周楨

摘 要： 提出一種基于FPGA與DSP的實(shí)時(shí)視頻圖像偏色校正系統(tǒng)，包括數(shù)字視頻解碼芯片、FPGA、DSP以及數(shù)字視頻編碼芯片。該系統(tǒng)能以一種格式接收視頻圖像信號并以相同的格式輸出，輸出偏色校正后的視頻信號相比輸入的視頻信號而言，延遲非常小，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，是一種較為實(shí)用的視頻圖像偏色校正系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： 實(shí)時(shí)系統(tǒng)； 顏色校正； 顏色恒常性； FPGA

中圖分類號： TN911.73?34； TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）12?0077?03

0 引 言

通過可見光成像系統(tǒng)采集的視頻圖像往往因?yàn)榄h(huán)境光照的影響存在偏色的問題，這是因?yàn)槌上裣到y(tǒng)不能夠?qū)ψ兓沫h(huán)境光照條件做出對應(yīng)的光譜響應(yīng)，使得圖像的顏色范圍發(fā)生了偏移，也引起了圖像偏色。因此，需要利用視頻圖像偏色校正技術(shù)對圖像的顏色范圍進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，使其與人眼視覺系統(tǒng)對場景真實(shí)顏色的感知相吻合，這對于可見光成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的提高有著重要的意義。

現(xiàn)有技術(shù)中，關(guān)于偏色校正的方法很多，比如白點(diǎn)法[1]、灰色調(diào)法[2]、灰度世界假設(shè)方法[3]等。其中，灰度世界假設(shè)方法認(rèn)為平均場景反射分量是沒有顏色的，并以此假設(shè)為基礎(chǔ)利用輸入圖像的R、G、B三個(gè)分量計(jì)算出偏色校正系數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對圖像的偏色校正。文獻(xiàn)[4]提出了灰度邊緣假設(shè)方法，認(rèn)為場景反射分量導(dǎo)數(shù)的范數(shù)是沒有顏色的，而后利用此假設(shè)進(jìn)行偏色校正系數(shù)的估計(jì)。此外，文獻(xiàn)[4]結(jié)合上述的幾種方法建立了一個(gè)統(tǒng)一的顏色恒常性計(jì)算框架。文獻(xiàn)[5]對多種偏色校正方法進(jìn)行了綜述和比較。文獻(xiàn)[6] 提出了一種偏色校正系數(shù)的層級計(jì)算模型，在該模型中，各層級分別模擬了人眼視覺系統(tǒng)中從視網(wǎng)膜到初生視覺皮層的顏色處理機(jī)制。通過對這些偏色校正方法進(jìn)行仿真和比較，發(fā)現(xiàn)灰度世界假設(shè)方法具有計(jì)算過程相對簡單以及校正效果與人眼視覺感知非常一致等優(yōu)點(diǎn)。

雖然現(xiàn)有技術(shù)中偏色校正的方法較多，但是實(shí)時(shí)視頻圖像偏色校正系統(tǒng)并沒有成熟型號產(chǎn)品。偏色校正系統(tǒng)多采用將圖像采集到計(jì)算機(jī)后在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行偏色校正的方案，該方案需要依賴于計(jì)算機(jī)，給實(shí)際應(yīng)用帶來諸多不便，具有很大的局限性。針對此問題，本文提出一種基于FPGA與DSP的實(shí)時(shí)視頻圖像偏色校正系統(tǒng)，該系統(tǒng)對灰度世界假設(shè)方法[3]進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，利用上一幀計(jì)算得到的偏色校正系數(shù)對下一幀進(jìn)行偏色校正，不僅不需要對一幀圖像進(jìn)行存儲，而且使得輸出的偏色校正后的視頻信號相比輸入的視頻信號延遲非常小，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可有效提高可見光成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，本文提出的基于FPGA與DSP的實(shí)時(shí)視頻圖像偏色校正系統(tǒng)，硬件上包括數(shù)字視頻解碼芯片、FPGA、DSP以及數(shù)字視頻編碼芯片。其中，數(shù)字視頻解碼芯片采用DS90CR286，F(xiàn)PGA采用EP3SE110F1152，DSP采用TMS320C6455，數(shù)字視頻編碼芯片采用DS90CR285。

端口連接方式為：FPGA的端口R[7：0]、G[7：0]、B[7：0]、F1、L1、CLK1與數(shù)字視頻解碼芯片的R[7：0]、G[7：0]、B[7：0]、F1、L1、CLK1相連；FPGA的端口R[7：0]、G[7：0]、B[7：0]、F2、L2、CLK2與數(shù)字視頻編碼芯片的R[7：0]、G[7：0]、B[7：0]、F2、L2、CLK2相連；FPGA的端口SR[31：0]、SG[31：0]、SB[31：0]、INT與DSP的SR[31：0]、SG[31：0]、SB[31：0]、INT相連；FPGA的端口WR[15：0]、WG[15：0]、WB[15：0]與DSP的WR[15：0]、WG[15：0]、WB[15：0]相連。

由于灰度世界假設(shè)方法的計(jì)算過程與其他偏色校正方法相比相對簡單，且校正效果與人眼視覺感知非常一致，因此，提出的偏色校正系統(tǒng)通過協(xié)同F(xiàn)PGA與DSP對灰度世界假設(shè)方法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。其中，F(xiàn)PGA用于實(shí)現(xiàn)該方法中的像素累加和偏色校正部分，DSP用于實(shí)現(xiàn)偏色校正系數(shù)的計(jì)算。接下來，將詳細(xì)闡述各個(gè)實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)。

2 實(shí)現(xiàn)步驟

偏色校正系統(tǒng)具體的實(shí)現(xiàn)步驟為：

步驟1：輸入的CameraLink格式彩色數(shù)字視頻信號經(jīng)數(shù)字視頻解碼芯片解碼后分解為彩色RGB信號（R[7：0]、G[7：0]、B[7：0]）、幀同步F1、行同步L1、像素時(shí)鐘信號CLK1傳遞給FPGA。

步驟2：在FPGA中，彩色RGB信號（R[7：0]、G[7：0]、B[7：0]）在幀同步F1、行同步L1、像素時(shí)鐘信號CLK1的控制下用于像素累加計(jì)算出3個(gè)累加數(shù)SR[31：0]、SG[31：0]、SB[31：0]，而后，SR[31：0]、SG[31：0]、SB[31：0]隨同F(xiàn)PGA產(chǎn)生的中斷信號INT傳遞給DSP，3個(gè)累加數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：除以256通過右移8位來實(shí)現(xiàn)。

由于處理的對象為視頻圖像，前后兩幀的關(guān)聯(lián)性非常大，也即利用上一幀計(jì)算得到的偏色校正系數(shù)可以用于下一幀進(jìn)行偏色校正。這樣做不僅不需要對一幀圖像進(jìn)行存儲，而且使得輸出的視頻信號相比輸入的視頻信號延遲非常小。此外，由于偏色校正計(jì)算過程需要兩個(gè)像素時(shí)鐘周期，于是，通過將幀同步F1、行同步L1、像素時(shí)鐘信號CLK1延遲兩個(gè)像素時(shí)鐘周期賦給F2、L2、CLK2實(shí)現(xiàn)校正后的彩色RGB信號與這些同步信號之間的同步。

步驟5：數(shù)字視頻編碼芯片將校正后的彩色RGB信號（R[7：0]、G[7：0]、B[7：0]）、幀同步F2、行同步L2、像素時(shí)鐘信號CLK2編碼并形成CameraLink格式彩色數(shù)字視頻信號輸出。至此，完成偏色校正過程。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用能夠輸出分辨率為1 024×768的CameraLink格式彩色數(shù)字視頻的可見光成像設(shè)備作為偏色校正系統(tǒng)的輸入，針對不同的場景進(jìn)行相應(yīng)的偏色校正實(shí)驗(yàn)。圖2（a）為其中一個(gè)場景未經(jīng)校正的有偏色圖像，圖2（b）為是同一場景經(jīng)本文提出的校正系統(tǒng)校正后的圖像。顯然，經(jīng)過校正后的圖像與人眼對場景真實(shí)顏色的感知是相吻合的。

4 結(jié) 語

本文提出的偏色校正系統(tǒng)利用FPGA與DSP協(xié)作實(shí)現(xiàn)了基于灰度世界假設(shè)的偏色校正方法，能夠?qū)⒁曨l圖像的顏色范圍校正到與人眼對場景真實(shí)顏色的視覺感知相吻合，并且能以一種格式接收視頻圖像信號并以相同的格式輸出，易于將其集成到一個(gè)系統(tǒng)中，而不用對系統(tǒng)的接口進(jìn)行更改。此外，該系統(tǒng)輸出的偏色校正后的視頻信號相比輸入的視頻信號而言，延遲非常小，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。

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