使用Zynq-7000 All Programmable SoC實(shí)現(xiàn)圖像傳感器色彩校正

　　摘要：我們?cè)诒疚慕榻B的算法闡述了如何使用運(yùn)行在嵌入式處理器(諸如Zynq處理平臺(tái)采用的ARM9核)上的軟件，控制執(zhí)行像素級(jí)色彩校正的定制圖像和視頻處理算法。

　　圖像視頻傳感器廣泛用于手機(jī)、視頻監(jiān)視產(chǎn)品、汽車以及導(dǎo)彈系統(tǒng)等各種應(yīng)用。幾乎所有這些應(yīng)用都要求白平衡校正(也稱為色彩校正)，以便生成無論是在日光、白熾燈、熒光燈還是其它光照條件下都會(huì)產(chǎn)生與人眼視覺相一致的圖像色彩。

　　對(duì)以前使用ASIC或ASSP器件的眾多開發(fā)人員來說，現(xiàn)在用賽靈思FPGA或Zynq-7000 All Programmable SoC這樣的可編程邏輯器件來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)白平衡校正可能會(huì)是一個(gè)全新的挑戰(zhàn)。首先讓我們看一下運(yùn)行在嵌入式處理器上的軟件(如運(yùn)行在Zynq-7000 All Programmable SoC上的ARM9處理系統(tǒng))是如何控制定制圖像/視頻處理邏輯來執(zhí)行實(shí)時(shí)像素級(jí)色彩/白平衡校正的。

　　要了解是如何實(shí)現(xiàn)這一功能，首先需要了解色彩知覺和相機(jī)校準(zhǔn)這些基本概念?！　?/p>

 

　　相機(jī)校準(zhǔn)

　　要測(cè)量一個(gè)自身不發(fā)光或不透光的小型均勻表面物體反射光的色彩和強(qiáng)度，取決于三大函數(shù)：光源的光譜功率分布(I(λ))、表面材質(zhì)的光譜反射特性(R(λ))、成像系統(tǒng)的光譜敏感性(S(λ))。

　　檢測(cè)器測(cè)量到的信號(hào)功率可表達(dá)為：
       
　　要得到有彩色圖像，攝影與攝像設(shè)備與人眼一樣，均使用有不同光譜響應(yīng)的相鄰傳感器。人的視覺依賴三類光敏視椎細(xì)胞來形成色彩知覺。在開發(fā)基于人類感知的色彩模型時(shí)，國際照明委員會(huì)(CIE)定義了三個(gè)色彩匹配函數(shù)。這三個(gè)函數(shù)可視為三個(gè)線性光檢測(cè)器的光譜敏感度曲線。三個(gè)線性光檢測(cè)器可產(chǎn)生CIE XYZ三色激勵(lì)值Px、Py和Pz，這三個(gè)值也被統(tǒng)稱為CIE標(biāo)準(zhǔn)觀察者。

　　數(shù)字圖像傳感器主要采用兩種方法測(cè)量三色刺激值。一種方法是在固有的單色光敏二極管上加一組濾色片陣列;另一種方法是使用堆疊光敏二極管測(cè)量光子吸收深度，這個(gè)深度與波長λ成正比。

　　但這兩種方法都不能產(chǎn)生與人眼相似的響應(yīng)。因此，不同的光檢測(cè)和復(fù)制設(shè)備的色彩測(cè)量值存在差異，即在拍攝具有相同(Iλ)和(Rλ)的相同場(chǎng)景，圖像傳感器的測(cè)量值與觀測(cè)者的目測(cè)值之間也存在差異。

　　因此，相機(jī)校準(zhǔn)的目的是轉(zhuǎn)換和校正相機(jī)或圖像傳感器測(cè)得的三色刺激值，實(shí)現(xiàn)與CIE標(biāo)準(zhǔn)觀察者相符的光譜響應(yīng)。

　　白平衡

　　您可觀察自然光以及火焰、白織燈或熒光燈等不同光照條件下的任何物體，發(fā)現(xiàn)人的視覺都會(huì)認(rèn)為物體有相同的顏色。這種現(xiàn)象被稱為“顏色適應(yīng)”或者“色彩恒常性”。但是，如果相機(jī)不具備針對(duì)不同光源進(jìn)行調(diào)整或自動(dòng)補(bǔ)償?shù)墓δ埽@得的色彩就會(huì)發(fā)生變化。而相機(jī)對(duì)這種情況進(jìn)行校正的行為，就稱為白平衡校正。

　　圖1右側(cè)的等式分別用于描述光源的光譜、場(chǎng)景中各種物質(zhì)的反射特性以及檢測(cè)器的光譜敏感度。這三者共同決定最終的色彩測(cè)量。因此即便是采用相同的檢測(cè)器，測(cè)量結(jié)果還是會(huì)把物體固有的色彩與光源的光譜混合在一起。只要滿足下列條件，就有可能實(shí)現(xiàn)白平衡，或者說將固有的反射特性R(λ)與光源的光譜I(λ)分離。

　　● 采用啟發(fā)法，比如光源上的空間頻率限制，或者先驗(yàn)性地知道物體的色彩。例如，在日光下拍攝場(chǎng)景時(shí)，可以預(yù)計(jì)光源的光譜特性將在整個(gè)圖像上保持恒定。與此相反，如果將圖像投影到白屏幕上，光源的光譜特性會(huì)隨像素發(fā)生顯著的變化，但場(chǎng)景(幕布)的反射特性保持恒定。如果光源的特性和發(fā)射特性均有顯著的變化，就難以將場(chǎng)景中的物體和光源區(qū)分開來。

　　● 檢測(cè)器的敏感度S(λ)和光源光譜I(λ)在觀測(cè)的光譜范圍內(nèi)不會(huì)為零。觀測(cè)者無法獲得光源光譜范圍外物體的任何反射特性信息。例如，如果場(chǎng)景中用單色紅光源照明，藍(lán)色物體和綠色物體都會(huì)是黑色。

　　早期方法

　　在數(shù)字成像系統(tǒng)中，已知光源的相機(jī)校準(zhǔn)問題可以表達(dá)為一個(gè)離散三維向量函數(shù)： 
       
　　其中F(x)為映射向量函數(shù)，為R、G、B主要色彩分量的離散向量(一般為8位、10位或12位)。根據(jù)是否要進(jìn)行線性映射以及是否要獨(dú)立校正色彩分量，該映射函數(shù)可按照表1分類?！　?/p>