基于FPGA的視頻監控時(shí)代

圖像信號處理(ISP)

圖像信號處理器(ISP)通常由多個(gè)視頻處理算法組成，對輸入的視頻流，以集束流水線(xiàn)的形式執行圖像增強和轉換功能。圖像流水線(xiàn)可以實(shí)現為軟件在計算機，FPGA或數字信號處理器(DSP)上運行，或作為一個(gè)專(zhuān)用應用標準產(chǎn)品(ASSP)。

圖3 用FPGA實(shí)現的圖像信號處理器(ISP)流水線(xiàn)

圖3中展示了一個(gè)典型的圖像處理流水線(xiàn)。從CMOS圖像傳感器接收到原始的傳感器數據。線(xiàn)性化之后，根據與它們相鄰的像素值校正有缺陷的傳感器像素。典型的圖像傳感器提供了灰度圖像，通過(guò)使用bayer濾波器(稱(chēng)為de-bayering)轉換成紅，綠和藍色。彩色校正矩陣(CCM)用來(lái)消除紅色，綠色和藍色像素之間的色度亮度干擾。

自動(dòng)曝光(AE)模塊自動(dòng)調整曝光時(shí)間，以彌補不斷變化的光照情況。HDR算法改進(jìn)了圖像的亮和暗區域的對比度(HDR將在下一節中做更詳細的解釋)。自動(dòng)白平衡(AWB)根據場(chǎng)景中的一個(gè)白色參考點(diǎn)對所有顏色作出調整。噪聲減小器消除噪聲，在不同的平滑顏色的區域?？梢?jiàn)有明顯錯誤顏色的隨機點(diǎn)。噪聲隨著(zhù)溫度和曝光時(shí)間而增大。伽瑪校正重新分配原本的攝相機色調級到更均勻的和更適合人眼觀(guān)看的水準，從而最有效地使用一個(gè)給定位的深度。

重疊功能使得文本和圖形能夠在視頻的頂部重疊，用于顯示菜單或攝相機的設置。根據特定的要求，可以添加額外的功能模塊?？梢宰兓瘔嚎s算法H.264或JPEG來(lái)達到這些要求，可運用運動(dòng)檢測、目標檢測，或人臉識別來(lái)進(jìn)行智能視頻分析。

HDR處理

圖像的質(zhì)量取決于各種因素，包括照明。根據照明情況，場(chǎng)景的部分區域可能太暗，而有些區域太亮。在這些區域往往看不到細節。丟失的細節可能在應用中是非常重要的，那里需要作出關(guān)鍵的決策。

圖4 HDR處理實(shí)例

動(dòng)態(tài)范圍(也稱(chēng)為圖像的最大對比度)描述圖像的最亮點(diǎn)到相同圖像最暗點(diǎn)之間的比率。人的眼睛能夠看到這兩個(gè)區域中的細節，但大多數圖像傳感器具有有限的動(dòng)態(tài)范圍，并且不能夠捕捉相同圖像在這兩個(gè)區域中的細節。為了能夠在高對比度區域看到細節，需要捕獲具有不同的曝光時(shí)間的同一場(chǎng)景的多個(gè)圖像。需要很短的曝光時(shí)間以捕獲非常明亮的區域，需要長(cháng)曝光時(shí)間以捕獲暗的區域。

具有不同曝光時(shí)間的圖像可以被組合成一個(gè)圖像，提高了圖像的動(dòng)態(tài)范圍。不同曝光時(shí)間的場(chǎng)景捕獲和這些圖像整合為一個(gè)圖像被稱(chēng)為高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)處理，也被稱(chēng)為寬動(dòng)態(tài)范圍(WDR)處理。HDR處理、全局和局部的色調映射算法被用來(lái)創(chuàng )建單一的圖像，擴展了動(dòng)態(tài)范圍，在相同圖像的高對比度區域中顯示出細節。動(dòng)態(tài)范圍通常以dB表示。好的HDR圖像的動(dòng)態(tài)范圍大于或等于90。例如，Aptina720p HDR傳感器(MT9M034)的動(dòng)態(tài)范圍為120dB。