数字图像处理（11）：RGB转YUV

（1）RGB颜色空间

RGB颜色空间，是一种基于红色、绿色、蓝色三种基本颜色进行混合的颜色空间，通过这三种颜色的叠加，可以产生丰富而广泛的颜色。RGB颜色空间在计算机图像处理、显示器显示、摄影和影视制作等领域具有广泛应用。R、G、B取值通常8bit表示，因此代表三基色的红、绿、蓝通道分别用0~255的整数表示强度，0亮度最低；255亮度最高。（0，0，0）表示黑色，（255，255，255）表示白色。

（2）YUV颜色空间

YUV颜色空间，又常称为YCbCr颜色空间，是用于数字电视的颜色空间，Y表示亮度、U表示蓝色色差（蓝色与绿色的差异），V表示红色色差（红色与蓝白色的差异）。

（3）RGB与YUV的转换公式

（4）matlab实现

% 1. 读取图像
rgb_image = imread('3_1280x720.bmp');  % 或其他图像名称% 获取屏幕分辨率
screen_size = get(0, 'ScreenSize');
screen_width = screen_size(3);
screen_height = screen_size(4);% 计算合适的显示尺寸
max_single_width = (screen_width - 200) / 3;
scale = max_single_width / size(rgb_image, 2);
display_width = round(size(rgb_image, 2) * scale);
display_height = round(size(rgb_image, 1) * scale);% 2. 将RGB图像转换为YUV图像
yuv_image = zeros(size(rgb_image));
R = double(rgb_image(:,:,1));
G = double(rgb_image(:,:,2));
B = double(rgb_image(:,:,3));% RGB to YUV转换
Y = 0.299*R + 0.587*G + 0.114*B;
U = 0.5*B - 0.169*R - 0.331*G + 128;  
V = 0.5*R - 0.419*G - 0.081*B + 128; yuv_image(:,:,1) = Y;
yuv_image(:,:,2) = U;
yuv_image(:,:,3) = V;% 3. 将YUV图像转换回RGB图像
Y = double(yuv_image(:,:,1));
U = double(yuv_image(:,:,2));
V = double(yuv_image(:,:,3));% YUV to RGB转换
R2 = Y + 1.402*(V-128);
G2 = Y - 0.344*(U-128) - 0.714*(V-128);
B2 = Y + 1.772*(U-128);% 确保RGB值在正确范围内
rgb_image_again = zeros(size(rgb_image), 'uint8');
rgb_image_again(:,:,1) = uint8(min(max(R2, 0), 255));
rgb_image_again(:,:,2) = uint8(min(max(G2, 0), 255));
rgb_image_again(:,:,3) = uint8(min(max(B2, 0), 255));% 4. 显示图像
% 计算窗口位置
window_spacing = 50;
x_pos1 = round((screen_width - 3*display_width - 2*window_spacing)/2);
x_pos2 = x_pos1 + display_width + window_spacing;
x_pos3 = x_pos2 + display_width + window_spacing;
y_pos = round((screen_height - display_height)/2);% 显示原始RGB图像
figure('Name', 'RGB Image', 'NumberTitle', 'off');
imshow(imresize(rgb_image, [display_height display_width]));
set(gcf, 'Position', [x_pos1 y_pos display_width display_height]);% 显示YUV图像
figure('Name', 'YUV Image', 'NumberTitle', 'off');
imshow(uint8(imresize(yuv_image, [display_height display_width])));
set(gcf, 'Position', [x_pos2 y_pos display_width display_height]);% 显示转换回的RGB图像
figure('Name', 'Converted RGB Image', 'NumberTitle', 'off');
imshow(imresize(rgb_image_again, [display_height display_width]));
set(gcf, 'Position', [x_pos3 y_pos display_width display_height]);

(5)FPGA RGB转YUV代码：

module RGB_YUV
(input   wire    [7:0]   red     ,input   wire    [7:0]   green   ,input   wire    [7:0]   blue    ,output  wire    [7:0]   Y       ,output  wire    [7:0]   U       ,output  wire    [7:0]   V       );wire    [17:0] Y_w,U_w,V_w;parameter Y_1 = 18'd306;            //0.299*1024
parameter Y_2 = 18'd601;            //0.587*1024
parameter Y_3 = 18'd117;            //0.114*1024parameter U_1 = 18'd512;            //0.5*1024
parameter U_2 = 18'd173;            //0.169*1024
parameter U_3 = 18'd339;            //0.331*1024
parameter U_4 = 18'd131072;         //128*1024parameter V_1 = 18'd512;            //0.5*1024
parameter V_2 = 18'd429;            //0.419*1024
parameter V_3 = 18'd83;             //0.081*1024
parameter V_4 = 18'd131072;         //128*1024assign Y_w = Y_1 * red + Y_2 * green + Y_3 * blue;
assign U_w = U_1 * blue  - U_2 * red - U_3 * green + U_4;
assign V_w = V_1 * red  - U_2 * green - U_3 * blue + U_4;assign Y = Y_w[17:10];
assign U = U_w[17:10];
assign V = V_w[17:10];endmodule

（6）仿真及实验现象

使用先前的读写BMP图片的仿真测试工程，添加RGB_YUV模块，观察仿真出来的波形。

module img_process
(input   wire            clk         ,input   wire            reset_n     ,input   wire    [10:0]  img_width   ,input   wire    [10:0]  img_height  ,input   wire            valid_i     ,input   wire    [23:0]  img_data_i  ,output  reg             valid_o     ,output  reg     [23:0]  img_data_o  );wire    [7:0]   Y_data              ;
wire    [7:0]   U_data              ;
wire    [7:0]   V_data              ;
wire    [23:0]  yuv_data            ;RGB_YUV     rgb_yuv_inst
(.red        (img_data_i[23:16]),.green      (img_data_i[15:8]),.blue       (img_data_i[7:0]),.Y          (Y_data),.U          (U_data),.V          (V_data)
); assign yuv_data = {Y_data,U_data,V_data}; always@(posedge clk or negedge reset_n)if(!reset_n)beginvalid_o <= 1'd0;img_data_o <= 24'd0;endelse beginvalid_o <= valid_i;img_data_o <= yuv_data;endendmodule