CCD圖像的顏色插值算法研究及其FPGA實(shí)現(xiàn)的論文免費(fèi)下載

　　論文研究了基于Bayer格式的CCD原始圖像的顏色插值算法，并將設(shè)計(jì)的改進(jìn)算法應(yīng)用到以FPGA為核心的圖像采集前端。出于對成本和體積的考慮，一般的數(shù)字圖像采集系統(tǒng)采用單片CCD或CMOS圖像傳感器，然后在感光表面覆蓋一層顏色濾波陣yiJ（CFA），經(jīng)過CFA后每個(gè)像素點(diǎn)只能獲得物理三基色（紅、綠、藍(lán)）其中一種分量，形成馬賽克圖像。為了獲得全彩色圖像，就要利用周圍像素點(diǎn)的值近似地計(jì)算出被濾掉的顏色分量，稱這個(gè)過程為顏色插值。由于當(dāng)前對圖像采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求越來越高，業(yè)內(nèi)已經(jīng)開始廣泛采用FPGA來進(jìn)行圖像處理，充分發(fā)揮硬件并行運(yùn)算的速度優(yōu)勢，以求在處理速度和成像質(zhì)量兩方面均達(dá)到滿意的效果。主要的工作內(nèi)容如下：

　　本文首先介紹了彩色濾波陣列、圖像色彩恢復(fù)和插值算法的概念，然后分析和研究了當(dāng)下常用的顏色插值算法，如雙線性插值算法、加權(quán)系數(shù)法等等，指出了各個(gè)算法的特點(diǎn)和不足；接下來針對硬件系統(tǒng)并行運(yùn)算的特性和實(shí)時(shí)性處理的要求，結(jié)合其中兩種算法的思路設(shè)計(jì)了適用于硬件的改進(jìn)算法，該算法主要引入了方向標(biāo)志位的概念以及平滑的邊界仲裁法則來檢測邊界，借鑒利用梯度的三角函數(shù)關(guān)系來判斷邊界方向，通過簡化且適用于硬件的方法計(jì)算加權(quán)系數(shù)，從而選擇合適的方向進(jìn)行插值。

　　在介紹了FPGA用于圖像處理的優(yōu)勢后，針對FPGA的特點(diǎn)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了本文算法的軟件實(shí)現(xiàn)過程及所使用到的關(guān)鍵技術(shù)；文章設(shè)計(jì)了一個(gè)以FPGA為核心的前端圖像采集平臺(tái)，并將改進(jìn)插值算法應(yīng)用到整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中。詳細(xì)分析了采集前端的硬件需求，討論了核心芯片的選型和硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)，完成了印制電路板的制作。

　　文章通過MATLAB仿真得到了量化的性能評估數(shù)據(jù)，并選取幾種算法在硬件平臺(tái)上運(yùn)行，得到了實(shí)驗(yàn)圖片。最后結(jié)合圖片的視覺效果和仿真數(shù)據(jù)對幾種不同算法的效果進(jìn)行了評估和比較，證明改進(jìn)的算法對圖像質(zhì)量有所增強(qiáng)，取得了良好的效果。

　　圖像信息是人類獲取的最重要的信息之一，圖像的采集和處理在現(xiàn)代多媒體技術(shù)中占有重要的地位Ⅲ。在日常生活中，常用于數(shù)碼相機(jī)、可視電話、多媒體IP電話和電話會(huì)議等產(chǎn)品；在工業(yè)生產(chǎn)中，圖像采集可用于材料分析、鍋爐火焰監(jiān)測等；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，圖像采集可以用于B超、CT、病理分析等；在金融領(lǐng)域，圖像采集可以用于票證處理，柜員機(jī)自動(dòng)檢測等；在航空航天領(lǐng)域，可以用于各種運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的自動(dòng)制導(dǎo)、運(yùn)動(dòng)物體的經(jīng)緯度測定以及夜間偵察等。

　　對任意一個(gè)圖像采集系統(tǒng)而言，周圍環(huán)境的圖像信息都是來自于圖像傳感器。圖像傳感器獲得的原始圖像信息的完整性和正確性，對于整個(gè)采集系統(tǒng)是相當(dāng)重要的，直接決定了最終的成像效果。從原始圖像到最終形成的真彩色圖像的變換過程，稱為色彩恢復(fù)，又叫顏色插值。顏色差值在圖像壓縮、解碼和數(shù)字圖像采集系統(tǒng)彩色實(shí)時(shí)顯示方面有著非常重要的應(yīng)用，在過去二十年中一直是研究熱點(diǎn)，同時(shí)也產(chǎn)生了大量有價(jià)值的插值算法。然而這些插值算法一直是歐美及日韓等發(fā)達(dá)國家數(shù)碼相機(jī)制造廠商的高附加值技術(shù)，在國內(nèi)的研究相對較少。

　　本文討論的顏色插值算法已經(jīng)提出了有一段時(shí)間了，其中的一些算法已經(jīng)在DSP處理器中得到了實(shí)現(xiàn)。如今，追求高速度成為了圖像處理的一個(gè)重要發(fā)展趨勢。由于DSP處理器沒有擺脫傳統(tǒng)CPU的串行指令執(zhí)行方式，其圖像處理的速度問題一直是一個(gè)很難突破的設(shè)計(jì)瓶頸。隨著大規(guī)模集成電路（ASIC）以及現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）技術(shù)的發(fā)展，它們在圖像領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。這就使圖像采集和處理設(shè)計(jì)朝著速度快、容量大、體積小、重量輕的方向發(fā)展，也為圖像采集和處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了新的方法和思路旺1。目前，采用硬件來實(shí)現(xiàn)各種圖像處理算法，成為了最新的研究熱點(diǎn)。因此，充分利用硬件系統(tǒng)并行運(yùn)算的速度優(yōu)勢，積極開展基于FPGA的顏色插值算法研究，并將其應(yīng)用到圖像采集系統(tǒng)當(dāng)中，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。