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

　　摘要：我們在本文介紹的算法闡述了如何使用運行在嵌入式處理器(諸如Zynq處理平臺采用的ARM9核)上的軟件，控制執行像素級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、視頻監視產(chǎn)品、汽車(chē)以及導彈系統等各種應用。幾乎所有這些應用都要求白平衡校正(也稱(chēng)為色彩校正)，以便生成無(wú)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(jué)相一致的圖像色彩。

　　對以前使用ASIC或ASSP器件的眾多開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，現在用賽靈思FPGA或Zynq-7000 All Programmable SoC這樣的可編程邏輯器件來(lái)實(shí)現自動(dòng)白平衡校正可能會(huì )是一個(gè)全新的挑戰。首先讓我們看一下運行在嵌入式處理器上的軟件(如運行在Zynq-7000 All Programmable SoC上的ARM9處理系統)是如何控制定制圖像/視頻處理邏輯來(lái)執行實(shí)時(shí)像素級色彩/白平衡校正的。

　　要了解是如何實(shí)現這一功能，首先需要了解色彩知覺(jué)和相機校準這些基本概念?！　?/p>

 

　　相機校準

　　要測量一個(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度，取決于三大函數：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))、成像系統的光譜敏感性(S(λ))。

　　檢測器測量到的信號功率可表達為：
       
　　要得到有彩色圖像，攝影與攝像設備與人眼一樣，均使用有不同光譜響應的相鄰傳感器。人的視覺(jué)依賴(lài)三類(lèi)光敏視椎細胞來(lái)形成色彩知覺(jué)。在開(kāi)發(fā)基于人類(lèi)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。這三個(gè)函數可視為三個(gè)線(xiàn)性光檢測器的光譜敏感度曲線(xiàn)。三個(gè)線(xiàn)性光檢測器可產(chǎn)生CIE XYZ三色激勵值Px、Py和Pz，這三個(gè)值也被統稱(chēng)為CIE標準觀(guān)察者。

　　數字圖像傳感器主要采用兩種方法測量三色刺激值。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量光子吸收深度，這個(gè)深度與波長(cháng)λ成正比。

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

　　因此，相機校準的目的是轉換和校正相機或圖像傳感器測得的三色刺激值，實(shí)現與CIE標準觀(guān)察者相符的光譜響應。

　　白平衡

　　您可觀(guān)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)現人的視覺(jué)都會(huì )認為物體有相同的顏色。這種現象被稱(chēng)為“顏色適應”或者“色彩恒常性”。但是，如果相機不具備針對不同光源進(jìn)行調整或自動(dòng)補償的功能，獲得的色彩就會(huì )發(fā)生變化。而相機對這種情況進(jìn)行校正的行為，就稱(chēng)為白平衡校正。

　　圖1右側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器的光譜敏感度。這三者共同決定最終的色彩測量。因此即便是采用相同的檢測器，測量結果還是會(huì )把物體固有的色彩與光源的光譜混合在一起。只要滿(mǎn)足下列條件，就有可能實(shí)現白平衡，或者說(shuō)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)，可以預計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(zhù)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(zhù)的變化，就難以將場(chǎng)景中的物體和光源區分開(kāi)來(lái)。

　　● 檢測器的敏感度S(λ)和光源光譜I(λ)在觀(guān)測的光譜范圍內不會(huì )為零。觀(guān)測者無(wú)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，藍色物體和綠色物體都會(huì )是黑色。

　　早期方法

　　在數字成像系統中，已知光源的相機校準問(wèn)題可以表達為一個(gè)離散三維向量函數： 
       
　　其中F(x)為映射向量函數，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)。根據是否要進(jìn)行線(xiàn)性映射以及是否要獨立校正色彩分量，該映射函數可按照表1分類(lèi)?！　?/p>