用verilog实现RGB名目图像到YCbCr或YUV名目的转换及其验证方法
现实上，数字视频编码中所说的YUV就是YCbCr。
? YCbCr与RGB名目的彼此转换
RGB to YUV Conversion
Y = （0.257 * R） + （0.504 * G） + （0.098 * B） + 16
Cr = V = （0.439 * R） - （0.368 * G） - （0.071 * B） + 128
Cb = U = -（0.148 * R） - （0.291 * G） + （0.439 * B） + 128
假如是rgb是12bit的话
Y = （0.257 * R） + （0.504 * G） + （0.098 * B） + 256
Cr = V = （0.439 * R） - （0.368 * G） - （0.071 * B） + 2048
Cb = U = -（0.148 * R） - （0.291 * G） + （0.439 * B） + 2048
YUV to RGB Conversion
B = 1.164（Y - 16） + 2.018（U - 128）
G = 1.164（Y - 16） - 0.813（V - 128） - 0.391（U - 128）
R = 1.164（Y - 16） + 1.596（V - 128）
In both these cases， you have to clamp the output values
? 系数矩阵整型化
在RGB2YCbCr的公式中摆布各乘以1024即左移10位
Y << 10 = （263 * R） + （516 * G） + （100 * B） + 262144
Cr << 10 = （450 * R） - （377 * G） - （ 73 * B） + 2097152
Cb << 10 = -（152 * R） - （298 * G） + （450 * B） + 2097152
负数取补，保守一点，系数取12位
Y << 10 = （12""h107 * R） + （12""h204 * G） + （12""h064 * B） + 24""h040000
Cr << 10 = （12""h1C2 * R） + （12""hE87 * G） + （12""hFB7 * B） + 24""h200000
Cb << 10 = （12""hF68 * R） + （12""hED6 * G） + （12""h1C2 * B） + 24""h200000
友晶的D5M中采样出来的RGB名目是各占12bit，最终YCrCb要截取成8位的，仍是在转换之前保持精度，在转换之后再截取吧。以下设计方法参考友晶DE2系列中YCbCr2RGB的参考例程。
系数12位有符号，输进的RGB数据是12位无符号，乘加之后输出数据为26位。在MegaWizard Plug-In Manager工具中设置装备摆设如下。
欠好的一点，没有找到ALTMUT_ADD核中datab为常数的设置装备摆设，该当是没有的，可以手动用其它乘法器核（设置一个相乘的系数为常数）和加法器核来搭。
? RGB2YCrCb核的设计
采用了3个乘加器，之后又各自用了3个加法器和移位器，来完成RGB到YUV的转换工作。rgb2yuv.v的代码如下
// Author（s）:
// - Huailu Ren， hlren.pub＠gmail.com， http://lunix.cnblogs.com
//
// Revision 1.0 21:58 2011-7-30 hlren
// created
//
// synopsys translate_off
`timescale 1 ps / 1 ps
// synopsys translate_on
module RGB2YCrCb （
iCLK，
iRESET，
iRed，
iGreen，
iBlue，
iDVAL，
oY，
oCb，
oCr，
oDVAL
）;
// Input
input iCLK，iRESET，iDVAL;
input [11:0] iRed，iGreen，iBlue;
// Output
output reg [11:0] oY，oCb，oCr;
output reg oDVAL;
// Internal Registers/Wires
reg [3:0] oDVAL_d;
reg [15:0] tY_r，tU_r，tV_r;
wire [25:0] tY，tU，tV;
always＠（posedge iCLK）
begin
if（iRESET）
begin
oDVAL<=0;
oDVAL_d<=0;
oY <=0;
oCr<=0;
oCb<=0;
end
else
begin
// Red
if（tY_r[15]）
oY<=0;
else if（tY_r[14:0]>4095）
oY<=4095;
else
oY<=tY_r[11:0];
// Green
if（tU_r[15]）
oCr<=0;
else if（tU_r[14:0]>4095）
oCr<=4095;
else
oCr<=tU_r[11:0];
// Blue
if（tV_r[15]）
oCb<=0;
else if（tV_r[14:0]>4095）
oCb<=4095;
else
oCb<=tV_r[11:0];
// Control
{oDVAL，oDVAL_d}<={oDVAL_d，iDVAL};
end
end
always＠（posedge iCLK）
begin
if（iRESET）
begin
tY_r <= 0;
tU_r <= 0;
tV_r <= 0;
end
else
begin
tY_r <= （ tY + 262144 ） >> 10;
tU_r <= （ tU + 2097152 ） >> 10;
tV_r <= （ tV + 2097152 ） >> 10;
end
end
// Y << 10 = （12""h107 * R） + （12""h204 * G） + （12""h064 * B） + 20""h04000
MAC_3 u0（
.aclr0 （ iRESET ），
.clock0 （ iCLK ），
.dataa_0 （ iRed ），
.dataa_1 （ iGreen ），
.dataa_2 （ iBlue ），
.datab_0 （ 12""h107 ），
.datab_1 （ 12""h204 ），
.datab_2 （ 12""h064 ），
.result （ tY ）
）;
// Cr << 10 = （12""h1C2 * R） + （12""hE87 * G） + （12""hFB7 * B） + 20""h20000
MAC_3 u1（
.aclr0 （ iRESET ），
.clock0 （ iCLK ），
.dataa_0 （ iRed ），
.dataa_1 （ iGreen ），
.dataa_2 （ iBlue ），
.datab_0 （ 12""h1C2 ），
.datab_1 （ 12""hE87 ），
.datab_2 （ 12""hFB7 ），
.result （ tU ）
）;
// Cb << 10 = （12""hF68 * R） + （12""hED6 * G） + （12""h1C2 * B） + 20""h20000
MAC_3 u2（
.aclr0 （ iRESET ），
.clock0 （ iCLK ），
.dataa_0 （ iRed ），
.dataa_1 （ iGreen ），
.dataa_2 （ iBlue ），
.datab_0 （ 12""hF68 ），
.datab_1 （ 12""hED6 ），
.datab_2 （ 12""h1C2 ），
.result （ tV ）
）;
endmodule
? RGB2YCrCb核的验证
这是最要害的一步。首先要保证所做的“YCbCr与RGB名目的彼此转换”和“系数整型化”这两节的独霸是没有短处的。先保证有浮点数独霸转化成整型数独霸时没有短处，再验证整型数运算与用ALTMULT_ADD核运算时数据没有短处。本文中，第一步用C说话来进行验证，第二步在testbench中验证。
所写的C说话的验证代码如下：
// Author（s）:
// - Huailu Ren， hlren.pub＠gmail.com， http://lunix.cnblogs.com
//
// Revision 1.0 9:56 2011-7-31 hlren
// created
//
＃include "stdio.h"
＃include "math.h"
int main（）{
FILE * f_r2b_v;//rgb2yuv_verification log file
int r， g， b;
int i;
float y_f， u_f， v_f; // floating point calculation
int y_h， u_h， v_h; // fixed point for hardware implementation
if（NULL==（f_r2b_v = fopen（"rgb2yuv.log"，"w"）））{
printf（"open file rgb2yuv.log error! "）;
};
fprintf（f_r2b_v， "rgb2yuv testcase: "）;
for（i=0;i<10;i=i+1） {
r = （i+1）*（i+2）*（i+3）*19*23*29*41％4096;
g = （i+1）*（i+2）*（i+3）*17*13*31*37％4096;
b = （i+1）*（i+2）*（i+3）*13*11*37*41％4096;
y_f = （0.257 * r） + （0.504 * g） + （0.098 * b） + 256 ;
u_f = （0.439 * r） - （0.368 * g） - （0.071 * b） + 2048;
v_f = -（0.148 * r） - （0.291 * g） + （0.439 * b） + 2048;
y_h = （ （263 * r） + （516 * g） + （100 * b） + 262144 ）>>10;
u_h = （ （450 * r） - （377 * g） - （ 73 * b） + 2097152）>>10;
v_h = （-（152 * r） - （298 * g） + （450 * b） + 2097152）>>10;
fprintf（f_r2b_v， "％2d， rgb: ％5d， ％5d， ％5d"， i， r， g， b）;
fprintf（f_r2b_v， " yuv_f: ％9.3f， ％9.3f， ％9.3f"， y_f， u_f， v_f）;
fprintf（f_r2b_v， " yuv_h: ％5d， ％5d， ％5d"， y_h， u_h， v_h）;
if（ （（（fabsf（y_f - y_h））/y_f）<0.1） &&
（（（fabsf（u_f - u_h））/u_f）<0.1） &&
（（（fabsf（v_f - v_h））/v_f）<0.1） ）{
fprintf（f_r2b_v， " pass "）;
}
else {
//for debug
fprintf（f_r2b_v， " diff: ％f， ％f， ％f"，fabsf（y_f - y_h）， fabsf（u_f - u_h）， fabsf（v_f - v_h））;
fprintf（f_r2b_v， " Ratio: ％f， ％f， ％f"，
（（fabsf（y_f - y_h））/y_f），
（（fabsf（u_f - u_h））/u_f），
（（fabsf（v_f - v_h））/v_f））;
fprintf（f_r2b_v， " not pass "）;
}
}
}
输出成效如下：
rgb2yuv testcase:
0， rgb: 502， 1306， 3154 yuv_f: 1352.330， 1563.836， 2978.264 yuv_h: 1351， 1562， 2979 pass
1， rgb: 2008， 1128， 328 yuv_f: 1372.712， 2491.120， 1566.560 yuv_h: 1372， 2491， 1565 pass
2， rgb: 924， 772， 2868 yuv_f: 1163.620， 1965.912， 2945.648 yuv_h: 1162， 1965， 2946 pass
3， rgb: 1848， 1544， 1640 yuv_f: 1669.832， 2174.640， 2045.152 yuv_h: 1668， 2174， 2045 pass
4， rgb: 1186， 654， 3894 yuv_f: 1272.030， 2051.508， 3391.624 yuv_h: 1270， 2050， 3392 pass
5， rgb: 3536， 3504， 496 yuv_f: 2979.376， 2275.616， 722.752 yuv_h: 2978， 2276， 721 pass
6， rgb: 1208， 3208， 2792 yuv_f: 2456.904， 1199.536， 2161.376 yuv_h: 2455， 1198， 2162 pass
7， rgb: 2896， 1072， 1648 yuv_f: 1702.064， 2807.840， 2030.912 yuv_h: 1700， 2808， 2030 pass
8， rgb: 910， 2498， 218 yuv_f: 1770.226， 1512.748， 1282.104 yuv_h: 1769， 1512， 1281 pass
9， rgb: 3944， 600， 1656 yuv_f: 1734.296， 3441.040， 2016.672 yuv_h: 1733， 3442， 2015 pass
成效剖明，在整型化转换过程中，是没有短处的。
下面匹面劈脸写testbench，验证采用altera的ALTMULT_ADD核后是否有短处。
Testbench的代码如下
// Author（s）:
// - Huailu Ren， hlren.pub＠gmail.com， http://lunix.cnblogs.com
//
// Revision 1.0 9:56 2011-7-31 hlren
// created
//
// synopsys translate_off
`include "timescale.v"
// synopsys translate_on
module tb_rgb2yuv;
reg clk， reset， idval;
reg [11:0] r， g， b;
wire [11:0] y， u， v;
wire odval;
RGB2YCrCb DUT_rgb2yuv（
.iCLK （clk），
.iRESET （reset），
.iRed （r），
.iGreen （g），
.iBlue （b），
.iDVAL （idval），
.oY （y），
.oCr （u），
.oCb （v），
.oDVAL （odval）
）;
initial clk = 0;
always ＃5 clk = ~clk;
initial
begin
reset = 1;
repeat （2） ＠ （posedge clk）;
reset = 0;
end
reg [11:0] veri_y[9:0];
reg [11:0] veri_u[9:0];
reg [11:0] veri_v[9:0];
integer i;
initial
begin
idval = 0;
repeat （3） ＠ （posedge clk）;
idval = 1;
for（i=0;i<10;i=i+1）
begin
r = （i+1）*（i+2）*（i+3）*19*23*29*41％4096;
g = （i+1）*（i+2）*（i+3）*17*13*31*37％4096;
b = （i+1）*（i+2）*（i+3）*13*11*37*41％4096;
veri_y[i] = （ （263 * r） + （516 * g） + （100 * b） + 262144 ）>>10;
veri_u[i] = （ （450 * r） - （377 * g） - （ 73 * b） + 2097152）>>10;
veri_v[i] = （-（152 * r） - （298 * g） + （450 * b） + 2097152）>>10;
//veri_y[i] = （0.257 * r） + （0.504 * g） + （0.098 * b） + 256 ;
//veri_u[i] = （0.439 * r） - （0.368 * g） - （0.071 * b） + 2048;
//veri_v[i] = -（0.148 * r） - （0.291 * g） + （0.439 * b） + 2048;
repeat （1） ＠ （posedge clk）;
end
idval = 0;
repeat （100） ＠ （posedge clk）;
￥finish;
end
integer j;
always ＠ （posedge clk）
if（reset）
j <= 0;
else if （odval）
j <= j + 1;
always ＠ （posedge clk）
if （odval） begin
￥display（"veri: ％d， ％d， ％d， yuv: ％d， ％d， ％d"，
veri_y[j]，
veri_u[j]，
veri_v[j]，
y， u， v）;
end
`ifdef FSDBDUMP
initial
begin
￥fsdbDumpfile（"test.fsdb"）;
￥fsdbDumpvars;
end
`endif
endmodule
验证成效如下
在modelsim中
在debussy中
其它的一些剧本文件见附件。
? 总结
谈判了YCrCb和YUV名目的分歧，YCrCb来自于YUV，在数字图像措置赏罚领域所说的YUV也就是YCrCb；对RGB到YCrCb转换的算法作了措置赏罚转换成整型数独霸；用Verilog连系Altera的ALT的库设计了RGB2YCrCb的核；用C说话和Verilog说话对所设计的核进行了验证。
源码在这里
rgb2yuv.7z
设计文件在顶层目录中，仿真所需文件在bench目录下，仿真情况也在bench目录下。
vsim –do tb_rgb2yuv.do –c
即可。Bench目录下还包含仿真剧本文件，debussy的旗帜记号文件，C说话验证的文件，altera的库文件。
To Do
- 把用到的乘加器ALTMULT_ADD用三个常熟系数的乘法器和一个并行加法器来代替。
- 把文中的两个验证措施，用Verilog Pli的方法合并成一个。
- 以此设计为根本，试着用数字IC设计的方法设计，试探和进修数字IC设计的全数流程
参考文献
（原創） 若何操作Verilog將YCbCr轉RGB？ （SOC） （Verilog） （DE2-70）别林斯基
