FPGA ISP Bayer与常见颜色空间转换

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1年前更新

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前言
FPGA实现ISP（Image Signal Processor）过程中，在图像接收、处理、传输过程中往往会接触到各种各样的图像格式，比如接收图像可能是原始RAW数据，驱动LCD显示器需要RGB格式，HDMI/SDI显示需要YUV格式等。各种图像格式之间可能涉及到相互转换，本文简单介绍几种常见的图像格式以及Xilinx FPGA实现方式。
Bayer图像

ISP通常是从接收到CMOS/CCD的图像信号开始，对于彩色图像传感器，输出图像格式可能是RGB、YUV或Bayer。为了降低成本，绝大部分的彩色图像传感器采用彩色滤镜阵列(color filter array，CFA)的方式捕获彩色图像，因此输出Bayer格式的Sensor最为常见。

典型Bayer图像的成像过程如下图所示。

图2-1 CFA示意图（图片来自wikipedia）

随着技术的发展，也有一些其他滤镜的Sensor出现，如RGBW、EXR、X-Trans等，如下图所示。

图2-2 RGBW、Fujifilm “EXR”、“X-Trans”示意图（图片来自wikipedia）

通过上图可以发现，这些滤镜中，绿色的分量最多。这是因为人眼对绿色最为敏感，所以保留最多的绿色分量。
Demosaic

Bayer图像采集到FPGA以后，每个像素只有一种颜色分量。以Sony IMX290为例，输出图像的bayer格式如下图所示：

图3-1 Sony IMX290 Pixel Arrangement

此时，如果将采集到的1920×1080图像以灰度展示，由于CFA的原因，图像会呈现一种马赛克现象，如下图所示：

图3-2 Bayer image

所以将Bayer转成RGB的过程又称为Demosaic（去马赛克）。

每一个像素仅包含光谱的一部分，需要通过插值来填充每个像素的RGB分值。为了从Bayer格式得到每个像素的RGB格式，需要通过插值对每个像素填补缺失的两个颜色分量。插值的方法有很多（包括近邻、双线性等）。

插值后可以得到RGB图像：

图3-3 Bayer to RGB

需要注意的是，Bayer图像根据第一个像素的颜色分量有4种排列方式，分别为GRBG、RGGB、BGGR、GBRG：

图2-4 Bayer 4种排列方式

如果输入Bayer的排列与IP core配置中插值的排列方式不同，则图像颜色会错乱。

图3-5 Bayer排列方式与Demosaic配置不一致
RGB/YUV颜色空间转换

YUV是一种颜色模型。它对彩色图像或视频进行编码时考虑到了人类的感知，与 “直接 “的RGB表示相比，允许减少色度成分的带宽。YUV模型定义了一个亮度分量（Y），代表物理线性空间的亮度，以及两个色度分量，分别称为U和V。它可以用来与RGB或其他色域空间进行相互转换。

同样常见的还有YCbCr，但是在实际中，往往是把YUV和YCbCr认为是同一种色域，只有模拟和数字的区别。我们一般也统称为YUV。

由于YUV色域相比于RGB带宽更低，所以经常见于图像接口，如BT656、BT1120、HDMI等。也由于YUV亮度与色度分开的特性，许多图像增强算法也基于YUV来设计，如3D降噪、边沿增强等。

YUV于RGB颜色空间的转换可由公式表现，不同的标准如ITU601.SDTV、ITU709.PAL/NTSC参数略有不同。

图4-1 BT.601标准

图4-2 BT.709标准

根据以上公式，可以由RGB图像得到YUV，此时YUV有三个通道，图像大小相比于RGB没有变化，我们通常称之为YUV444。

图4-3 RGB to YUV444

由于人眼对亮度敏感而对色度不敏感的特点，因此在YUV格式中减少了UV的数据量，在不影响用户观看的情况下有效的压缩了总体的数据量。所以YUV与RGB格式相比，占用更少的存储空间，相对应的在传输过程中也会减少带宽的消耗量。常见的YUV格式有YUV444、YUV422、YUV420等。

图4-4 Chroma subsampling示意图（图片来自wikipedia）
延伸

在RGB转YUV的过程中，我们通常可以加一个系数，作为比例因子放大和缩小UV的分量，达到调节图像饱和度的目的。以8bit图像深度为例，比例因子为r，公式如下：

Cb=U*r+128；

Cr= V*r+128；

调整比例因子r，能得到不同色彩饱和度的图像。

图5-1 饱和度设置效果

RGB/YUV的颜色空间转换并非完全无损。FPGA运算精度有限，多次转换可能导致颜色失真，尤其是当转入转出标准不同时，会引入累积误差。

比如网络上流传的有趣的表情包、梗图，在传来传去的过程中，网络平台可能会反复压缩、解压，而显示基于RGB，压缩基于YUV，所以对图片不断地进行RGB/YUV转换。虽然每次转换损失轻微，但久而久之，在不断取整的过程中，Y、U、V三个值就会不断减小，Y让图像越来越暗，UV让图像越来越向绿偏移。

图5-2 模拟“电子包浆”
AMD-Xilinx FPGA实现

对于Demosaic，Xilinx提供IP core供用户调用，用户可根据应用场景以及资源开销选择对应的插值方式，Fringe Tolerant Interpolation或者High Resolution Interpolation，支持RGB bayer和CMY bayer两种格式。详细说明参考Xilinx官网PG286。

IP接口如下图所示：

图6-1 Xilinx Demosaic IP core

对于RGB与YUV的颜色空间转换或YUV444/YUV422/YUV420之间的转换，Xilinx也提供了IP core供用户调用。详细说明参考Xilinx官网PG231。

IP接口以及配置方式如下图所示：

图6-2 Xilinx VPSS IP core

Xilinx提供的VPSS（Video Processing Subsystem），可以很方便地对RGB、YUV444、YUV422、YUV420进行互转。RGB与YUV的互转公式如下：

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 (这里C_MAX_DATA_WIDTH可以由用户通过GUI设置。)

综上，使用这两个IP即可基于Xilinx FPGA快速实现Bayer与常见颜色空间转换。

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