高帧频大面阵彩色CMOS相机Bayer滤波器解码算法

    目前,在数字图像处理领域中一般都是对灰度图像进行处理。灰度提供了一个度量亮度的标量,它的范围从黑到灰最后到白。根据硬件的采样条件人为地又把灰度分为了256级,而人眼只能辨识256个灰度级中的40个左右。但对于彩色图像,人眼可以辨别几千种颜色色调和亮度,对于同一幅图像,利用彩色图像就可以看到图像更加精细的结构,因此彩色图像非常适合人工图像分析。在图像处理中运用彩色的另一个诱人之处在于彩色是一个强有力的描绘子,它能够简化目标物的区分及从场景中提取目标,为图像检测或识别提供方便。BALSER公司高帧频大面阵数字相机)A501KC相机就是一种可以提供彩色图像数据的COMS相机。当面阵大小为1 280@1 024时,相机最高帧频可达每秒74帧,适当修改面阵大小,还可以继续提高帧频。数据输出采用8 bit双通道,最高数据带宽为每秒100Mbyte。由于相机在采集图像时对数据进行了Ba-yer滤波,直接进行数据输出只能显示灰度图像,必须先对图像数据进行解码才能够实现彩色显示及处理。

    1 Bayer滤波器原理及解码算法

    A501KC相机输出的图像被称为伪彩色图像,但与传统的伪彩色是有区别的。传统的伪彩色是指将一幅图像的每个灰度级匹配到彩色空间中一点,即将一幅单色图像用某种方法映射到一幅彩色图像的过程。而A501KC相机输出的伪彩色图像是根据其采集图像方式定义的。当A501KC相机采集图像时,光线经过了一个附加的彩色滤波器(Bayer滤波器)照射到传感器面阵上的每个像素。Bayer滤波器使得每个像素表面被覆盖了一个微透镜,由于微透镜的存在,光线中只能有一种彩色光谱透过微透镜照射到像素传感器上。Bayer滤波器的模式如图1所示。在由4个像素组成的块中,其中一个吸收红光,一个吸收蓝光,另外两个吸收绿光。每个像素采集到的数据中仅包含了该点的部分亮度信息和部分彩色信息。因此只有对输出的图像进行处理后,才能够还原为彩色图像,但由于采集图像时已经损失了部分能量,还原的图像色彩和亮度将会丢失部分信息,导致还原图像与真实图像有所差异,所以称之为伪彩色图像。

    从图1可以看出,传感器面阵中每个像素吸收一种彩色光谱,其周围的像素吸收了另外两种彩色光谱。如果不进行Bayer滤波器解码直接输出数据,将显示为灰度图像。为了还原成彩色图像,以任意像素为中心,做一个3@3区域,在这个区域中包含了三种彩色的采样值。中心像素本身的值作为该点的一种彩色值,该点的另外两种彩色值可以通过对其周围每种彩色求和作平均值来得到。由于像素尺寸很小,用这种近似方法所造成的误差很微小。根据每个像素的位置不同,其彩色分量计算的算法共有4种组合方式,下面仅举其中一种方式进行说明。中心像素为所要解码的数据源,设该像素值为f(x,y),x,y表示位置,从图2中可以看出该像素位于偶行偶列,该像素的三种彩色分量可由如下公式计算。