滤色阵列插值算法及FPGA设计研究

摘要

随着数码相机的发展，Bayer滤波阵列已经得到了很广泛的运用，针对Bayer格式图像的彩色还原算法研究以及算法的硬件实现也成了数码相机的关键技术，所以滤色阵列插值算法已经成功占领了图像处理领域。滤色阵列插值算法发展了三十多年，已经从最简单的发展到现有性能良好的算法。FPGA在图像处理中的应用和图像质量评价体系的完整都将推动着滤色阵列插值算法朝着更好的方向发展。本文主要对滤色阵列插值算法的FPGA实现进行了研究，所取得的成果为：
　　1.对色彩科学的发展及图像的特性进行了研究。主要研究了色彩的形成原因，并且研究了色彩的三种特性，即亮度、色调和饱和度。为了适应各种应用场合，人们逐渐提出了各种色彩空间模型，可以在一些标准下对色彩有着更好的诠释。
　　2.探究了经典滤色阵列插值算法。考虑到图像中颜色之间所具有的相关性和图像在空间上的相关性，提出了各种滤色阵列插值算法。通过学习并分析了各种算法的优缺点。本文着重研究了四种经典滤色阵列插值算法，即双线性插值算法、基于梯度的像素组插值算法、自适应插值算法和反梯度加权系数插值算法，并在软件平台上对其加以验证，可以直观地观察到重构图像质量的优劣。
　　3.对滤色阵列插值算法的评价准则进行了研究。滤色阵列插值算法性能的优劣影响着重建图像的质量，如果算法性能不好，重构图像会出现比较明显的锯齿效应等失真现象。因此，探究有效的滤色阵列插值算法评价标准具有重要的现实应用价值。本文主要是从人自身的主观和定性物理量描述的客观两方面探究评价标准。以柯达的24幅全彩色图片作为测试库在MATLAB平台上去评价了算法恢复后的图像质量。
　　4.对滤色阵列插值算法的FPGA设计进行了研究。FPGA的快速发展给图像处理带来了新的前进动力。考虑到FPGA的并行处理特性，可以同时进行多路不同性质的运算，较短的计算时间，使得FPGA在图像处理领域有着不可替代的地位。本文主要针对三种经典的滤色阵列插值算法进行了FPGA设计。通过比较重构图像的质量，可以看出自适应插值算法不管是从计算的复杂度还是重构图像质量来说，都是最为适合FPGA实现的插值算法。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

插图索引

表格索引

符号对照表

缩略语对照表

目录

第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 滤色阵列插值算法的发展

1.3 FPGA用于图像处理的优势

1.4 本文组织结构

第二章 颜色科学的研究

2.1 图像的理论知识

2.2 图像的相关性

2.3 常见的图像预处理

2.4常见的失真效应

本章小结

第三章 滤色阵列插值算法的研究

3.1 双线性插值算法

3.2 基于梯度的像素组插值算法

3.3 自适应颜色插值算法

3.4 反梯度加权系数插值算法

本章小结

第四章 评价标准以及实验结果分析

4.1 评价标准

4.2 实验数据及分析

本章小结

第五章 插值算法的FPGA设计及仿真

5.1 FPGA设计基本原理

5.2 三种颜色插值算法的FPGA设计

5.3 插值算法的仿真结果

5.4 插值算法的综合与性能分析

本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

作者简介