高幀頻大面陣彩色cs相機(jī)輸出聲語言設(shè)計(jì)

高幀頻大面陣彩色cs相機(jī)輸出聲語言設(shè)計(jì)

現(xiàn)在，在圖像處理領(lǐng)域，通常會處理灰色圖像?；叶忍峁┝艘粋€(gè)度量亮度的標(biāo)量,它的范圍從黑到灰最后到白。根據(jù)硬件的采樣條件人為地又把灰度分為了256級,而人眼只能辨識256個(gè)灰度級中的40個(gè)左右。但對于彩色圖像,人眼可以辨別幾千種顏色色調(diào)和亮度,對于同一幅圖像,利用彩色圖像就可以看到圖像更加精細(xì)的結(jié)構(gòu),因此彩色圖像非常適合人工圖像分析。在圖像處理中運(yùn)用彩色的另一個(gè)誘人之處在于彩色是一個(gè)強(qiáng)有力的描繪子,它能夠簡化目標(biāo)物的區(qū)分及從場景中提取目標(biāo),為圖像檢測或識別提供方便。BALSER公司高幀頻大面陣數(shù)字相機(jī)—A501KC相機(jī)就是一種可以提供彩色圖像數(shù)據(jù)的COMS相機(jī)。當(dāng)面陣大小為1280×1024時(shí),相機(jī)最高幀頻可達(dá)每秒74幀,適當(dāng)修改面陣大小,還可以繼續(xù)提高幀頻。數(shù)據(jù)輸出采用8bit雙通道,最高數(shù)據(jù)帶寬為每秒100Mbyte。由于相機(jī)在采集圖像時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行了Bayer濾波,直接進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出只能顯示灰度圖像,必須先對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼才能夠?qū)崿F(xiàn)彩色顯示及處理。1nmfd成像A501KC相機(jī)輸出的圖像被稱為偽彩色圖像,但與傳統(tǒng)的偽彩色是有區(qū)別的。傳統(tǒng)的偽彩色是指將一幅圖像的每個(gè)灰度級匹配到彩色空間中一點(diǎn),即將一幅單色圖像用某種方法映射到一幅彩色圖像的過程。而A501KC相機(jī)輸出的偽彩色圖像是根據(jù)其采集圖像方式定義的。當(dāng)A501KC相機(jī)采集圖像時(shí),光線經(jīng)過了一個(gè)附加的彩色濾波器(Bayer濾波器)照射到傳感器面陣上的每個(gè)像素。Bayer濾波器使得每個(gè)像素表面被覆蓋了一個(gè)微透鏡,由于微透鏡的存在,光線中只能有一種彩色光譜透過微透鏡照射到像素傳感器上。Bayer濾波器的模式如圖1所示。在由4個(gè)像素組成的塊中,其中一個(gè)吸收紅光,一個(gè)吸收藍(lán)光,另外兩個(gè)吸收綠光。每個(gè)像素采集到的數(shù)據(jù)中僅包含了該點(diǎn)的部分亮度信息和部分彩色信息。因此只有對輸出的圖像進(jìn)行處理后,才能夠還原為彩色圖像,但由于采集圖像時(shí)已經(jīng)損失了部分能量,還原的圖像色彩和亮度將會丟失部分信息,導(dǎo)致還原圖像與真實(shí)圖像有所差異,所以稱之為偽彩色圖像。從圖1可以看出,傳感器面陣中每個(gè)像素吸收一種彩色光譜,其周圍的像素吸收了另外兩種彩色光譜。如果不進(jìn)行Bayer濾波器解碼直接輸出數(shù)據(jù),將顯示為灰度圖像。為了還原成彩色圖像,以任意像素為中心,做一個(gè)3×3區(qū)域,在這個(gè)區(qū)域中包含了三種彩色的采樣值。中心像素本身的值作為該點(diǎn)的一種彩色值,該點(diǎn)的另外兩種彩色值可以通過對其周圍每種彩色求和作平均值來得到。由于像素尺寸很小,用這種近似方法所造成的誤差很微小。根據(jù)每個(gè)像素的位置不同,其彩色分量計(jì)算的算法共有4種組合方式,下面僅舉其中一種方式進(jìn)行說明。中心像素為所要解碼的數(shù)據(jù)源,設(shè)該像素值為f(x,y),x,y表示位置,從圖2中可以看出該像素位于偶行偶列,該像素的三種彩色分量可由如下公式計(jì)算。可以看出中心點(diǎn)的像素值作為了該點(diǎn)的紅色分量,綠色分量通過把該區(qū)域中所有綠色像素的值求和作平均得到,藍(lán)色分量也是通過這種算法得到的。2紅、綠、藍(lán)的彩色分量由上述公式計(jì)算出該點(diǎn)像素的R,G,B彩色分量,與實(shí)際圖像的彩色存在一定差異。這種差異主要是由于A501KC相機(jī)采集圖像方式所造成的。為了減弱這種差異,需要進(jìn)行白平衡調(diào)整,然后在后續(xù)的采集工作中,用白平衡調(diào)整后的因子再乘以紅、綠、藍(lán)各自的彩色分量,用以減弱這種差異。為了計(jì)算白平衡因子,首先將相機(jī)對向不飽和白色目標(biāo)(如白紙),使其充滿視場,確保此光源及光照情況和實(shí)際工作情況一致,采集一幅原始圖像,利用公式(4)計(jì)算出灰度均值參數(shù)Gray_Para,然后將原始圖像分別解碼計(jì)算出三個(gè)彩色分量的均值(公式(5)R_para)、(公式(6)G_para)和(公式(7)B_para),則紅、綠、藍(lán)白平衡因子參數(shù)可分別由公式(8),(9),(10)計(jì)算得出,解出白平衡因子后,對后續(xù)采集的圖像進(jìn)行解碼,然后每個(gè)像素R、G、B的分量均乘上相應(yīng)的白平衡因子a、b和c,這時(shí)的圖像輸出即為所求解碼后的彩色圖像。3彩色解碼及白平衡因子的控制為了實(shí)現(xiàn)對A501KC相機(jī)輸出圖像的實(shí)時(shí)彩色顯示或處理,自行設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)完成Bayer濾波器的解碼算法。硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。本系統(tǒng)的硬件部分包括LVDS接收器、FPGA芯片XCV300E,DSP芯片TMS320F206、緩沖器及一塊靜態(tài)存儲器。系統(tǒng)接收LVDS圖像數(shù)據(jù),利用LVDS接收器使其變?yōu)镃MOS電平信號送到FPGA中,由于A501KC相機(jī)是雙通道輸出數(shù)據(jù),因此數(shù)據(jù)最高傳輸率為100Mbyte/s,這樣進(jìn)行一次彩色解碼的時(shí)間必須小于或等于10ns,為了實(shí)現(xiàn)圖像的彩色解碼,同時(shí)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性,采用了Xilinx公司生產(chǎn)XCV300E型號FPGA芯片。XCV300E芯片中I/O模塊最高運(yùn)行速度可達(dá)240MHz,SelectRAM運(yùn)行速度最高可達(dá)250MHz,而內(nèi)部程序設(shè)計(jì)運(yùn)行速度高于133MHz,最高可達(dá)到311MHz,因此可以很容易在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)彩色解碼。FPGA對原始圖像進(jìn)行解碼后,生成R、G、B三個(gè)彩色分量。如果需要進(jìn)行灰度處理,可以利用公式(11)進(jìn)行Y,C分離后生成灰度值。當(dāng)相機(jī)進(jìn)行圖像采集時(shí),如果外界的光照條件發(fā)生很大變化,將導(dǎo)致白平衡因子設(shè)置不正確,使得解碼后圖像的顏色也會發(fā)生變化,這時(shí)相機(jī)需要進(jìn)行白平衡調(diào)整。如果外界光照條件頻繁發(fā)生變化,相機(jī)就不得不頻繁的進(jìn)行白平衡調(diào)整。為了避免頻繁的白平衡調(diào)整,可以利用FPGA對A501KC相機(jī)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)光(即對曝光時(shí)間的控制)來抵消外界光照條件變化的影響。當(dāng)外界光照變亮,通過FPGA內(nèi)部程序的控制使相機(jī)的曝光時(shí)間縮短,像素收集電荷時(shí)間變短,相當(dāng)于光照減弱;當(dāng)外界光照變暗,相機(jī)曝光時(shí)間變長,像素收集電荷時(shí)間增加,相當(dāng)于光照增強(qiáng),使得采集圖像的灰度均值始終在固定范圍內(nèi)波動(dòng),對于相機(jī)來說外界的光照條件幾乎沒有發(fā)生變化,這樣就減少了對相機(jī)的白平衡調(diào)整。為了實(shí)現(xiàn)白平衡調(diào)整,在FPGA外部掛了一片DSP芯片和一片SRAM。由DSP芯片控制SRAM實(shí)現(xiàn)白平衡因子計(jì)算。具體操作過程如下,當(dāng)彩色顯示偏向于某一種顏色時(shí),DSP控制FPGA向SRAM中存儲一幅完整的圖像,之后DSP從SRAM中讀出數(shù)據(jù),計(jì)算得出參數(shù)值Gray_para、R_para、G_para和B_para,利用公式(8～10)得出白平衡因子a、b和c,隨后送到FPGA中相應(yīng)的參數(shù)寄存器中。FPGA重新開始對圖像進(jìn)行解碼,計(jì)算出R、G和B分量然后乘上FPGA中參數(shù)寄存器中的白平衡因子a、b和c,最后輸出彩色圖像。4彩色圖像白平衡校正實(shí)驗(yàn)一,Bayer濾波器解碼后還原的彩色圖像(見圖4～6)。從實(shí)驗(yàn)一可以看出:如果不進(jìn)行Bayer解碼,直接輸出圖像為灰度圖像(圖4),經(jīng)過Bayer解碼后的彩色圖像如果不進(jìn)行白平衡校正,彩色顯示將會失真(圖5),而經(jīng)過白平衡校正的圖像(圖6)不僅色彩逼真,而且相對于原始圖像可以很容易分辨出圖像的細(xì)微結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)二,光照變化下還原的彩色圖像(圖7～8)。在實(shí)驗(yàn)二中,通過比較可以看出:當(dāng)外界光線變強(qiáng)時(shí),如果不進(jìn)行自動(dòng)調(diào)光處理,Bayer解碼后,圖像的色彩也會發(fā)生了失真,并且部分地方出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象(