數字圖像倍焦系統設計與實(shí)現綜合實(shí)例之：系統工作原理分析

12.2 系統工作原理分析

如前所述，本系統主要完成對輸入視頻圖像的兩倍放大。圖像的放大主要是通過(guò)插值算法來(lái)實(shí)現的，下面詳細分析如何應用雙線(xiàn)性插值算法來(lái)實(shí)現倍焦功能。

1．符號約定

首先對系統工作原理分析中用到的符號做一個(gè)約定：

表示像素點(diǎn)坐標，在本系統中。

表示原始圖像，其寬度為，高度為。

表示倍焦后圖像，其寬度為，高度為。

通過(guò)雙線(xiàn)性插值完成數字倍焦功能，即將原始圖像插值為原來(lái)2倍大小，仍然以原來(lái)的分辨率輸出，即´x。

2．雙線(xiàn)性插值原理描述

對新圖像中每一點(diǎn)為，在本系統中，查找其在原圖像中的相鄰位置。

點(diǎn)的灰度值的計算公式為（12-1）。

（12.1）

公式（12-1）中需要計算的數值為，如公式（12-2）～（12-5）所示。

（12.2）

（12.3）

（12.4）

（12.5）

3．硬件實(shí)現的簡(jiǎn)化

為減少硬件計算的復雜性，對的算法做如下處理。

（1）硬件乘法器是必須的，用以完成和的計算，但由于：

所以可以考慮只用8bit´8bit硬件乘法器（而不是16bit´8bit硬件乘法器），即如公式（12-6）所示。

公式（12-6）

（2）求權重的公式已經(jīng)寫(xiě)成關(guān)于、的函數的形式，該函數可以通過(guò)離線(xiàn)計算并存儲一張表格（“權重表”）的方法實(shí)現。該表的大小為256´8bit。注意求查詢(xún)的是同樣的表格。

4．算法優(yōu)化

（1）乘法器設計的簡(jiǎn)化。

在的計算過(guò)程中，需要一個(gè)常數乘法器(´181)，通過(guò)查表完成。而也需要查表，查表也需要一個(gè)周期來(lái)完成。如果用同一個(gè)表，那么需要串行查出，速度太慢。如果要同時(shí)查出來(lái)，需要多個(gè)表，片內存儲器太大。

因此，在計算過(guò)程中需要使用移位和加法進(jìn)行配合，來(lái)提高運算速度。

基于這個(gè)考慮，將放到2倍的條件放寬到2.25倍，即用1.5´1.5來(lái)替代1.414´1.414。這樣，公式（12-2）～（12-5）就簡(jiǎn)化為公式（12-7）～（12-10）的形式。

公式（12-7）

公式（12-8）

公式（12-9）

公式（12-10）

這樣，不必查表產(chǎn)生，而是1/3和2/3交替。關(guān)于除3的操作，可以通過(guò)一個(gè)256´8bit的查找表來(lái)完成。

需要說(shuō)明的是，經(jīng)過(guò)上面的調整，放大的倍數為2.25倍，而不是2倍。

（2）行列的處理順序的優(yōu)化。

原算法中水平和垂直方向同時(shí)插值，需要4個(gè)像素類(lèi)計算。但是，實(shí)際硬件實(shí)現過(guò)程中如果讀取4個(gè)數據來(lái)計算一個(gè)像素點(diǎn)，那么輸出很難保證連續，而且速度太慢。因此，實(shí)現過(guò)程中，對整場(chǎng)圖像先做行插值，再做列插值。即將二維線(xiàn)性插值轉為兩個(gè)一維線(xiàn)性插值，如公式（12-11）所示。

公式（12-11）

其中依次取1/3和2/3。這樣每次插值操作只與兩個(gè)像素值有關(guān)，一個(gè)是前一個(gè)像素（寄存器中），另一個(gè)是當前讀出的像素。

當接收原始幀時(shí)，在裁剪后寫(xiě)入SRAM過(guò)程中完成行插值；從SRAM讀出過(guò)程完成列插值，并輸出。

考慮到視頻信號是按行掃描的，而且是隔行掃描，因此處理過(guò)程以場(chǎng)為單位。

（3）硬件實(shí)現簡(jiǎn)化前后的結果對比。

從圖12.1和12.2的對比圖中可以看出，放大2.25倍的圖像視野上要比放大2倍的圖像小一些，但是圖像質(zhì)量并沒(méi)有明顯降低。

圖12.1 放大2倍后的圖像 圖12.2 放大2.25倍后的圖像