基于FPGA+DSP技術(shù)的Bayer格式圖像預處理

高分辨率圖像實(shí)時(shí)處理在通信、醫學(xué)、軍事、航天航空、信息安全等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用和發(fā)展。在圖像實(shí)時(shí)處理的過(guò)程中，下層圖像預處理的數據量大，運算簡(jiǎn)單，但是要求運算速率高，可以用FPGA硬件來(lái)處理，上層所處理的數據量少，算法結構復雜，適于運算速度快，尋址靈活的DSP數字信號處理器進(jìn)行處理。這里提出了一種FPGA+DSP相結合的實(shí)時(shí)圖像處理系統，并應用于傳像光線(xiàn)束傳遞圖像。CMOS實(shí)際采集的是光線(xiàn)束的出端圖像，FPGA將CMOS采集的Bayer格式的圖像轉換為RGB格式的亮度信號。由于光纖出、入端結構不同，需要DSP準確每根光纖的中心位置，重新排序才能輸出正確的圖像信息。該系統充分發(fā)揮了FPGA和DSP各自的優(yōu)勢，能更好地提高圖像處理的實(shí)時(shí)性，降低成本。

1 Bayer圖像格式
CMOS圖像傳感器作為一種基礎器件可以實(shí)現信息的采集、轉換以及視覺(jué)功能的擴展，并能直觀(guān)真實(shí)地給出可視圖像信息。系統中CMOS圖像傳感器輸出2 592x1 944x12 bit的Bayer格式的圖像(該格式的圖像本身就是數字信號，因此無(wú)需對圖像進(jìn)行模數轉換)，Bayer圖像格式如圖1所示。在圖l中，每個(gè)方格代表一個(gè)像素，并且只含有R、G、B中的一種顏色分量，奇數行由G、R像素交替構成，偶數行由B、G像素交替進(jìn)行，其中G像素分量占所有像素的一半，R像素和G像素占另一半。因為G像素分量是R、B像素分量的2倍，所以如果G像素分量采用好的插值方法，不僅可以提高G像素分量的質(zhì)量，也能提高R和B像素分量的質(zhì)量。由于TMS320DM642的video port capture接口的數據總線(xiàn)是8位或者16位(該系統采用了更適合DSP處理的8位數據)，所以為了后續的DSP能夠更好的處理數據并減少DSP的運算量，需要使用FPGA先將輸出的圖像數據取高8位，然后依據每個(gè)像素點(diǎn)與相鄰8個(gè)像素點(diǎn)之間的關(guān)系，使用雙線(xiàn)性插值法將Bayer圖像格式轉換成24位的RGB圖像格式和亮度信號，然后將處理后的數據發(fā)送給DSP。

2 圖像數據處理的工作原理
2．1 Bayer圖像的格式轉換
雙線(xiàn)性插值法具有算法計算量少，算法結構簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，占硬件資源少等優(yōu)點(diǎn)，本系統中更適合FPGA實(shí)現。雙線(xiàn)性插值法的基本原理是將每個(gè)像素位置上缺少的另外兩種色彩分量通過(guò)該像素本身為中心的領(lǐng)域內具有相同分量的像素平均獲得，即將每個(gè)像素的RGB分量都以該點(diǎn)像素為中心的3x3像素矩陣進(jìn)行線(xiàn)性插值而成。按照這種思路可以將圖像中的3x3矩陣分成4類(lèi)，如表1所示。

每種圖像矩陣中間的像素點(diǎn)為待插值的數據源，設R(x,y)、G(x,y)、B(x,y)為插值計算后該點(diǎn)紅、綠、藍像素分量。當像素位于奇數行奇數列計算公式為：