一种基于FPGA的视频压缩中YUV数据8x8block转换方法及装置与流程

本发明涉及视频数据处理领域，具体来说涉及一种基于fpga的视频压缩中yuv数据8x8block转换方法及装置。

背景技术：

在数字视频处理中，视频压缩技术是一项关键的技术，视频压缩在减少视频序列码率的同时保持了复原图像的质量，便于在给定的通信信道上实时传输。现场可编程门阵列fpga是利用小型查找表来实现组合逻辑功能，这种结构允许无限次的重新编程，对于视频系统的硬件实现来说fpga比传统的通用集成电路或专用集成电路更为优越。

现有技术中，参照附图1所示，利用fpga进行视频数据压缩的方法为，fpga接收显卡输出的rgb视频数据，经过视频压缩，降低原始视频的数据量，并按照以太网协议打包，通过网卡进行发送。其压缩流程是首先将显卡输出的rgb444数据转换为yuv444数据，为进一步降低视频数据量，再将yuv444数据转换为yuv420数据，按照8x8block的方式输入给视频压缩ip，完成数据压缩。其中，rgb444数据到yuv420数据的转换以及8x8block的转换是利用fpga内部的ip完成，但是fpga内部的ip需要额外购买，使用中存在很大的局限性，并且增加了项目成本，提高了系统复杂度。

为解决现有技术中rgb444到yuv4208x8block转换的局限性，本发明设计一种基于fpga的视频压缩中yuv数据8x8block转换方法及装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于fpga的视频压缩中yuv数据8x8block转换方法，将显卡输出的rgb444数据转换为yuv420数据，并按照8x8block的方式输入给视频压缩ip，提高系统的灵活性，降低系统复杂度。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种基于fpga的视频压缩中yuv数据8x8block转换方法，所述转换方法包括下述步骤：

s1、利用矩阵转换公式，通过乘法器将rgb444格式数据转换为yuv444格式数据；

s2、将yuv444格式数据转换为yuv420格式数据，并分别利用16个fifo来存储y分量、8个fifo存储u分量、8个fifo存储v分量，存储队列依次记为y_fifo、u_fifo及v_fifo；

s3、依次读取所述s2中的16个y_fifo、8个u_fifo及8个v_fifo，分别得到256个y分量、64个u分量以及64个v分量；

s4、将所述s3中读出的256个y分量、64个u分量及64个v分量依次传输到视频压缩ip，完成8x8block的转换。

基于上述方案，本发明做如下优化：

作为优化，在所述s1中，将rgb444格式转换为yuv444格式的矩阵转换公式为：

y＝0.257*r+0.504*g+0.098*b+16

u＝-0.148*r-0.291*g+0.439*b+128

v＝0.439r-0.368*g-0.071*b+128

作为优化，在所述s2中，将y分量写入y_fifo中的方法是，按照y分量所在的行号n依次写入第((n％16)+1)个y_fifo中；将u分量写入u_fifo中的方法是，对于偶数列和偶数行的u分量，根据u分量所在的行号n，依次写入第((n/2)％16)+1)个u_fifo中，奇数行或奇数列的u分量不写入u_fifo；将v分量写入v_fifo中的方法是，对于偶数列和偶数行的v分量，根据v分量所在的行号n，依次写入第((n/2)％16)+1)个v_fifo中，奇数行或奇数列的v分量不写入v_fifo。

本发明的另一目的在于提供一种基于fpga的视频压缩中yuv数据8x8block转换装置，所述转换装置包括：

rgb444至yuv444转换单元，用于利用矩阵转换公式将rgb444格式数据转换为yuv444格式数据；

yuv444至yuv420转换单元，用于将yuv444格式数据转换为yuv420格式数据，并分别利用16个fifo来存储y分量，8个fifo存储u分量，8个fifo存储v分量，存储队列依次记为y_fifo、u_fifo及v_fifo；

分量读取单元，用于依次读取所述yuv444至yuv420转换单元中的16个y_fifo、8个u_fifo及8个v_fifo，分别得到256个y分量、64个u分量及64个v分量；

分量传输单元，用于将分量读取单元中读出的256个y分量、64个u分量及64个v分量依次传输到视频压缩ip，完成8x8block的转换。

作为优化，所述rgb444至yuv444转换单元中，用于将rgb444格式转换为yuv444格式的矩阵转换公式为：

y＝0.257*r+0.504*g+0.098*b+16

u＝-0.148*r-0.291*g+0.439*b+128

v＝0.439r-0.368*g-0.071*b+128

作为优化，在所述的yuv444至yuv420转换单元中，用于将y分量写入y_fifo中的方法是，按照y分量所在的行号n依次写入第((n％16)+1)个y_fifo中；用于将u分量写入u_fifo中的方法是，对于偶数列和偶数行的u分量，根据u分量所在的行号n，依次写入第((n/2)％16)+1)个u_fifo中，奇数行或奇数列的u分量不写入u_fifo；用于将v分量写入v_fifo中的方法是，对于偶数列和偶数行的v分量，根据v分量所在的行号n，依次写入第((n/2)％16)+1)个v_fifo中，奇数行或奇数列的v分量不写入v_fifo。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

本发明实施例的一种基于fpga的视频压缩中yuv数据8x8block转换方法及装置，利用矩阵变换以及逻辑控制和fifo阵列转换，实现rgb444到yuv420数据8x8block转换，完成视频数据的压缩处理，整个处理过程只占用很少的fpga逻辑资源，节省了使用fpga内部ip进行转换的购买成本，打破了现有转换方式存在的局限性，系统设计实现更加灵活简单，且大大降低了项目成本和系统复杂度，提高了工作效率。

附图说明

图1是现有技术中基于fpga的视频压缩流程框图；

图2是本申请实施例提供的基于fpga的视频压缩中yuv数据8x8block转换方法的流程图；

图3是本申请实施例提供的8x8block转换示意图；

图4是本申请实施例提供的基于fpga的视频压缩中yuv数据8x8block转换方法的逻辑框图；

图5是本申请实施例提供的基于fpga的视频压缩中yuv数据8x8block转换装置的结构示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了方便对实施例的理解，对实施例中涉及的缩略词和关键术语予以解释和说明。

rgb444：显卡输出的像素数据，每一个像素点都由r、g、b三种数值组成，分别表示红、绿、蓝三种颜色；

yuv444：由rgb444数据经过矩阵变换得到，分量y表示亮度信号，分量u、v表示两个色差信号；

yuv420：由yuv444数据得来，保留yuv444数据中所有的y分量不变，只保留偶数行和偶数列的u、v数据；

8x8block：输入给视频压缩ip的数据块，数据块的长、宽都为8；

ip：ip核，intellectualpropertycore，全称知识产权核，是指某一方提供的，形式为逻辑单元、芯片设计的可重用模块；

y_fifo：存储y分量的fifo；

u_fifo：存储u分量的fifo；

v_fifo：存储v分量的fifo。

如图2至图4所示，本实施例提供的一种基于fpga的视频压缩中yuv数据8x8block转换方法，其步骤包括，

s1、利用矩阵转换公式，通过乘法器将rgb444格式数据转换为yuv444格式数据；

s2、将yuv444格式数据转换为yuv420格式数据，并分别利用16个fifo来存储y分量、8个fifo存储u分量、8个fifo存储v分量，存储队列依次记为y_fifo、u_fifo及v_fifo；

s3、依次读取所述s2中的16个y_fifo、8个u_fifo以及8个v_fifo，分别得到256个y分量、64个u分量及64个v分量；

s4、将所述s3中读出的256个y分量、64个u分量及64个v分量依次传输到视频压缩ip，完成8x8block的转换。

具体而言，在所述s1中，通过rgb2yuv模块进行像素数据从rgb444格式到yuv444格式的转换，具体实现方法根据下述矩阵转换公式进行转换：

y＝0.257*r+0.504*g+0.098*b+16

u＝-0.148*r-0.291*g+0.439*b+128

v＝0.439r-0.368*g-0.071*b+128

为方便使用硬件语言实现上述公式，对上述公式进行如下变换，即等式两边都扩大1024倍，得到：

y<<10＝(263*r)+(516*g)+(100*b)+16384

u<<10＝(-152*r)-(298*g)+(450*b)+131072

v<<10＝(450*r)-(377*g)-(73*b)+131072

因为负数的乘法在计算机中用补码的形式实现，因此将上述公式转换为：

y<<10＝(12'h107*r)+(12'h204*g)+(12'h064*b)+20'h04000

u<<10＝(12'hf68*r)+(12'hed6*g)+(12'h1c2*b)+20'h20000

v<<10＝(12'h1c2*r)+(12'he87*g)+(12'hfb7*b)+20'h20000

用乘法器计算完成上述公式后，公式两边同时除以1024，得到yuv444数据：

y＝((12'h107*r)+(12'h204*g)+(12'h064*b)+20'h04000)>>10

u＝((12'hf68*r)+(12'hed6*g)+(12'h1c2*b)+20'h20000)>>10

v＝((12'h1c2*r)+(12'he87*g)+(12'hfb7*b)+20'h20000)>>10

进一步的，在得到yuv444数据之后，为减少视频的数据量，且不影响压缩后的视频效果，在s2中将yuv444格式数据转换为yuv420格式数据，实现方法是利用图4逻辑框图中的fifo阵列写控制模块来实现，该模块通过计数的方式得知当前像素点所在的列号和行。其中，

对于y分量，按照y分量所在的行号n将其依次写入第((n％16)+1)个y_fifo中；

对于u分量，偶数列和偶数行的u分量，根据其所在的行号n，将其依次写入第(((n/2)％16)+1)个u_fifo中，奇数行或奇数列的u分量不写入u_fifo；

对于v分量，偶数列和偶数行的v分量，根据其所在的行号n，将其依次写入第(((n/2)％16)+1)个v_fifo中，奇数行或奇数列的v分量不写入v_fifo。

进一步的，在s3中，利用图4逻辑框图中的fifo阵列读控制模块，依次读第1-16个y_fifo，分别读16次，得到256个y分量，再依次读第1-8个u_fifo，分别读8次，得到64个u分量，再依次读第1-8个v_fifo，分别读8次，得到64个v分量。

图5所示为本申请实施例提供的基于fpga的视频压缩中yuv数据8x8block转换装置示意图，所述转换装置包括：

rgb444至yuv444转换单元，用于利用矩阵转换公式将rgb444格式数据转换为yuv444格式数据；

yuv444至yuv420转换单元，用于将yuv444格式数据转换为yuv420格式数据，并分别利用16个fifo来存储y分量，8个fifo存储u分量，8个fifo存储v分量，存储队列依次记为y_fifo、u_fifo及v_fifo；

分量读取单元，用于依次读取所述yuv444至yuv420转换单元中的16个y_fifo、8个u_fifo及8个v_fifo，分别得到256个y分量、64个u分量及64个v分量；

分量传输单元，用于将分量读取单元中读出的256个y分量、64个u分量及64个v分量依次传输到视频压缩ip，完成8x8block的转换。

具体而言，在rgb444至yuv444转换单元中，通过rgb2yuv模块进行像素数据从rgb444格式到yuv444格式的转换，具体实现方法根据下述矩阵转换公式进行转换：

y＝0.257*r+0.504*g+0.098*b+16

u＝-0.148*r-0.291*g+0.439*b+128

v＝0.439r-0.368*g-0.071*b+128

进一步的，为减少视频的数据量，且不影响压缩后的视频效果，yuv444至yuv420转换单元将yuv444格式数据转换为yuv420格式数据，具体通过fifo阵列写控制模块，采用计数的方式得到当前像素点所在的列号和行。其中，对于y分量，按照y分量所在的行号n将其依次写入第((n％16)+1)个y_fifo中；对于u分量，偶数列和偶数行的u分量，根据其所在的行号n，将其依次写入第(((n/2)％16)+1)个u_fifo中，奇数行或奇数列的u分量不写入u_fifo；对于v分量，偶数列和偶数行的v分量，根据其所在的行号n，将其依次写入第(((n/2)％16)+1)个v_fifo中，奇数行或奇数列的v分量不写入v_fifo。

进一步的，所述分量读取单元利用fifo阵列读控制模块依次读第1-16个y_fifo，分别读16次，得到256个y分量，再依次读第1-8个u_fifo，分别读8次，得到64个u分量，再依次读第1-8个v_fifo，分别读8次，得到64个v分量。

在本发明实施例中，利用矩阵变换以及逻辑控制和fifo阵列转换，实现rgb444到yuv420数据8x8block转换，完成视频数据的压缩处理，节省了使用fpga内部ip进行转换的购买成本，大大降低了项目成本和系统复杂度，提高了系统设计的灵活性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限定本发明，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下所作的任何修改、改进和等同替换等，均包含在本发明的保护范围内。