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数字图像处理中颜色重建与校正技术研究

作　者: 陈道清
导　师: 姚素英
学　校: 天津大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: CMOS图像传感器 ISP 颜色重建 颜色校正 Lab颜色空间
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


20世纪90年代以来,随着超大规模集成电路(VLSI)的高速发展,CMOS图像传感器也呈现出良好的发展势头,与CMOS图像传感器配套的图像处理算法和SoC芯片的研究也日趋升温。未来几年,CMOS元件将进一步占领消费类数码相机市场。CMOS图像传感器的广泛应用将带动一系列图像处理(ISP)核心技术的快速进展,本文所研究的颜色重建和颜色校正技术便是数字图像处理中针对颜色处理的核心技术。本文的颜色重建和校正系统主要包括自动白平衡(Auto White Balance,AWB),颜色插值(Color Interpolation,CI)和颜色校正(Auto Color Correction,ACC)三种图像处理技术。颜色插值和颜色校正处理的位置相对固定,一般对Bayer格式的图像插值之后,随即进行颜色校正处理。插值之后,处理的数据量将是插值之前数据量的3倍。为了节省硬件单元,本文把自动白平衡处理放在颜色插值前进行;另一方面,本文提出的颜色校正方法要求图像必须经过白平衡处理。基于以上考虑,该系统中各模块的顺序依次为自动白平衡,颜色插值和颜色校正。本文的主要创新之处是基于Lab颜色空间的颜色校正方法的研究。通过分析图像产生色偏的原因,讨论常用颜色校正方法及其存在的问题,基于Lab颜色空间,运用数学中的求导、求解均方差最小化问题等方法推导校正矩阵,所得矩阵可以直接对RGB图像进行颜色校正处理。矩阵推导简单,硬件电路设计满足图像处理实时性要求。最终将自动白平衡(AWB)、颜色插值(CI)和颜色校正(ACC)集成到一起,在Altera公司的Cyclone系列EP1C12Q240C8型号的FPGA上进行验证。插值后图像G分量的PSNR值可达45.8463,校正之后图像色差平均减少约15%左右,同时颜色校正是基于Lab颜色空间进行的,更符合人眼的视觉特性。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章 绪论  7-14
  1.1 研究背景  7-12
    1.1.1 CMOS 图像传感器发展现状  7-9
    1.1.2 基于CMOS 图像传感器的图像处理技术  9-12
  1.2 课题研究内容及意义  12
  1.3 论文主要工作及安排  12-14
第二章 基于CMOS 图像传感器的数字图像处理  14-20
  2.1 图像处理知识  15-17
  2.2 相机系统的图像处理流水线  17-18
  2.3 颜色重建和颜色校正架构设计  18-20
第三章 颜色相关理论和颜色校正矩阵推导  20-38
  3.1 色彩学基本原理  20-24
    3.1.1 色彩的形成  20-21
    3.1.2 色彩的属性  21
    3.1.3 颜色恒常性  21-22
    3.1.4 RGB 颜色空间  22-23
    3.1.5 Lab 颜色空间  23-24
  3.2 影响颜色重现的原因  24-29
    3.2.1 光源对颜色的影响  24-27
    3.2.2 图像采集、传输和显示设备对物体颜色的影响  27-29
  3.3 颜色校正方法  29-35
    3.3.1 基于映射的颜色校正方法  29-31
    3.3.2 基于光谱响应的方法  31-32
    3.3.3 相机系统中颜色校正算法的选择  32
    3.3.4 颜色校正矩阵的约束条件  32-33
    3.3.5 矩阵推导过程  33-35
  3.4 Matlab 图形用户界面  35-36
  3.5 本章小结  36-38
第四章 颜色重建和校正系统的硬件实现  38-52
  4.1 改进的自动白平衡技术  38-44
    4.1.1 白平衡算法关键模块设计  39-41
    4.1.2 白平衡模块仿真结果  41-42
    4.1.3 白平衡算法硬件实现  42-44
  4.2 颜色插值技术  44-47
    4.2.1 基于像素方向性的颜色插值算法  45-46
    4.2.2 颜色插值算法仿真效果与性能分析  46-47
  4.3 颜色校正技术  47-49
    4.3.1 颜色校正仿真结果  47-48
    4.3.2 颜色校正硬件实现  48-49
  4.4 颜色重建与校正系统集成框图  49-52
第五章 实验结果和讨论  52-59
  5.1 颜色处理效果的评价体系  53-54
    5.1.1 欧拉距离  53
    5.1.2 PSNR 值  53-54
    5.1.3 Lab 空间色差  54
  5.2 自动白平衡效果评价  54-55
  5.3 颜色插值效果评价  55-56
  5.4 颜色校正效果评价  56-58
  5.5 颜色重建与颜色校正系统整体效果验证  58-59
第六章 总结与展望  59-61
参考文献  61-64
发表论文和参加科研情况说明  64-65
致谢  65

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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