應用FPGA實現CFA適應性權值色彩插補演算法

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題名:	應用FPGA實現CFA適應性權值色彩插補演算法
作者:	王保發黃世演
貢獻者:	電子工程系
關鍵詞:	現場可規劃邏輯閘陣列色彩濾波器陣列解馬賽克色彩插補
日期:	2011-07
上傳時間:	2013-08-05 13:26:22 (UTC+8)
出版者:	台中;國立勤益科技大學
摘要:	目前消費型數位相機為單一光感測器架構，透過貝爾格式(Bayer pattern)的色彩濾波器陣列(color filter array, CFA)取樣紅、綠、藍三種顏色(簡稱三原色)排列的像素陣列。光感測器上每一個像素位置只取樣一種色彩，這些色彩像素的排列樣式如同馬賽克一般。解馬賽克演算法(demosaicing)，或稱色彩插補 (color interpolation)，此方法用來估測未被取樣的另外兩種色彩，來完成全彩影像的重建。由於CFA取樣色彩中以綠原色最多，因此優先重建像素的綠色原色，可以獲得良好的影像重建品質。而在重建像素的紅、藍色原色時，典型的作法是利用基於高光譜相關性的方法來估測像素色彩。為了提升重建品質，常見的作法是利用邊跡偵測來選擇插補公式。例如，自適性次頻帶插補法(adaptive sub-band interpolation, ASCI)使用二維離散小波轉換，偵測水平及垂直邊跡，根據這些邊跡梯度的強弱程度建立複數個閥值，藉以對應到合適的加權值。因此，ASCI演算法可以獲得良好的影像重建品質。然而在硬體設計上，頻域轉換運算需要花費大量的計算成本。為了降低硬體資源，本文採用以較低計算量的方法，取代ASCI演算法的頻域轉換運算，並且減少閥值數目來減輕運算負擔。經實驗顯示，已達到與自適性次頻帶插補法品質相近的效果。本文使用現場可規劃邏輯閘陣列(field programmable gate array, FPGA)設計一個全管線化CFA解馬賽克硬體模組，以串流CFA影像作為輸入，能夠在每一個時脈週期輸出RGB三原色的像素。經由模擬測試，本文所提出的色彩插補演算法之峰值信噪比(peak signal-to-noise ratio, PSNR)值為40.72dB，相較於ASCI演算法之PSNR值40.87dB只相差0.15dB。本文CFA解馬賽克硬體模組經模擬測試，其PSNR值可達40.5dB，證實本研究方法確實達到相近於ASCI演算法的成像品質。
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