面向SOC的自动白平衡算法研究及实现
发布时间：2021-11-19 16:26
近年来,随着智能手机、相机等设备的普及以及人工智能时代的到来,人们对图像质量提出了越来越高的要求。图像信号处理器是整个成像系统的核心,决定了最终图像质量。自动白平衡是整个图像信号处理器中的一个重要组成部分,用于修正受光源色温影响而出现的图像整体色偏问题,使图像更好的还原物体本身的颜色,进而提高图像质量。本文通过对多种自动白平衡算法的研究,从保证自动白平衡效果及适于硬件实现的角度出发,提出了一种基于色温曲线的改进的自动白平衡算法。该算法结合灰度世界算法及色温曲线白平衡算法,分析不同色系点B/G、R/G在不同色温情况下的分布,根据分布情况对图像中的灰色系点进行筛选,并将筛选后得到的点的信息作为白平衡处理的相关数据。白平衡处理过程中,为解决环境瞬时突变可能出现的图像过处理问题,增加了画面防抖动功能。同时采用自适应可变步长渐进调节策略,解决了显示画面受实时环境影响出现的闪烁问题,提高了用户实际体验。该算法规避了单色场景失效的情况,提高了自动白平衡算法实现效果,同时在保证计算精度的前提下降低了算法复杂度,降低了该算法硬件实现复杂度及硬件资源开销。在算法验证效果满足设计要求后,结合SOC整体架构设...
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
自动白平衡算法划分
玫母袷轿猂GB、YUV。（1）Bayer域色彩空间当前采集图像色彩时，一般通过使用滤镜进行采集所需信息，不同的滤镜可透过采集的信息不同。若需得到R、G、B三通道色彩信息，对每一个像素点来说均有三块滤镜。这将使滤镜材料成本大幅上升，同时由于其精密性，三块滤镜完全对齐也会花费大量成本[18]。当用Bayer格式进行图像采集时，很好的解决了这个问题。对RGB所需的三通道信息按一定的格式进行压缩，在每个像素点只采集一个通道的信息，这种方式即Bayer域色彩空间格式，具有四种不同格式，如图2.1所示：（a）（b）（c）（d）图2.1Bayer域色彩空间格式由图2.1可以发现无论哪种格式，G通道占比都是二分之一，是其他两通道占比之和。这是因为人类的视觉系统对绿色的敏感度高于其他两种颜色通道，因此增加了bayer格式下G通道的所占比例。（2）RGB域色彩空间RGB色彩空间，该色彩空间通过Red、Green、Blue三种色彩通道强度的不同组合来表示色彩，通过这种方式可以表示出所有当前已知的颜色。特别的，当R=G=B时表现出的颜色为灰色，R=G=B=0时表现出的颜色为黑色，R=G=B=Max（最大取值）时表现出的颜色为白色[19]。组合得到的颜色如公式（2.1）所示：h（2.1）可见，F的颜色是由其R、G、B值组合得到的，任意一个值的改变对最后得到的颜色情况均有改变。但这种色彩空间建模方式把三通道的的色调、亮度、饱和度完全放在一起表示[20]，在某些处理过程中存在局限性。（3）YUV域色彩空间YUV域，常常用于视频传输，其Y通道对应图像的亮度，而U、V两通道均对应色度。当只接受到亮度信息而未接收到色度信息时，图像呈现黑白状态。因此在许多国家通过这种方式来使得发出的视频信息可同时被彩色、黑白电视接收使用，分别接收各
2色彩学及图像信号处理技术9自所需信号即可[21]。该空间本质上来说是对RGB空间中信息的分离，可直接通过对RGB域进行矩阵变换得到，转换公式如式（2.2）所示：hhhhhhh（2.2）2.1.3颜色恒常性在不同光源下能够保持相同色彩的能力叫颜色恒常性。人类能够感受到物体的颜色，是因为光线照射在物体上时，其中部分特定波长的光线被物体表面所吸收，而另一部分波长的光则会被物体表面反射出来，人类的视觉系统对其进行了捕获，在视觉上则是获得了该物体的颜色[22]。我们知道物体本身所呈现的具体颜色与光源色温息息相关，光源的改变往往会带来具体颜色的改变。但现实中光照的颜色发生变化时，人类视觉系统所受到的影响并不显著，对同一物体观察到的颜色在光照颜色变化前后几乎没有什么变化。如当进入从较亮环境进入一个偏暗环境时，虽然在刚进入时会感到整个环境偏暗[23]，看环境内物体会出现颜色色偏现象，但经过一段时间适应环境后，再看环境内物体会发现这种色偏消失了，其对物体的感知恢复了物体本身的颜色。这种颜色恒常性是我们人类的一项重要的感知能力，能够通过经验自动的进行物体色偏的校正，即自动白平衡。2.2图像成像技术简介目前而言，相机或摄像机的基本架构，如图2.2所示:图2.2图像成像过程由图2.2可以看出，图像成像过程大致可分为以下三个过程：1）镜头聚焦拍摄对象反射的光并投射相应感光介质上进行曝光，完成光电信息之间的转换。2）电信号经过放大、滤波等处理后通过模数转换器，由模拟信号转换成数字信号。3）数字信号在图像信号处理器（ISP）中，进行色彩校正、降噪、白平衡、锐化、压缩等相关处理，最后对处理后的图像信息进行输出，并进行存储。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FPGA的实时MIPI CSI-2图像采集与处理系统[J]. 李先友,赵曙光,段永成,王建强. 电子技术应用. 2019(01)
[2]基于SoC的小型集成化视频采集处理系统研究[J]. 苏红. 计算机测量与控制. 2018(12)
[3]一种改进的暗通道先验水下彩色图像复原算法[J]. 胡学龙,张文,胡铸鑫,陆慧敏. 扬州大学学报(自然科学版). 2018(04)
[4]基于暗通道先验和灰度世界的自动白平衡算法改进[J]. 李晓川,黄成强,祝永新,田犁,闵嘉华,汪辉. 工业控制计算机. 2018(11)
[5]图像拼接篡改的自动色温距离分类检验方法[J]. 孙鹏,郎宇博,樊舒,沈喆,彭思龙,刘磊. 自动化学报. 2018(07)
[6]夜间图像的白平衡算法研究与实现[J]. 陈光化,张犁. 微电子学与计算机. 2018(03)
[7]一种暗通道优先的快速自动白平衡算法[J]. 王飞,王伟. 光电工程. 2018(01)
[8]基于局部色温估计的电子内镜图像自动白平衡算法[J]. 白昆仑,陈晓冬,孙学斌,汪毅,郁道银,孙刚,扬云生. 中国生物医学工程学报. 2015(04)
[9]基于异构多核构架的红外与可见光实时融合系统[J]. 熊伟,杨红雨,袁学东,李晓峰. 四川大学学报(工程科学版). 2015(S2)
[10]一种基于基本色系的自动白平衡方法[J]. 羊海龙. 浙江科技学院学报. 2015(01)
博士论文
[1]彩色数字相机成像系统的关键性技术研究[D]. 郭惠楠.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2014
硕士论文
[1]无人机相机自动曝光与自动白平衡算法的研究与实现[D]. 罗青松.长安大学 2018
[2]摄像机自动聚焦与白平衡算法研究及实现[D]. 张朵朵.西安电子科技大学 2017
[3]基于色偏检测及Green通道的白平衡研究[D]. 朱鹏.西安电子科技大学 2015
[4]基于图像分析的3A算法研究[D]. 杜磊.西安电子科技大学 2014
[5]基于R/G-B/G直方图自动白平衡算法的研究与实现[D]. 李锐锋.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3505422
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
自动白平衡算法划分
玫母袷轿猂GB、YUV。（1）Bayer域色彩空间当前采集图像色彩时，一般通过使用滤镜进行采集所需信息，不同的滤镜可透过采集的信息不同。若需得到R、G、B三通道色彩信息，对每一个像素点来说均有三块滤镜。这将使滤镜材料成本大幅上升，同时由于其精密性，三块滤镜完全对齐也会花费大量成本[18]。当用Bayer格式进行图像采集时，很好的解决了这个问题。对RGB所需的三通道信息按一定的格式进行压缩，在每个像素点只采集一个通道的信息，这种方式即Bayer域色彩空间格式，具有四种不同格式，如图2.1所示：（a）（b）（c）（d）图2.1Bayer域色彩空间格式由图2.1可以发现无论哪种格式，G通道占比都是二分之一，是其他两通道占比之和。这是因为人类的视觉系统对绿色的敏感度高于其他两种颜色通道，因此增加了bayer格式下G通道的所占比例。（2）RGB域色彩空间RGB色彩空间，该色彩空间通过Red、Green、Blue三种色彩通道强度的不同组合来表示色彩，通过这种方式可以表示出所有当前已知的颜色。特别的，当R=G=B时表现出的颜色为灰色，R=G=B=0时表现出的颜色为黑色，R=G=B=Max（最大取值）时表现出的颜色为白色[19]。组合得到的颜色如公式（2.1）所示：h（2.1）可见，F的颜色是由其R、G、B值组合得到的，任意一个值的改变对最后得到的颜色情况均有改变。但这种色彩空间建模方式把三通道的的色调、亮度、饱和度完全放在一起表示[20]，在某些处理过程中存在局限性。（3）YUV域色彩空间YUV域，常常用于视频传输，其Y通道对应图像的亮度，而U、V两通道均对应色度。当只接受到亮度信息而未接收到色度信息时，图像呈现黑白状态。因此在许多国家通过这种方式来使得发出的视频信息可同时被彩色、黑白电视接收使用，分别接收各
2色彩学及图像信号处理技术9自所需信号即可[21]。该空间本质上来说是对RGB空间中信息的分离，可直接通过对RGB域进行矩阵变换得到，转换公式如式（2.2）所示：hhhhhhh（2.2）2.1.3颜色恒常性在不同光源下能够保持相同色彩的能力叫颜色恒常性。人类能够感受到物体的颜色，是因为光线照射在物体上时，其中部分特定波长的光线被物体表面所吸收，而另一部分波长的光则会被物体表面反射出来，人类的视觉系统对其进行了捕获，在视觉上则是获得了该物体的颜色[22]。我们知道物体本身所呈现的具体颜色与光源色温息息相关，光源的改变往往会带来具体颜色的改变。但现实中光照的颜色发生变化时，人类视觉系统所受到的影响并不显著，对同一物体观察到的颜色在光照颜色变化前后几乎没有什么变化。如当进入从较亮环境进入一个偏暗环境时，虽然在刚进入时会感到整个环境偏暗[23]，看环境内物体会出现颜色色偏现象，但经过一段时间适应环境后，再看环境内物体会发现这种色偏消失了，其对物体的感知恢复了物体本身的颜色。这种颜色恒常性是我们人类的一项重要的感知能力，能够通过经验自动的进行物体色偏的校正，即自动白平衡。2.2图像成像技术简介目前而言，相机或摄像机的基本架构，如图2.2所示:图2.2图像成像过程由图2.2可以看出，图像成像过程大致可分为以下三个过程：1）镜头聚焦拍摄对象反射的光并投射相应感光介质上进行曝光，完成光电信息之间的转换。2）电信号经过放大、滤波等处理后通过模数转换器，由模拟信号转换成数字信号。3）数字信号在图像信号处理器（ISP）中，进行色彩校正、降噪、白平衡、锐化、压缩等相关处理，最后对处理后的图像信息进行输出，并进行存储。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FPGA的实时MIPI CSI-2图像采集与处理系统[J]. 李先友,赵曙光,段永成,王建强. 电子技术应用. 2019(01)
[2]基于SoC的小型集成化视频采集处理系统研究[J]. 苏红. 计算机测量与控制. 2018(12)
[3]一种改进的暗通道先验水下彩色图像复原算法[J]. 胡学龙,张文,胡铸鑫,陆慧敏. 扬州大学学报(自然科学版). 2018(04)
[4]基于暗通道先验和灰度世界的自动白平衡算法改进[J]. 李晓川,黄成强,祝永新,田犁,闵嘉华,汪辉. 工业控制计算机. 2018(11)
[5]图像拼接篡改的自动色温距离分类检验方法[J]. 孙鹏,郎宇博,樊舒,沈喆,彭思龙,刘磊. 自动化学报. 2018(07)
[6]夜间图像的白平衡算法研究与实现[J]. 陈光化,张犁. 微电子学与计算机. 2018(03)
[7]一种暗通道优先的快速自动白平衡算法[J]. 王飞,王伟. 光电工程. 2018(01)
[8]基于局部色温估计的电子内镜图像自动白平衡算法[J]. 白昆仑,陈晓冬,孙学斌,汪毅,郁道银,孙刚,扬云生. 中国生物医学工程学报. 2015(04)
[9]基于异构多核构架的红外与可见光实时融合系统[J]. 熊伟,杨红雨,袁学东,李晓峰. 四川大学学报(工程科学版). 2015(S2)
[10]一种基于基本色系的自动白平衡方法[J]. 羊海龙. 浙江科技学院学报. 2015(01)
博士论文
[1]彩色数字相机成像系统的关键性技术研究[D]. 郭惠楠.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2014
硕士论文
[1]无人机相机自动曝光与自动白平衡算法的研究与实现[D]. 罗青松.长安大学 2018
[2]摄像机自动聚焦与白平衡算法研究及实现[D]. 张朵朵.西安电子科技大学 2017
[3]基于色偏检测及Green通道的白平衡研究[D]. 朱鹏.西安电子科技大学 2015
[4]基于图像分析的3A算法研究[D]. 杜磊.西安电子科技大学 2014
[5]基于R/G-B/G直方图自动白平衡算法的研究与实现[D]. 李锐锋.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3505422
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