基于FPGA的Bayer图像彩色恢复设计

摘要

随着数码摄影已在航空航天、天文、公安、医疗等领域发挥越来越广泛的应用，而对数码摄影软硬件系统的开发也引起人们广泛的注意。随着大规模、超大规模集成电路以及大规模可编程逻辑器件的高速发展和广泛应用，实时图像处理也得到了非常迅速的发展。为了提高图像处理的速度，满足系统实时要求，可以用硬件来实现对图像的处理，FPGA芯片便是目标硬件的理想选择之一，同时的FPGA的应用也为提高图像的处理速度提供了新的思路和解决方法。论文主要设计并实现了基于FPGA的Bayer格式的彩色恢复。　　常见的中低端彩色相机是在CCD或者CMOS图像传感器的表面覆上一层彩色滤波阵列再和插值算法结合起来获得彩色图像。这种采用彩色滤波阵列的方法使数码相机的成本和体积都降下来了，但同时也带了一个难题就是选择什么样的方法才能将丢失的颜色信息最大程度地找回来，使恢复出来的图像最能被人眼接受。用这种覆盖CFA的图像传感器拍摄出来的图像被称之为马赛克图像。将马赛克图像还原成全彩色图像的相关过程成为彩色复原或插值，或者是去马赛克。迄今为止，已经有很多成熟的插值算法被人们应用在各种需求中，如双线性算法、自适应插值算法等。这些算法中有的计算简单，易于硬件实现，但是插值效果却不尽人意;有的插值效果不错，却因为计算复杂而难于在硬件上实现。面对着高速的图像采集系统，人们一直在寻找一种既能用硬件实现效果又不错的方法。随着可编程逻辑器件的出现和发展，人们发现这类器件在图像处理方面有很大的优势而且可以进行硬件上的并行处理运算，于是采用FPGA来实现图像复原系统能实现处理速度和成像质量之间的平衡。　　本文首先回顾了部分典型的插值算法，通过比较分析和总结了各种方法的优势和不足，并针对实时处理的要求，以其中一种算法的思想为基础提出了一种改进的插值算法。然后以实现该算法为目的设计了一个硬件系统，进行了系统总体方案的设计，包括图像传感器、图像缓存模块、电源模块、控制模块、晶振电路、芯片配置模块、FPGA主控芯片和图像采集显示模块。设计中选用了OmniVision的OV7725传感器、PAM3101DAB250稳压电源、VGA视频编码芯片ADV7123、Altera公司的CycloneⅣ系列FPGA芯片EP4CE15E17C8N、hynix的HY57V283220T芯片作为SDRAM。最后采用Verilog HDL对该算法进行了仿真，并在FPGA中实现了该算法。设计的新算法的FPGA实现方案，从节省资源角度提出了数据缓存的实现方案，从提高处理实时性角度提出了插值计算的实现方案。以Verilog HDL语言为硬件描述语言，采用Altera公司的FPGA芯片，完成了新算法的处理速度及低资源消耗实现。在提高处理效率过程中，采用了并行处理及流水线处理设计思想。　　本系统设计充分考虑了系统电路的小型化、轻量化和低成本等因素。根据FPGA的小型化、模块化、灵活性等一系列优越的特点，本文设计主要采用FPGA的软件设计来达到功能实现的目的，运用的语言是Verilog硬件描述语言。此外，由于FPGA的可重复擦写编程的特点，方便于设备的升级和修正。同时彩色恢复后的图像目视细节丰富，伪彩色得到有效抑制。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外文献综述

1．3 本论文的研究内容与组织安排

第2章 颜色科学的基础理论

2．1 色彩的感应过程

2．2 颜色的三个特性

2．3 几种常见的颜色模型

2．4 图像的空间和色彩相关性

第3章 常见彩色插值算法简介

3．1 最近邻插值算法

3．2 双线性插值算法

3．3 色比恒定算法

3．4 基于梯度插值的算法

3．5 自适应插值算法

3．6 适合硬件实现的插值算法

3．7 算法评价与对比

第4章 系统硬件电路设计

4．1 系统总体方案

4．2 成像和显示电路设计

4．2．1 OV7725 Sensor简介

4．2．2 OV7725硬件电路设计

4．2．3 显示输出接口电路设计

4．3 控制电路设计

4．3．1 FPGA及其相关配置

4．3．2 电源

4．4 SDRAM存储电路

4．5 系统硬件实物图

第5章 基于Verliog HDL的软件设计

5．1 Verliog HDL简介

5．2 Verilog HDL的设计流程

5．3 系统的功能模块划分

5．3．1 COMS控制模块

5．3．2 SDRAM控制模块

5．3．3 算法处理与显示模块

5．4 彩色恢复效果和分析

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果