一种基于拜耳插值算法的图像设计与实现

摘要

在信息化时代的今天，人们对于信息量的需求增大，而信息的复杂性也在增加。有时候需要传递的信息很难用文字描述，将信息用图像记录下来成为了大多数人更好的选择。现在是属于互联网的时代，各式各样的图像在微信，朋友圈，微博等互联网工具上呈现，为了把人的真实意图传递出来就必须让发布的图像接近于真像。因此各大手机、平板制造厂商都在不断改良摄像头一端的技术和设计。
　　现在的数字相机生产厂家大多采用CCD或CMOS图像传感器，并在传感器表面覆盖上一层彩色滤波阵列，简称 C FA，其作用顾名思义，即滤波。经过滤波后，每一帧图像会有很多像素点，每个像素点只能获得物理三基色（红、绿、蓝）的一种分量。这是一种不完整的图像，为了获得全彩色的图像，必须依靠插值算法获得一个像素点的另外两种颜色分量。这个过程通常称为彩色插值，其中拜耳插值算法是应用最为广泛的一种插值算法。
　　在相机前端，CCD或CMOS图像传感器捕捉的图像经过滤波后，得到的是未经加工的图像，称为RAW格式图像。这种格式的图像是相机拍摄到的图像，它并未经过处理，所以不会造成信息丢失。然而 RAW文件有许多缺点：RAW格式的图像保留了图片所有的信息，所以文件非常大，耗费时间非常长，需要的存储空间也较大，这对于照片的存储、传输造成了十分大的影响。此外，RAW格式的图像需要用专用的软件打开，一旦计算机中没有安装这种软件，将无法打开图像，带来了诸多不便，且一旦计算机更新后无法安装特定的软件也无法打开文件。用软件打开图像的速度也比较慢。综上所述，RAW格式的图像文件对普通用户来说极其不便。
　　本文基于Bayer插值算法，将RAW格式图像转换成RGB格式图像。RAW格式图像每个像素点仅有一种基色，而RGB格式每个像素点均有三种基色。通过设计一种拜耳插值的算法，使得得到的RGB格式图像更接近于真实图像。为了提高每一帧图片的质量，改良原来算法中的设计，在计算每一个像素点的另外两种颜色分量时用到该点周围7x7方格内像素点分量的值，使得计算的结果更加精确。为了提高每一帧的图片的传输速度，本次设计在计算颜色分量时采用了流水的设计方式。为了能够满足时钟频率，规定每一次计算时的加减法符号数目小于等于三个，对于计算时用到的乘除法，本次设计将乘除法的乘数或除数规定为常数，即将乘除法转换成加减法，减少了计算时组合逻辑的复杂性，同时又能进一步满足更高时钟频率，且对图像的失真影响不大。
　　本次设计是由Verilog HDL语言设计，通过NCVerilog工具在24Mhz频率下进行仿真，通过对比仿真时序图与设计的时序图，验证了模块代码时序上的正确性，通过仿真测试与笔算的结果对比，验证了模块代码设计计算上的正确性。

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第一章 绪论

1 .1研究背景

1 .2图像传感器

1 .3彩色滤波阵列和拜耳插值算法

1 .4论文的主要工作

第二章 拜耳插值算法设计

2 .1拜耳插值算法的数据输入

2 .2拜耳插值算法的计算法则

第三章 拜耳插值算法控制模块设计

3 .1接口定义和模块架构

3 .2代码层次结构

3.3子模块bpi_ctrl设计

第四章 子模块bpi_g_value设计

4.1子模块bpi_g_value功能描述

4.2子模块bpi_g_value设计实现

第五章 子模块bpi_rb_value设计

5.1子模块bpi_rb_value功能描述

5.2子模块bpi_rb_value设计实现

第六章 仿真结果论证

总结与展望

参考文献

致谢

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