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颜色空间系列三: RGB和YCbCr颜色空间的转换及优化算法

热度:4204   发布时间:2013-02-26 00:00:00.0
颜色空间系列3: RGB和YCbCr颜色空间的转换及优化算法

      颜色空间系列代码下载链接:http://files.cnblogs.com/Imageshop/ImageInfo.rar (同文章同步更新)

        在常用的几种颜色空间中,YCbCr颜色空间在学术论文中出现的频率是相当高的,常用于肤色检测等等。其和RGB空间之间的相互转换公式在网上也有多种,我们这里取http://en.wikipedia.org/wiki/YCbCr 描述的JPG转换时使用的计算公式:

  JPEG conversion

  JFIF usage of JPEG allows Y′CbCr where Y′, CB and CR have the full 8-bit range of 0-255:

    \begin{align}Y'  &=&     &+ (0.299    \cdot& R'_D) &+ (0.587    \cdot& G'_D) &+ (0.114    \cdot& B'_D)\\C_B &=& 128 &- (0.168736 \cdot& R'_D) &- (0.331264 \cdot& G'_D) &+ (0.5      \cdot& B'_D)\\C_R &=& 128 &+ (0.5      \cdot& R'_D) &- (0.418688 \cdot& G'_D) &- (0.081312 \cdot& B'_D)\end{align}

  And back:

    \begin{align}R  &=& Y                            &&& + 1.402   \cdot &(C_R-128) \\G  &=& Y   &- 0.34414 \cdot &(C_B-128)& - 0.71414 \cdot &(C_R-128) \\B  &=& Y   &+ 1.772   \cdot &(C_B-128)&\end{align}

     上述公式的主要优点是转换后的各分量的范围也在0到255之间,因此用 byte类型的变量即可容纳新的颜色空间。

      要避免浮点运算带来的速度瓶颈,这里同样可以用 颜色空间系列1: RGB和CIEXYZ颜色空间的转换及相关优化  文章中同样的优化技巧。

      为了可以指定位移的大小,我们采用常量的定义方式是计算各放大系数。

        const float YCbCrYRF = 0.299F;              // RGB转YCbCr的系数(浮点类型)        const float YCbCrYGF = 0.587F;        const float YCbCrYBF = 0.114F;        const float YCbCrCbRF = -0.168736F;                const float YCbCrCbGF = -0.331264F;        const float YCbCrCbBF = 0.500000F;        const float YCbCrCrRF = 0.500000F;        const float YCbCrCrGF = -0.418688F;        const float YCbCrCrBF = -0.081312F;        const float RGBRYF = 1.00000F;            // YCbCr转RGB的系数(浮点类型)        const float RGBRCbF = 0.0000F;        const float RGBRCrF = 1.40200F;        const float RGBGYF = 1.00000F;                  const float RGBGCbF = -0.34414F;        const float RGBGCrF = -0.71414F;        const float RGBBYF = 1.00000F;                  const float RGBBCbF = 1.77200F;        const float RGBBCrF = 0.00000F;         const int Shift = 20;        const int HalfShiftValue = 1 << (Shift - 1);        const int YCbCrYRI = (int)(YCbCrYRF * (1 << Shift) + 0.5);         // RGB转YCbCr的系数(整数类型)        const int YCbCrYGI = (int)(YCbCrYGF * (1 << Shift) + 0.5);        const int YCbCrYBI = (int)(YCbCrYBF * (1 << Shift) + 0.5);        const int YCbCrCbRI = (int)(YCbCrCbRF * (1 << Shift) + 0.5);        const int YCbCrCbGI = (int)(YCbCrCbGF * (1 << Shift) + 0.5);        const int YCbCrCbBI = (int)(YCbCrCbBF * (1 << Shift) + 0.5);        const int YCbCrCrRI = (int)(YCbCrCrRF * (1 << Shift) + 0.5);        const int YCbCrCrGI = (int)(YCbCrCrGF * (1 << Shift) + 0.5);        const int YCbCrCrBI = (int)(YCbCrCrBF * (1 << Shift) + 0.5);        const int RGBRYI = (int)(RGBRYF * (1 << Shift) + 0.5);              // YCbCr转RGB的系数(整数类型)        const int RGBRCbI = (int)(RGBRCbF * (1 << Shift) + 0.5);        const int RGBRCrI = (int)(RGBRCrF * (1 << Shift) + 0.5);        const int RGBGYI = (int)(RGBGYF * (1 << Shift) + 0.5);        const int RGBGCbI = (int)(RGBGCbF * (1 << Shift) + 0.5);        const int RGBGCrI = (int)(RGBGCrF * (1 << Shift) + 0.5);        const int RGBBYI = (int)(RGBBYF * (1 << Shift) + 0.5);        const int RGBBCbI = (int)(RGBBCbF * (1 << Shift) + 0.5);        const int RGBBCrI = (int)(RGBBCrF * (1 << Shift) + 0.5); 

 RGB转为YCbCr的代码:

        public static void ToYCbCr(byte* From, byte* To, int Length = 1)        {            if (Length < 1) return;            byte* End = From + Length * 3;            int Red, Green, Blue;            // int Y, Cb, Cr;            while (From != End)            {                Blue = *From; Green = *(From + 1); Red = *(From + 2);                // 无需判断是否存在溢出,因为测试过整个RGB空间的所有颜色值,无颜色存在溢出                *To = (byte)((YCbCrYRI * Red + YCbCrYGI * Green + YCbCrYBI * Blue + HalfShiftValue) >> Shift);                     *(To + 1) = (byte)( 128 + ( (YCbCrCbRI * Red + YCbCrCbGI * Green + YCbCrCbBI * Blue + HalfShiftValue) >> Shift));                *(To + 2) = (byte) (128+( (YCbCrCrRI * Red + YCbCrCrGI * Green + YCbCrCrBI * Blue + HalfShiftValue) >> Shift));               // *To = (byte)Y;          // 不要把直接计算的代码放在这里,会降低速度,                //*(To + 1) = (byte)Cb;                //*(To + 2) = (byte)Cr;                From += 3;                To += 3;            }        }

 被注释掉的代码时原始的,因为这种比较简单的代码,直接对表达式进行强制类型转换比用中间变量要少几条汇编码,并且中间变量越少,在编译后越有可能让CPU用寄存器来缓存一些变量,而不是用内存。

    比如我们比较下注释部分和上述代码的反编译码:

    注释掉的部分的反编译码:

    Y = (YCbCrYRI * Red + YCbCrYGI * Green + YCbCrYBI * Blue + HalfShiftValue) >> Shift;0000003a  imul        eax,eax,4C8B4h 00000040  imul        edx,ebx,9645Ah 00000046  add         eax,edx 00000048  imul        edx,edi,1D2F2h 0000004e  lea         eax,[eax+edx+00080000h] 00000055  sar         eax,14h 00000058  mov         dword ptr [ebp-18h],eax                 *To = (byte)Y;    0000005b  mov         byte ptr [esi],al 

     上述代码的反编译码:

 *To = (byte) ( (YCbCrYRI * Red + YCbCrYGI * Green + YCbCrYBI * Blue + HalfShiftValue) >> Shift);0000003a  imul        eax,ebx,4C8B4h 00000040  imul        edx,edi,9645Ah 00000046  add         eax,edx 00000048  imul        edx,dword ptr [ebp-14h],1D2F2h 0000004f  lea         eax,[eax+edx+00080000h] 00000056  sar         eax,14h 00000059  mov         byte ptr [esi],al 

     当然,如果循环中的代码复杂一些,这个就不一定了。

     YCbCr转为RGB空间的代码:

        public static void ToRGB(byte* From, byte* To, int Length = 1)        {            if (Length < 1) return;            byte* End = From + Length * 3;            int Red, Green, Blue;            int Y, Cb, Cr;            while (From != End)            {                Y = *From; Cb = *(From + 1)-128; Cr = *(From + 2)-128;                Red = Y + ((RGBRCrI * Cr + HalfShiftValue) >> Shift);                Green = Y + ((RGBGCbI * Cb + RGBGCrI * Cr+ HalfShiftValue) >> Shift);                Blue = Y + ((RGBBCbI * Cb + HalfShiftValue) >> Shift);                if (Red > 255) Red = 255; else if (Red < 0) Red = 0;                if (Green > 255) Green = 255; else if (Green < 0) Green = 0;    // 编译后应该比三目运算符的效率高                if (Blue > 255) Blue = 255; else if (Blue < 0) Blue = 0;                *To = (byte)Blue;                                               // 由于不是一一对应的,需要判断是否越界                *(To + 1) = (byte)Green;                *(To + 2) = (byte)Red;                From += 3;                To += 3;            }        }

      实际中这种逆变换用的不多。

       照例给出一些转换效果:

       

       YCbCr综合图:

       

       Y分量:                              

         

       Cb分量:

       

       Cr分量:

       

       在皮肤识别方面,常用YCbCr空间的数据进行分析,从上面几个图中也可以看出  ,肤色在CbCr有着一定的集聚性,这个在日后的文章中再说。





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