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

　　馮·克里斯假設(shè)

　　相機(jī)校準(zhǔn)最簡單也是最常用的方法就是依據(jù)馮·克里斯假設(shè)[1]。這種方法旨在將色彩轉(zhuǎn)換為LMS色域，然后每個(gè)通道僅使用三個(gè)乘法器便可進(jìn)行校正。該假設(shè)假定通過單獨(dú)調(diào)整三種視椎細(xì)胞反應(yīng)的增益，就可以實(shí)現(xiàn)人視覺系統(tǒng)的色彩恒定性。這三種視椎細(xì)胞反應(yīng)的增益取決于感知環(huán)境，即色彩歷史和周邊環(huán)境。兩個(gè)輻射光譜f1和f2的視椎細(xì)胞反應(yīng)可以通過適當(dāng)選擇對角適應(yīng)矩陣D1和D2來匹配，即，使得D1 •S•f1 =D2•S•f2,。其中S為視椎細(xì)胞敏感度矩陣。在LMS(長中短波敏感視椎細(xì)胞反應(yīng)域)中，有：
       
　　這種方法的優(yōu)勢在于相對簡單，易于實(shí)現(xiàn)，僅使用三個(gè)并行乘法器，并將其作為數(shù)字圖像傳感器或圖像傳感器流水線(ISP)的一部分：
       
　　在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，使用RGB色域替代LMS域來調(diào)整通道增益。一種顏色(以白色為代表)通常用相等的R、G、B值來表示。但是，針對某種色彩調(diào)整感知視椎細(xì)胞反應(yīng)或R、G、B值，不能保證其它色彩也得到如實(shí)表達(dá)。

　　分量校正

　　對任何特定的色彩分量，馮•克里斯假設(shè)只能表達(dá)輸入和輸出之間的線性關(guān)系。假設(shè)用相似的數(shù)據(jù)表達(dá)(比如每分量8位、10位或12位)，除非k等于1.0，否則部分輸出動(dòng)態(tài)范圍就無法使用，或者部分輸入值對應(yīng)于需要剪切或鉗位的值。除了使用乘法器，還可以使用小規(guī)模的基于分量的查找表來表達(dá)任何定義輸入/輸出映射的函數(shù)。這樣在一個(gè)模塊中就可以實(shí)現(xiàn)傳感器/顯示器的非線性與伽馬校正。在采用FPGA圖像處理流水線實(shí)現(xiàn)方案中，可以使用賽靈思伽馬校正IP模塊來完成這一運(yùn)算。

　　完整查找表

　　相機(jī)校準(zhǔn)可為所有可能的相機(jī)輸入三色刺激值分配預(yù)期值。我們可以將所有可能的輸入RGB值預(yù)期值存儲(chǔ)在一個(gè)大型查找表中，但這種方案有兩個(gè)弊端。第一個(gè)問題是內(nèi)存大小。對10位的色彩分量而言，這個(gè)查找表將達(dá)到230字(4GB)的深度、30位的寬度。第二個(gè)問題是初始化值。一般來說，通過校正測量，只能建立數(shù)十到數(shù)百個(gè)相機(jī)輸入值/預(yù)期輸出值對。其余稀疏的查找表值必須通過內(nèi)插得到。這種內(nèi)插工作并不輕松，因?yàn)楫悩?gòu)分量輸入到輸出函數(shù)并非是單調(diào)或平滑的。圖2a所示即為R、G、B輸入(行)輸出(列)值的測量值與預(yù)期值對。

　　通過對內(nèi)插得到的經(jīng)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行視覺評估(圖2b)，結(jié)果表明內(nèi)插法與基于伽馬校正和色彩校正矩陣的解決方案相比并沒有明顯的質(zhì)量改進(jìn)。大多數(shù)圖像或視頻處理系統(tǒng)均受制于對外部存儲(chǔ)器的訪問帶寬。大型查找表要求使用外部存儲(chǔ)器;逐像素訪問需要很高的帶寬;而且查找表內(nèi)容是靜態(tài)的(難以逐幀重新編程)，會(huì)限制完整查找表解決方案在嵌入式視頻/圖像處理應(yīng)用中的實(shí)際使用。

　　色彩校正矩陣

　　我們在本文中介紹的校正方法將向您演示如何采用3×3矩陣乘法器進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，旨在讓測得的紅、綠和藍(lán)三種色彩分量正交化。這種方法與馮•克里斯方法相比的優(yōu)勢在于所有三個(gè)色彩通道都參與了校正過程。比如，在調(diào)整綠色通道增益時(shí)，可以結(jié)合紅色通道和藍(lán)色通道的信息。另外，這種方法還適合用同一模塊同步進(jìn)行相機(jī)校準(zhǔn)和白平衡校正，并逐幀更新矩陣系數(shù)以平滑匹配不斷變化的光源。

　　白平衡校正使用的兩種最簡單的算法是灰度世界算法和白點(diǎn)算法。這兩種方法均使用RGB色域。

　　灰度世界算法[2]依據(jù)這樣的啟發(fā)條件，即雖然場景中的不同物體有截然不同的顏色，場景顏色的平均值(紅、綠、藍(lán)三種顏色的平均值)應(yīng)該是中性的灰色。因此，一幀中R、G、B平均色值之差能體現(xiàn)出光源的顏色信息。校正的作用是進(jìn)行色彩轉(zhuǎn)換后使得到的平均色值完全相同。灰度世界算法相對容易實(shí)現(xiàn)。但是如果場景中出現(xiàn)大型運(yùn)動(dòng)物體，這種方法就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重誤差，導(dǎo)致原生的場景色彩掉色或變化。