CN101882419A - 一种led显示屏视频信号的色域修正ip核及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED显示屏视频信号色域修正的IP核及其方法，所述的IP核包括sink模块、三阶RGB2XYZ并行处理模块、XYZ2xyz规格化模块、三阶色域修正并行处理模块、xyz2XYZ反规格化模块、三阶XYZ2RGB并行处理模块、source模块，以上模块顺序连接，三阶色域修正并行处理模块的另一输入端接三阶方阵运算模块。该IP核用较少硬件资源扩展了视频源信号的色域，且代码可重用，参数可配置，可用于多种宽色域显示设备，并可与视频处理电路、现有视频处理IP核兼容。

Description

一种LED显示屏视频信号的色域修正IP核及其方法

技术领域

本发明涉及一种LED显示屏视频处理技术，尤其涉及一种LED显示屏视频信号处理中对视频信号的色域进行修正的IP核及其方法。

背景技术

LED显示屏视频处理系统中的色域修正电路完成现有视频信号源制式与LED显示屏的色域匹配，改善因二者色域不同而造成的LED显示屏显示失真。对视频源信号进行色域修正是LED显示屏视频处理系统中重要的环节之一，色域修正的方法及效率直接影响LED显示屏的显示质量。现有的色域修正方法有两种，第一种方法根据视频源的三原色系统、LED显示屏的三原色系统与CIE1931 XYZ表色系统的转化关系，从LED显示屏的色域向视频源制式的色域映射，缩小LED显示屏三基色与视频源三基色的差别，达到改善LED显示屏颜色失真的目的；第二种方法是将现有视频源色域作为目标色域，使LED显示屏色域中的不同色品对应多组不同的转移矩阵，并映射到视频源色域中，得到LED实际的驱动电流值。现有方法的缺点是：在色域修正方法上，现有修正技术缩减了LED显示屏的色域范围；在实现上，硬件实现未形成代码可重用、参数可配置的专用视频处理IP核，导致系统的设计周期变长。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要提出一种LED显示屏视频信号色域修正的IP核及其方法，既可以扩展视频源信号的色域范围使之与LED显示屏的色域相符合、突出LED显示屏色彩表现力强的优势，又可以实现代码可重用、参数可配置的目的。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种LED显示屏视频信号色域修正的IP核，包括sink模块、三阶RGB2XYZ并行处理模块、XYZ2xyz规格化模块、三阶色域修正并行处理模块、三阶方阵运算模块、xyz2XYZ反规格化模块、三阶XYZ2RGB并行处理模块、source模块，所述的sink模块输入端接上级IP核、输出端与三阶RGB2XYZ并行处理模块连接，三阶RGB2XYZ并行处理模块的输出端与XYZ2xyz规格化模块连接，XYZ2xyz规格化模块的输出端与三阶色域修正并行处理模块的输入端连接，三阶色域修正并行处理模块的另一输入端接三阶方阵运算模块、输出端与xyz2XYZ反规格化模块连接，xyz2XYZ反规格化模块的输出端与三阶XYZ2RGB并行处理模块连接，XYZ2RGB并行处理模块的输出端与source模块连接，source模块的输出端与下级IP核连接，所述的三阶RGB2XYZ并行处理模块、三阶色域修正并行处理模块和三阶XYZ2RGB并行处理模块均包括3个结构相同的乘加器，所述的乘加器包括3个并行乘法器、2个加法器及1个单位延时单元。

一种基于IP核的LED显示屏色域修正的方法，包括以下步骤：

A、用sink模块接收上级IP核发送的视频数据及控制信息，并将视频数据以RGB格式传送给三阶RGB2XYZ并行处理模块；

B、用三阶RGB2XYZ并行处理模块进行视频源信号的三基色RGB到XYZ色彩空间的变换，RGB到XYZ的变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right]---\left(1\right)$

三阶RGB2XYZ并行处理模块用块尺寸为3的三阶并行处理，完成矩阵乘法运算，公式(1)系数矩阵的元素a₁₁～a₃₃由现有视频源制式决定，用9个乘法器并行处理数据、3个时钟周期完成；完成后将XYZ值传送到XYZ2xyz规格化模块；

C、用XYZ2xyz规格化模块进行XYZ颜色空间到Yxy色度系统的转换，XYZ转换为xyz的公式为：

$x=\frac{X}{X+Y+Z}$

$y=\frac{Y}{X+Y+Z}---\left(2\right)$

$z=\frac{Z}{X+Y+Z}$

XYZ2xyz规格化模块最少用3个时钟周期完成；完成后输出信号xyz到三阶色域修正并行处理模块。

D、用三阶色域修正的并行处理模块实现在色度坐标中对视频数据的色域修正：三阶色域修正并行处理模块用块尺寸为3的三阶并行处理，完成矩阵乘法运算，扩展视频源色域；用9个乘法器并行处理数据，用3个时钟周期完成；三阶色域修正并行处理模块内转移矩阵中的元素b₁₁～b₃₃由三阶方阵运算模块的输出决定；用三阶方阵运算模块得到色域扩展的转移矩阵，其输入输出关系如下：

$\left[\begin{array}{ccc}{b}_{11}& b_{12}& b_{13}\\ b_{21}& b_{22}& b_{23}\\ b_{31}& b_{32}& b_{33}\end{array}\right]=L_{3*3}*{\left(P_{3*3}\right)}^{-1}---\left(3\right)$

其中，L_3*3为LED三基色的色品坐标矩阵，P_3*3为视频源制式的三基色的色品坐标矩阵，二者均为三阶方阵；

E、用xyz2XYZ反规格化模块将三阶色域修正并行处理模块处理后的信号从Yxy色度系统转换到XYZ颜色空间，最少用2个时钟就可实现；

F、用三阶XYZ2RGB并行处理模块实现XYZ到RGB的变换，变换关系为：

$\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{c}_{11}& c_{12}& c_{13}\\ c_{21}& c_{22}& c_{23}\\ c_{31}& c_{32}& c_{33}\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]---\left(4\right)$

并且输出修正后的视频数据；三阶色域修正并行处理模块用块尺寸为3的三阶并行处理，完成矩阵乘法运算，公式(4)中的系数c₁₁～c₃₃取决于LED显示屏的三基色特性；

G、用source模块将修正后的视频数据及控制信号传送到下级视频处理IP核。

本发明步骤B、D、F所述的矩阵乘法运算的步骤如下：三个乘加器同时工作，每个乘加器中，第一个时钟周期内进行3个乘法运算，第二个时钟周期内将其中的2个乘积相加并将第3个乘积延时一个时钟周期，第三个时钟周期内完成3个乘积的相加。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明以LED显示屏的色域作为目标色域，用公式(3)所得的转移矩阵将视频源信号的色品坐标映射到目标色域中，扩展了视频源信号的色域范围，突出LED显示屏色彩表现力强的优势；

2、本发明用软IP核实现色域修正，三阶XYZ2RGB并行处理模块和三阶色域修正并行处理模块的系数均可由用户自定义设置，实现代码可重用、参数可配置的目标，可以用于其他宽色域显示设备；

3、本发明中的各模块对视频数据进行并行处理，且色域修正并行处理模块仅用乘法、加法运算，使得其输出与输入为线性关系，减少了资源利用率，提高了处理速度及实时性；

4、本发明设计的IP核基于Avalon-ST接口，包含sink模块和source模块，无需改造硬件，在SOPC下通过简单连接即可实现与现有视频处理IP核的互连。

附图说明

本发明共有附图2张，其中：

图1是本发明IP核的结构示意图。

图2是本发明的产品应用功能框图。

图中，11、sink模块，12、三阶RGB2XYZ并行处理模块，13、XYZ2xyz规格化模块，14、三阶色域修正并行处理模块，15、三阶方阵运算模块，16、xyz2XYZ反规格化模块，17、三阶XYZ2RGB并行处理模块，18、source模块，21、Clocked video input IP核，22、视频处理IP核，23、色域修正IP核，24、Clocked video output IP核，25、NiosII处理器，26、DMA控制器，27、SDRAM控制器，28、Flash控制器，29、以太网。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1所示，一种LED显示屏视频信号色域修正的IP核，包括sink模块11、三阶RGB2XYZ并行处理模块12、XYZ2xyz规格化模块13、三阶色域修正并行处理模块14、三阶方阵运算模块15、xyz2XYZ反规格化模块16、三阶XYZ2RGB并行处理模块17、source模块18，所述的sink模块11输入端接上级IP核、输出端与三阶RGB2XYZ并行处理模块12连接，三阶RGB2XYZ并行处理模块12的输出端与XYZ2xyz规格化模块13连接，XYZ2xyz规格化模块13的输出端与三阶色域修正并行处理模块14的输入端连接，三阶色域修正并行处理模块14的另一输入端接三阶方阵运算模块15、输出端与xyz2XYZ反规格化模块16连接，xyz2XYZ反规格化模块16的输出端与三阶XYZ2RGB并行处理模块17连接，XYZ2RGB并行处理模块的输出端与source模块18连接，source模块18的输出端与下级IP核连接，所述的三阶RGB2XYZ并行处理模块12、三阶色域修正并行处理模块14和三阶XYZ2RGB并行处理模块17均包括3个结构相同的乘加器，所述的乘加器包括3个并行乘法器、2个加法器及1个单位延时单元。

一种基于IP核的LED显示屏色域修正的方法，包括以下步骤：

A、用sink模块11接收上级IP核发送的视频数据及控制信息，并将视频数据以RGB格式传送给三阶RGB2XYZ并行处理模块12；

B、用三阶RGB2XYZ并行处理模块12进行视频源信号的三基色RGB到XYZ色彩空间的变换，RGB到XYZ的变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right]---\left(1\right)$

三阶RGB2XYZ并行处理模块12用块尺寸为3的三阶并行处理，完成矩阵乘法运算，公式1系数矩阵的元素a₁₁～a₃₃由现有视频源制式决定，用9个乘法器并行处理数据、3个时钟周期完成；完成后将XYZ值传送到XYZ2xyz规格化模块13；

C、用XYZ2xyz规格化模块13进行XYZ颜色空间到Yxy色度系统的转换，XYZ转换为xyz的公式为：

$x=\frac{X}{X+Y+Z}$

$y=\frac{Y}{X+Y+Z}---\left(2\right)$

$z=\frac{Z}{X+Y+Z}$

XYZ2xyz规格化模块13最少用3个时钟周期完成；完成后输出信号xyz到三阶色域修正并行处理模块14。

D、用三阶色域修正的并行处理模块实现在色度坐标中对视频数据的色域修正：三阶色域修正并行处理模块14用块尺寸为3的三阶并行处理，完成矩阵乘法运算，扩展视频源色域；用9个乘法器并行处理数据，用3个时钟周期完成；三阶色域修正并行处理模块14内转移矩阵中的元素b₁₁～b₃₃由三阶方阵运算模块15的输出决定；用三阶方阵运算模块15得到色域扩展的转移矩阵，其输入输出关系如下：

$\left[\begin{array}{ccc}{b}_{11}& b_{12}& b_{13}\\ b_{21}& b_{22}& b_{23}\\ b_{31}& b_{32}& b_{33}\end{array}\right]=L_{3*3}*{\left(P_{3*3}\right)}^{-1}---\left(3\right)$

其中，L_3*3为LED三基色的色品坐标矩阵，P_3*3为视频源制式的三基色的色品坐标矩阵，二者均为三阶方阵；

E、用xyz2XYZ反规格化模块16将三阶色域修正并行处理模块14处理后的信号从Yxy色度系统转换到XYZ颜色空间，最少用2个时钟就可实现；

F、用三阶XYZ2RGB并行处理模块17实现XYZ到RGB的变换，变换关系为：

$\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{c}_{11}& c_{12}& c_{13}\\ c_{21}& c_{22}& c_{23}\\ c_{31}& c_{32}& c_{33}\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]---\left(4\right)$

并且输出修正后的视频数据；三阶色域修正并行处理模块14用块尺寸为3的三阶并行处理，完成矩阵乘法运算，公式4中的系数c₁₁～c₃₃取决于LED显示屏的三基色特性；

G、用source模块18将修正后的视频数据及控制信号传送到下级视频处理IP核。

本发明步骤B、D、F所述的矩阵乘法运算的步骤如下：三个乘加器同时工作，每个乘加器中，第一个时钟周期内进行3个乘法运算，第二个时钟周期内将其中的2个乘积相加并将第3个乘积延时一个时钟周期，第三个时钟周期内完成3个乘积的相加。

图2所示是本发明应用于LED视频处理系统的一种FPGA实现方式，通过Avalon总线与NiosII处理器25构成SOPC系统，通过Avalon-ST接口传送视频及控制数据。其中，色域修正IP核23为本发明所设计。

Avalon-ST接口中，Clocked video input IP核21接收视频数据，将时钟视频(Clocked video)数据转换成Avalon-ST视频，并传送到下级——视频处理IP核22；视频处理IP核22完成视频图像的处理，如运动检测、gamma校正等；色域修正IP核23完成视频数据的色域扩展；Clocked video output IP核24将修正后的Avalon-ST视频转换成时钟视频(clocked video)数据。

FPGA片内处理器与外设之间通过Avalon交换式总线连接。DMA控制器26把Clocked video output IP核24的输出数据通过SDRAM控制器27转移到SDRAM中，也可以通过以太网29口进行数据的传输。Nios II处理器25的作用是初始化DMA控制器26、通过总线设置各IP核，通过设置色域修正IP核23的参数，使得该IP核具有通用性，可实现多种宽色域显示设备的色域修正问题。

Claims (3)

1.一种LED显示屏视频信号色域修正的IP核，包括sink模块(11)、三阶RGB2XYZ并行处理模块(12)、XYZ2xyz规格化模块(13)、三阶色域修正并行处理模块(14)、三阶方阵运算模块(15)、xyz2XYZ反规格化模块(16)、三阶XYZ2RGB并行处理模块(17)、source模块(18)，所述的sink模块(11)输入端接上级IP核、输出端与三阶RGB2XYZ并行处理模块(12)连接，三阶RGB2XYZ并行处理模块(12)的输出端与XYZ2xyz规格化模块(13)连接，XYZ2xyz规格化模块(13)的输出端与三阶色域修正并行处理模块(14)的输入端连接，三阶色域修正并行处理模块(14)的另一输入端接三阶方阵运算模块(15)、输出端与xyz2XYZ反规格化模块(16)连接，xyz2XYZ反规格化模块(16)的输出端与三阶XYZ2RGB并行处理模块(17)连接，XYZ2RGB并行处理模块的输出端与source模块(18)连接，source模块(18)的输出端与下级IP核连接，其特征在于：所述的三阶RGB2XYZ并行处理模块(12)、三阶色域修正并行处理模块(14)和三阶XYZ2RGB并行处理模块(17)均包括3个结构相同的乘加器，所述的乘加器包括3个并行乘法器、2个加法器及1个单位延时单元。

2.一种基于IP核的LED显示屏色域修正的方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、用sink模块(11)接收上级IP核发送的视频数据及控制信息，并将视频数据以RGB格式传送给三阶RGB2XYZ并行处理模块(12)；

B、用三阶RGB2XYZ并行处理模块(12)进行视频源信号的三基色RGB到XYZ色彩空间的变换，RGB到XYZ的变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right]---\left(1\right)$

三阶RGB2XYZ并行处理模块(12)用块尺寸为3的三阶并行处理，完成矩阵乘法运算，公式(1)系数矩阵的元素a₁₁～a₃₃由现有视频源制式决定，用9个乘法器并行处理数据、3个时钟周期完成；完成后将XYZ值传送到XYZ2xyz规格化模块(13)；

C、用XYZ2xyz规格化模块(13)进行XYZ颜色空间到Yxy色度系统的转换，XYZ转换为xyz的公式为：

$x=\frac{X}{X+Y+Z}$

$y=\frac{Y}{X+Y+Z}---\left(2\right)$

$z=\frac{Z}{X+Y+Z}$

XYZ2xyz规格化模块(13)最少用3个时钟周期完成；完成后输出信号xyz到三阶色域修正并行处理模块(14)。

D、用三阶色域修正的并行处理模块实现在色度坐标中对视频数据的色域修正：三阶色域修正并行处理模块(14)用块尺寸为3的三阶并行处理，完成矩阵乘法运算，扩展视频源色域；用9个乘法器并行处理数据，用3个时钟周期完成；三阶色域修正并行处理模块(14)内转移矩阵中的元素b₁₁～b₃₃由三阶方阵运算模块(15)的输出决定；用三阶方阵运算模块(15)得到色域扩展的转移矩阵，其输入输出关系如下：

$\left[\begin{array}{ccc}{b}_{11}& b_{12}& b_{13}\\ b_{21}& b_{22}& b_{23}\\ b_{31}& b_{32}& b_{33}\end{array}\right]=L_{3*3}*{\left(P_{3*3}\right)}^{-1}---\left(3\right)$

其中，L_3*3为LED三基色的色品坐标矩阵，P_3*3为视频源制式的三基色的色品坐标矩阵，二者均为三阶方阵；

E、用xyz2XYZ反规格化模块(16)将三阶色域修正并行处理模块(14)处理后的信号从Yxy色度系统转换到XYZ颜色空间，最少用2个时钟就可实现；

F、用三阶XYZ2RGB并行处理模块(17)实现XYZ到RGB的变换，变换关系为：

$\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{c}_{11}& c_{12}& c_{13}\\ c_{21}& c_{22}& c_{23}\\ c_{31}& c_{32}& c_{33}\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]---\left(4\right)$

并且输出修正后的视频数据；三阶色域修正并行处理模块(14)用块尺寸为3的三阶并行处理，完成矩阵乘法运算，公式(4)中的系数c₁₁～c₃₃取决于LED显示屏的三基色特性；

G、用source模块(18)将修正后的视频数据及控制信号传送到下级视频处理IP核。

3.根据权利要求1所述的一种基于IP核的LED显示屏色域修正的方法，其特征在于：步骤B、D、F所述的矩阵乘法运算的步骤如下：三个乘加器同时工作，每个乘加器中，第一个时钟周期内进行3个乘法运算，第二个时钟周期内将其中的2个乘积相加并将第3个乘积延时一个时钟周期，第三个时钟周期内完成3个乘积的相加。

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