圖像格式可能是RGB、YUV或Bayer。為了降低成本，絕大部分的彩色圖像傳感器采用彩色濾鏡陣列(color filter array，CFA)的方式捕獲彩色圖像，因此輸出Bayer格式的Sensor最為常見。 典型Bayer圖像的成像過程如下圖所示。

圖2-1CFA示意圖（圖片來自wikipedia）

隨著技術的發展，也有一些其他濾鏡的Sensor出現，如RGBW、EXR、X-Trans等，如下圖所示。

圖2-2RGBW、Fujifilm “EXR”、“X-Trans”示意圖（圖片來自wikipedia）

通過上圖可以發現，這些濾鏡中，綠色的分量最多。這是因為人眼對綠色最為敏感，所以保留最多的綠色分量。

Demosaic

Bayer圖像采集到FPGA以后，每個像素只有一種顏色分量。以Sony IMX290為例，輸出圖像的bayer格式如下圖所示：

圖3-1SonyIMX290 Pixel Arrangement

此時，如果將采集到的1920x1080圖像以灰度展示，由于CFA的原因，圖像會呈現一種馬賽克現象，如下圖所示：

圖3-2Bayerimage

所以將Bayer轉成RGB的過程又稱為Demosaic（去馬賽克）。 每一個像素僅包含光譜的一部分，需要通過插值來填充每個像素的RGB分值。為了從Bayer格式得到每個像素的RGB格式，需要通過插值對每個像素填補缺失的兩個顏色分量。插值的方法有很多（包括近鄰、雙線性等）。 插值后可以得到RGB圖像：

圖3-3Bayerto RGB

需要注意的是，Bayer圖像根據第一個像素的顏色分量有4種排列方式，分別為GRBG、RGGB、BGGR、GBRG：

圖2-4Bayer4種排列方式

如果輸入Bayer的排列與IP core配置中插值的排列方式不同，則圖像顏色會錯亂。

圖3-5Bayer排列方式與Demosaic配置不一致

RGB/YUV顏色空間轉換

YUV是一種顏色模型。它對彩色圖像或視頻進行編碼時考慮到了人類的感知，與 "直接 "的RGB表示相比，允許減少色度成分的帶寬。YUV模型定義了一個亮度分量（Y），代表物理線性空間的亮度，以及兩個色度分量，分別稱為U和V。它可以用來與RGB或其他色域空間進行相互轉換。 同樣常見的還有YCbCr，但是在實際中，往往是把YUV和YCbCr認為是同一種色域，只有模擬和數字的區別。我們一般也統稱為YUV。

由于YUV色域相比于RGB帶寬更低，所以經常見于圖像接口，如BT656、BT1120、HDMI等。也由于YUV亮度與色度分開的特性，許多圖像增強算法也基于YUV來設計，如3D降噪、邊沿增強等。 YUV于RGB顏色空間的轉換可由公式表現，不同的標準如ITU601.SDTV、ITU709.PAL/NTSC參數略有不同。

圖4-1BT.601標準

圖4-2BT.709標準

根據以上公式，可以由RGB圖像得到YUV，此時YUV有三個通道，圖像大小相比于RGB沒有變化，我們通常稱之為YUV444。

圖4-3RGBto YUV444

由于人眼對亮度敏感而對色度不敏感的特點，因此在YUV格式中減少了UV的數據量，在不影響用戶觀看的情況下有效的壓縮了總體的數據量。所以YUV與RGB格式相比，占用更少的存儲空間，相對應的在傳輸過程中也會減少帶寬的消耗量。常見的YUV格式有YUV444、YUV422、YUV420等。

圖4-4Chromasubsampling示意圖（圖片來自wikipedia）

延伸

在RGB轉YUV的過程中，我們通?？梢约右粋€系數，作為比例因子放大和縮小UV的分量，達到調節圖像飽和度的目的。以8bit圖像深度為例，比例因子為r，公式如下：

Cb=U*r+128；

Cr= V*r+128；

調整比例因子r，能得到不同色彩飽和度的圖像。

圖5-1 飽和度設置效果

RGB/YUV的顏色空間轉換并非完全無損。FPGA運算精度有限，多次轉換可能導致顏色失真，尤其是當轉入轉出標準不同時，會引入累積誤差。 比如網絡上流傳的有趣的表情包、梗圖，在傳來傳去的過程中，網絡平臺可能會反復壓縮、解壓，而顯示基于RGB，壓縮基于YUV，所以對圖片不斷地進行RGB/YUV轉換。雖然每次轉換損失輕微，但久而久之，在不斷取整的過程中，Y、U、V三個值就會不斷減小，Y讓圖像越來越暗，UV讓圖像越來越向綠偏移。

圖5-2模擬“電子包漿”

AMD-Xilinx FPGA實現

對于Demosaic，Xilinx提供IPcore供用戶調用，用戶可根據應用場景以及資源開銷選擇對應的插值方式，Fringe TolerantInterpolation或者HighResolution Interpolation，支持RGB bayer和CMY bayer兩種格式。詳細說明參考Xilinx官網PG286。 IP接口如下圖所示：

圖6-1XilinxDemosaic IP core

對于RGB與YUV的顏色空間轉換或YUV444/YUV422/YUV420之間的轉換，Xilinx也提供了IP core供用戶調用。詳細說明參考Xilinx官網PG231。

IP接口以及配置方式如下圖所示：

圖6-2XilinxVPSS IP core

Xilinx提供的VPSS（Video Processing Subsystem），可以很方便地對RGB、YUV444、YUV422、YUV420進行互轉。RGB與YUV的互轉公式如下：

YUV to RGB：

B = Y + ((Cb * 2081)>> 10)

Cr = V -(1<<(HSC_BITS_PER_COMPONENT-1))

Cb = U -(1<<(HSC_BITS_PER_COMPONENT-1))

R = Y + ((Cr *1733) >> 10)

G = Y - ((Cb * 404+ Cr * 595) >> 10)

RGB to YUV:

V =(1<<(HSC_BITS_PER_COMPONENT-1)) + (((R-Y)*898)>>10)

Y = (306*R + 601*G+ 117*B)>>10

U =(1<<(HSC_BITS_PER_COMPONENT-1)) + (((B-Y)*504)>>10)

其中HSC_BITS_PER_COMPONENT = C_MAX_DATA_WIDTH (這里C_MAX_DATA_WIDTH可以由用戶通過GUI設置。)

綜上，使用這兩個IP即可基于Xilinx FPGA快速實現Bayer與常見顏色空間轉換。

審核編輯：劉清