專利名稱：一種針對非典型特征圖像的白平衡處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字圖像處理領(lǐng)域，具體地說，涉及一種針對非典型特征圖像的白平衡處理方法，屬于電子信息領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
·近年來計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)迅猛發(fā)展，根據(jù)不同的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)視覺處理主要包括區(qū)域分割，圖像增強(qiáng)，邊緣檢測，特征提取，目標(biāo)跟蹤等等。目前，計(jì)算機(jī)視覺處理技術(shù)主要是基于PC機(jī)操作的。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，嵌入式的機(jī)器視覺技術(shù)逐步在科研、工業(yè)控制、航天事業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。上世紀(jì)90年代出現(xiàn)的現(xiàn)場可編程器件(FPGA)，設(shè)計(jì)方便靈活，并行處理結(jié)構(gòu)可大幅度縮短處理時(shí)間，滿足諸多場合的實(shí)時(shí)性要求，基于邏輯和并行處理的優(yōu)勢，在未來嵌入式機(jī)器視覺中應(yīng)用潛力巨大。圖像增強(qiáng)領(lǐng)域的白平衡處理技術(shù)相對發(fā)展成熟，廣泛應(yīng)用于照相與攝像系統(tǒng)中。它是通過去除光源因素對物體顏色的影響，從而將未知光源下的圖像轉(zhuǎn)換到經(jīng)典自然光之下，達(dá)到還原圖像顏色的目的。目前白平衡算法最為經(jīng)典的是灰度世界法和完美反射法?；叶仁澜绶僭O(shè)圖像中有足夠多色彩變化，則在經(jīng)典光源下RGB通道的均值是相等的。完美反射法則假設(shè)圖像中最亮點(diǎn)，即RGB信號最大的點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)白色區(qū)域。然而，當(dāng)圖像的色彩并不豐富時(shí)，灰度世界法往往失真很嚴(yán)重；當(dāng)圖像的最亮部分并非白點(diǎn)時(shí)，完美反射法得到的數(shù)值是不真實(shí)的。因此，針對既不存在白色區(qū)域，又不滿足色彩豐富的視頻圖像，若能提供一種針對非典型特征圖像的白平衡處理方法，將大大提高白平衡校正的效果和適用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對灰度世界法和完美反射法的缺陷，提供一種針對非典型特征圖像的白平衡處理方法。以FPGA為基礎(chǔ)，對輸入的視頻信號每30幀進(jìn)行一次白平衡處理，將圖像還原為經(jīng)典光源下的顏色。將機(jī)器視覺技術(shù)與FPGA處理技術(shù)結(jié)合，既可以很好滿足視頻圖像白平衡處理的實(shí)時(shí)性，又可以利用FPGA的IP核定制功能，滿足更多具體需求，特別是工業(yè)控制中的機(jī)器視覺輔助計(jì)算方面的應(yīng)用。FPGA與機(jī)器視覺的結(jié)合提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性價(jià)比，同時(shí)，隨著FPGA性能的不斷提高，處理速度越來越快，內(nèi)部集成的功能模塊越來越多，檢測方法的性能會越好。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種針對非典型特征圖像的白平衡處理方法由RGB視頻空間轉(zhuǎn)換程序，融合完美反射法和灰度世界法的改進(jìn)算法程序等組成。操作步驟可概括為
I)由Cameralink工業(yè)相機(jī)實(shí)時(shí)采集彩色視頻信號，傳輸至FPGA的為10位RGB空間視頻信號。2)掃描一幀視頻圖像，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的白點(diǎn)亮度閾值T，以及當(dāng)前圖像中RGB分量值判定是否在當(dāng)前圖像中存在白色區(qū)域。同時(shí)根據(jù)預(yù)先設(shè)置的RGB通道差異閾值D，以及當(dāng)前圖像中RGB分量均值判定圖像是否色彩豐富。3) 若判定當(dāng)前圖像不存在白色區(qū)域且色彩不豐富，則對其作色彩空間轉(zhuǎn)換，并分別計(jì)算完美反射法參考點(diǎn)的平均色度Cw_ave和灰度世界法參考點(diǎn)的平均色度Ch_ave。4)然后針對當(dāng)前圖像，計(jì)算由完美反射法得到的平均色度Cw_ave與灰度世界法得到的平均色度Ch_ave,由Cw_ave與(Cw_ave + Ch_ave )之比作為調(diào)整因子K,對當(dāng)前幀圖像進(jìn)行一種新的融合完美反射法和灰度世界法的白平衡校正，對于白色區(qū)域不明顯、色彩不豐富的圖像，達(dá)到更好的白平衡效果。本發(fā)明對于實(shí)時(shí)系統(tǒng)，利用人眼的視覺遲滯特性，當(dāng)前計(jì)算的R、G、B三個(gè)顏色通道的增益將被應(yīng)用到之后的30幀圖像數(shù)據(jù)中；而對于非實(shí)時(shí)系統(tǒng)，則應(yīng)用到當(dāng)前的圖像數(shù)據(jù)中。本發(fā)明與現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)相比較，具有如下優(yōu)點(diǎn)
I.嵌入式的白平衡處理方法具有廣泛的應(yīng)用前景。2.對于完美反射法和灰度世界法要求的條件均不滿足的情況，可以通過計(jì)算調(diào)整因子對算法進(jìn)行融合，達(dá)到最佳處理效果。3.可以根據(jù)具體的功能需求定制不同的IP核，設(shè)計(jì)成果可靈活復(fù)用。4. FPGA的可編程性使系統(tǒng)具備了相當(dāng)大的可擴(kuò)展性。5.以硬件描述語言形式保存的設(shè)計(jì)可移植于不同F(xiàn)PGA芯片，隨著FPGA性能的不斷提高，系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的處理過程，從而使檢測器功能更加完善。


圖I本發(fā)明的程序總體流程圖
圖2本發(fā)明中FPGA實(shí)現(xiàn)兩種經(jīng)典白平衡處理融合示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合附圖作詳細(xì)描述如下
實(shí)施例一
本針對非典型特征圖像的白平衡處理方法，主要針對白色區(qū)域檢測不明顯、色彩不足夠豐富的圖像幀。其特征在于包括如下步驟
I)由Cameralink工業(yè)相機(jī)實(shí)時(shí)采集彩色視頻信號，傳輸?shù)紽PGA的為10位RGB空間視頻信號。2)掃描一幀視頻圖像，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的白點(diǎn)亮度閾值T，以及當(dāng)前圖像中RGB分量值判定是否在當(dāng)前圖像中存在白色區(qū)域；同時(shí)根據(jù)預(yù)先設(shè)置的RGB通道差異閾值D，以及當(dāng)前圖像中RGB分量均值判定圖像是否色彩豐富；
3)若判定當(dāng)前圖像不存在白色區(qū)域且色彩不豐富，則對其作色彩空間轉(zhuǎn)換，并分別計(jì)算完美反射法參考點(diǎn)的平均色度Cw_ave和灰度世界法參考點(diǎn)的平均色度Ch_ave ；
4)然后針對當(dāng)前圖像，計(jì)算由完美反射法得到的平均色度Cw_ave與灰度世界法得到的平均色度Ch_ave,由Cw_ave與(Cw_ave + Ch_ave)之比作為調(diào)整因子K,對當(dāng)前巾貞圖像進(jìn)行一種新的融合完美反射法和灰度世界法的白平衡校正，對于白色區(qū)域不明顯、色彩不豐富的圖像，達(dá)到更好的白平衡效果；
上述各步驟利用FPGA內(nèi)部邏輯單元以及內(nèi)部存儲器和乘法器資源實(shí)現(xiàn)。
實(shí)施例二
本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處如下
所述步驟3)利用完美反射法計(jì)算Cw_ave的參考點(diǎn)為當(dāng)前幀圖像中查詢到的最亮點(diǎn)，利用灰度世界法計(jì)算Ch_ave的參考點(diǎn)為當(dāng)前幀圖像的所有點(diǎn)。所述步驟4)利用調(diào)整因子K計(jì)算改進(jìn)后的三原色增益，以此增益對原RGB輸出信號作修正；對于白色區(qū)域不 明顯、色彩不豐富的圖像，相比單獨(dú)利用完美反射法法或灰度世界法，能夠達(dá)到更好的白平衡效果。實(shí)施例三
本針對非典型特征圖像的白平衡處理方法的程序流程圖如圖I所示。主要利用FPGA片內(nèi)乘法器、內(nèi)部存儲器以及邏輯單元等資源在視頻信號的行、場等同步信號控制下，實(shí)現(xiàn)視頻信號的色彩空間轉(zhuǎn)換、經(jīng)典算法融合等幾大模塊。最終輸出經(jīng)過白平衡校正的彩色視頻信號。由于RGB通道是10位編碼數(shù)據(jù)，當(dāng)RGB信號滿足式(I)時(shí)定義其為白點(diǎn)，白點(diǎn)構(gòu)成的區(qū)域即為完美反射法中的白色區(qū)域。Max{R, G, B} -T (I)
理論上，白點(diǎn)應(yīng)該滿足T=i023，考慮到現(xiàn)實(shí)世界中嚴(yán)格意義上的白點(diǎn)很少存在，T表示RGB通道閾值，設(shè)置為1000。對于一幀圖像，統(tǒng)計(jì)所有的R、G、B信號的總和，并分別計(jì)算其均值R_ave、G_ave、B_ave0R_ave = G_ave = B_ave (2)
理論上，若一幀圖像滿足式(2)，則說明它的色彩豐富，在經(jīng)典光源下的R、G、B通道的均值等于一個(gè)稱為“灰色”的常數(shù)?？紤]到現(xiàn)實(shí)世界中很少存在嚴(yán)格符合式(2)的情況，我們把這個(gè)條件調(diào)整為如式(3)所示。Max{|R_ave - G_ave|, |R_ave - B_ave|, |G_ave - B_ave }〈= D (3)
D表示R、G、B通道差異的閾值，設(shè)置為50。若一幀圖像中不存在滿足式(I)的白點(diǎn)，同時(shí)其所有點(diǎn)的RGB信號均值不滿足式
(3)，則說明所采集的視頻圖像色彩不豐富，并且不具有白色區(qū)域。此時(shí)，需要分別計(jì)算當(dāng)前中貞圖像中最亮點(diǎn)的平均色度Cw_ave和所有點(diǎn)的平均色度Ch_ave,由Cw_ave與(Cw_ave +Ch_ave)之比作為調(diào)整因子K，進(jìn)行一種新的融合完美反射法和灰度世界法的白平衡校正，達(dá)到更好的輸出效果。如附圖2，具體操作步驟如下
O對圖像中最亮點(diǎn)的Cb、Cr色差信號，計(jì)算其平均色度Cw_ave。2) 對當(dāng)前幀圖像所有像素點(diǎn)的Cb、Cr色差信號分別累加并求取均值Cb_ave、Cr_ave,計(jì)算其平均色度Ch_ave。3)由Cw_ave與(Cw_ave + Ch_ave)之比作為調(diào)整因子K,根據(jù)其值調(diào)整兩種經(jīng)典算法對RGB通道增益的權(quán)重影響，計(jì)算各顏色通道增益Gain_R、Gain_G、Gain_B。4)將3)中得到的RGB通道增益分別乘以其RGB初始信號，白平衡校正后的RGB輸出信號分別為R_WB、G_WB、B_WB。色彩空間轉(zhuǎn)換模塊將輸入的彩色圖像由RGB色彩空間轉(zhuǎn)換為YCbCr色彩空間，轉(zhuǎn)換式如式(4)。
權(quán)利要求
1.一種針對非典型特征圖像的白平衡處理方法，主要針對白色區(qū)域檢測不明顯、色彩不足夠豐富的圖像幀，其特征在于包括如下步驟 1)由Cameralink工業(yè)相機(jī)實(shí)時(shí)采集彩色視頻信號，傳輸?shù)紽PGA的為10位RGB空間視頻信號； 2)掃描一幀視頻圖像，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的白點(diǎn)亮度閾值T，以及當(dāng)前圖像中RGB分量值判定是否在當(dāng)前圖像中存在白色區(qū)域；同時(shí)根據(jù)預(yù)先設(shè)置的RGB通道差異閾值D，以及當(dāng)前圖像中RGB分量均值判定圖像是否色彩豐富； 3)若判定當(dāng)前圖像不存在白色區(qū)域且色彩不豐富，則對其作色彩空間轉(zhuǎn)換，并分別計(jì)算完美反射法參考點(diǎn)的平均色度Cw_ave和灰度世界法參考點(diǎn)的平均色度Ch_ave ； 4)然后針對當(dāng)前圖像，計(jì)算由完美反射法得到的平均色度Cw_ave與灰度世界法得到的平均色度Ch_ave,由Cw_ave與(Cw_ave + Ch_ave)之比作為調(diào)整因子K,對當(dāng)前巾貞圖像進(jìn)行一種新的融合完美反射法和灰度世界法的白平衡校正，對于白色區(qū)域不明顯、色彩不豐富的圖像，達(dá)到更好的白平衡效果； 上述各步驟利用FPGA內(nèi)部邏輯單元以及內(nèi)部存儲器和乘法器資源實(shí)現(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的針對非典型特征圖像的白平衡處理方法，其特征是所述步驟3)利用完美反射法計(jì)算Cw_ave的參考點(diǎn)為當(dāng)前幀圖像中查詢到的最亮點(diǎn)，利用灰度世界法計(jì)算Ch_ave的參考點(diǎn)為當(dāng)前幀圖像的所有點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的針對非典型特征圖像的白平衡處理方法，其特征是所述步驟4)利用調(diào)整因子K計(jì)算改進(jìn)后的三原色增益，以此增益對原RGB輸出信號作修正；對于白色區(qū)域不明顯、色彩不豐富的圖像，相比單獨(dú)利用完美反射法法或灰度世界法，能夠達(dá)到更好的白平衡效果。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種針對非典型特征圖像的白平衡處理方法。該方法的步驟如下(1)通過CameraLink工業(yè)相機(jī)獲取一幀圖像的最亮點(diǎn)RGB信息以及RGB均值。(2)掃描一幀視頻圖像，設(shè)置白點(diǎn)亮度閾值和RGB通道差異閾值，判別白色區(qū)域和色彩豐富。(3)若判定當(dāng)前圖像不存在白色區(qū)域且色彩不豐富，則對其作色彩空間轉(zhuǎn)換，并分別計(jì)算完美反射法參考點(diǎn)的平均色度Cw_ave和灰度世界法參考點(diǎn)的平均色度Ch_ave。(4)然后針對當(dāng)前圖像，計(jì)算由完美反射法得到的平均色度Cw_ave與灰度世界法得到的平均色度Ch_ave，由Cw_ave與(Cw_ave+Ch_ave)之比作為調(diào)整因子K，對當(dāng)前幀圖像進(jìn)行融合兩種經(jīng)典算法的白平衡校正。該方法利用FPGA內(nèi)部邏輯單元以及內(nèi)部存儲器和乘法器等資源實(shí)現(xiàn)。
文檔編號H04N9/73GK102883168SQ20121023104
公開日2013年1月16日 申請日期2012年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月5日
發(fā)明者李翔偉, 陸小鋒, 何康, 沈蘇旻, 陸亨立, 范天翔 申請人:上海大學(xué)