專利名稱：數(shù)碼相機(jī)中的彩色插值方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)碼相機(jī)中的彩色插值方法，具體是一種數(shù)碼相機(jī)中色彩濾鏡陣列的彩色重建方法。用于數(shù)碼成像技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
常見的數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)的成像器件都是電荷耦合器件(CCD)，它是以電荷包作為圖像信號載體的器件，利用光子在單晶體硅里激發(fā)出電子——空穴對的光敏效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。電荷耦合器件(CCD)上遍布著一個個微小的光電轉(zhuǎn)換單元，即對應(yīng)數(shù)字圖像的一個一個像素。數(shù)碼相機(jī)通過快門激活CCD，把光信號轉(zhuǎn)化為電信號，每一個光電轉(zhuǎn)換單元把它接受的光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成電壓信號，再將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，按照陣列次序?qū)⒏鱾€值保存在存儲器中，這樣就得到了原始的數(shù)字圖像。
自然界中常見的各種色光都可由紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三種色光按不同比例相配而成。電荷耦合器件(CCD)本身只能感知光強(qiáng)，為了獲得彩色圖像，CCD器件上使用了色彩濾光片。每個光電轉(zhuǎn)化單元都包含一個不同顏色的微濾光片(或R或G或B)，它們按G-R-G-B的順序像馬賽克一樣陣列。這樣每個光電轉(zhuǎn)化單元就可得到每種色光的反應(yīng)值，因此原始圖像的每個像素點(diǎn)只有一個三基色分量或紅R、或綠G、或藍(lán)B。但是，真正的彩色數(shù)字圖像的每個像素都需要R、G、B三個分量，這就需要插值算法，從原始信息中插值出各個像素所缺的顏色分量。
彩色插值是影響最后圖像質(zhì)量的關(guān)鍵因素。經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)?2116750.8，專利名稱數(shù)碼相機(jī)中色彩濾鏡陣列的彩色重建方法。該專利提出了一種數(shù)碼相機(jī)中的插值算法，其特點(diǎn)在于綠色象素點(diǎn)的綠色分量由其本身表示，其紅色分量和藍(lán)色分量由其上下兩點(diǎn)的均值或左右兩點(diǎn)的均值來表示；紅色象素點(diǎn)的紅色分量由其本身表示，其藍(lán)色分量由左上，左下，右上和右下相鄰的四點(diǎn)的藍(lán)色量的平均值來表示；其綠色分量由上，下，左和右四點(diǎn)的綠色量的中值來表示；藍(lán)色象素點(diǎn)的藍(lán)色分量由其本身表示，其紅色分量由左上，左下，右上和右下相鄰的四點(diǎn)的紅色量的平均值來表示；其綠色分量由上，下，左和右四點(diǎn)的綠色量的中值來表示；中值計算方法為先將四個點(diǎn)的分量值按大小排序，再取其中間兩個值的平均值作為這四個數(shù)的中值。其不足之處在于圖像中的邊緣處基色值的梯度很大，使用周邊像素的均值和中值進(jìn)行插值模糊了邊緣，還會導(dǎo)致圖像的邊緣處出現(xiàn)明暗相間的鋸齒。

發(fā)明內(nèi)容
為了敘述方便，首先對下文出現(xiàn)的YCbCr進(jìn)行簡單地說明YCbCr是指視頻研究領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的一種彩色表示方法，Y表示亮度(Luminance)，CbCr表示色度(Chrominance)，反映顏色的類別，分別稱為藍(lán)色色度和紅色色度。
本發(fā)明的目的在于針對以上技術(shù)的不足和缺陷，提出一種數(shù)碼相機(jī)中的彩色插值方法，使數(shù)碼照片更清晰，與RGB三基色插值相比，對數(shù)字圖像像素的CbCr進(jìn)行插值將更逼近它的真實(shí)值，具有更好的效果。既能使圖像的邊緣清晰，消除噪聲，而且還能保證較快的處理速度。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明基于YCbCr色度空間，針對CCD所獲得原始圖像，充分利用了圖像CbCr信號的低頻特性，根據(jù)各個像素基色值的原始信息，首先對R像素和B像素插出缺省的G基色值，然后根據(jù)YCbCr色度空間與RGB三基色空間的轉(zhuǎn)化公式近似估計，或者利用插值方法計算各個像素的CbCr值，最后根據(jù)YCbCr色度空間與RGB三基色空間的轉(zhuǎn)化公式反推各個像素缺省的基色值。
以下對本發(fā)明方法進(jìn)一步的說明，具體步驟如下第一步，用邊緣判斷法對R像素和B像素插出缺省的G基色值，同時初步估計B像素的R基色值，即根據(jù)R像素或者B像素上下G像素的差值絕對值與左右G像素差值絕對值進(jìn)行比較，若前者大于后者，認(rèn)為該處存在水平邊緣，R像素或者B像素的G基色值用上下G像素的均值表示，B像素的R基色值暫時粗略地用它的左上角R像素和右上角R像素的均值表示，相反，認(rèn)為該處存在垂直邊緣，用左右G像素的均值表示，B像素的R基色值暫時粗略地用它的左上角R像素和左下角R像素的均值表示；第二步，近似估計R像素的Cr值和B像素的Cb值，即根據(jù)YCbCr色度空間與RGB三基色空間的轉(zhuǎn)化公式，將R像素的原始R基色和第一步得到的G基色值代入YCbCr色度空間與RGB三基色空間的轉(zhuǎn)化公式近似計算它的Cr值，此處忽略B基色的影響，將B像素的原始B基色值和第一步得到的G基色值代入YCbCr色度空間與RGB三基色空間的轉(zhuǎn)化公式，還將它的初步R基色估計值代入，近似計算它的Cb值；第三步，對G像素的Cb、Cr值進(jìn)行插值，在偶數(shù)行，G像素的Cr值用左右R像素的Cr值的均值表示，Cb值用上下B像素的Cb值的均值表示，在奇數(shù)行，G像素的Cr值用上下R像素的Cr值的均值表示，Cb值用左右B像素的Cb值的均值表示；第四步，對R像素的Cb值和B像素的Cr值進(jìn)行插值，都用它的左右G像素的Cb、Cr值的均值表示；第五步，根據(jù)上面得到每個像素的Cb值和Cr值，根據(jù)YCbCr色度空間與RGB三基色空間的轉(zhuǎn)化公式反推它們?nèi)笔〉幕怠?br> 本發(fā)明所述的YCbCr色度空間，是基于人眼視覺反應(yīng)的顏色表示法，Y表示明亮度(Luminance)，是彩色作用于人眼引起的明亮程度的感覺，CbCr表示色度(Chrominance)，反映顏色的類別，分別稱為藍(lán)色色度和紅色色度。明亮度Y通過RGB輸入信號來創(chuàng)建的，方法是將RGB信號的特定部分疊加到一起，而Cr反映了RGB輸入信號紅色部分與RGB信號亮度值之間的差異，Cb反映的是RGB輸入信號藍(lán)色部分與RGB信號亮度值之同的差異。YCbCr色度空間與RGB三基色空間的轉(zhuǎn)化公式為YCbCr1=0.29900.58700.11400-0.1687-0.33130.50001280.5000-0.4187-0.08131280001RGB1]]>數(shù)字圖像具備這樣一個結(jié)構(gòu)特性如果不考慮圖像的噪聲，圖像(對于彩色圖像，分解為三幅單色的灰度圖像)是由灰度值相近的較多像素構(gòu)成的小塊組成，而小塊與小塊之間的灰度變化形成圖像的邊緣細(xì)節(jié)。小塊內(nèi)每個像素的灰度與鄰邊像素的灰度很相近，因此，像素的灰度能夠根據(jù)鄰邊像的灰度素估計出來，這就為插值提供了理論依據(jù)，但是在圖像的邊緣細(xì)節(jié)處，像素與像素的灰度存在突變，很難根據(jù)鄰邊像素的灰度估計目標(biāo)像素的灰度，所以圖像的邊緣細(xì)節(jié)是影響三基色插值的要害。從頻譜的角度進(jìn)行分析，圖像灰度信號的高頻部分對應(yīng)于圖像的邊緣細(xì)節(jié)，因此也可以說灰度信號的高頻部分是影響插值效果的要害。假設(shè)兩幅數(shù)字圖像，一幅圖像的灰度信號帶寬小，而另一幅圖像的灰度信號帶寬大，顯然，前者的插值效果更逼近它的真實(shí)圖像。
采用YCbCr空間表示法，可以充分利用人眼對亮度細(xì)節(jié)敏感而對彩色細(xì)節(jié)遲鈍的視覺特性，與RGB視頻信號相比，它的最大優(yōu)點(diǎn)在于，可以縮小兩個信號CbCr的頻寬。一般來說，亮度信號要采用6.5MHz的頻寬表示，而藍(lán)色色度信號Cb，紅色色度信號Cr采用1.3MHz的頻寬表示就足夠了，幾乎不包含高頻分量。與RGB三基色插值相比，對數(shù)字圖像像素的CbCr進(jìn)行插值將更逼近它的真實(shí)值，具有更好的效果。
本發(fā)明充分利用了圖像CbCr信號的低頻特性，是一種新的簡便有效的插值算法。利用該插值方法，既能使圖像的邊緣清晰，消除噪聲，使其更逼近真實(shí)世界的五顏六色，而且還能保證較快的處理速度。


圖1為CCD的微濾光片的分布圖。
圖2為6×16濾光片陣列圖。
圖3為本發(fā)明的彩色插值流程圖具體實(shí)施方式
在電荷耦合器件(CCD)色濾光片的陣列中，紅、綠、藍(lán)三色濾光片的分布式有固定規(guī)律的，其中紅色濾光片和藍(lán)色濾光片分別只占全部的四分之一，而綠色濾光片占全部的二分之一，其分布如圖1所示。利用CCD所獲得的原始的數(shù)字圖像如圖2所示。
針對CCD所獲得的整幅原始圖像實(shí)施本發(fā)明涉及的差值方法，是按循環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，以六行像素作為一個循環(huán)的處理對象，從零行至第五行，對中間2、3兩行像素差值，完成一個循環(huán)，往下挪動兩行，進(jìn)行下一個循環(huán)，如圖3所示，本發(fā)明的處理步驟如下(1)用邊緣判斷法對1、3行的B像素插出缺省的G基色值，同時初步估計它的R基色值，對2、4行的R像素插出缺省的G基色值。即根據(jù)R像素或者B像素上下G像素的差值絕對值與左右G像素差值絕對值進(jìn)行比較，若前者大于后者，認(rèn)為該處存在水平邊緣，R像素或者B像素的G基色值用上下G像素的均值表示，B像素的R基色值暫時粗略地用它的左上角R像素和右上角R像素的均值表示，相反，認(rèn)為該處存在垂直邊緣，用左右G像素的均值表示，B像素的R基色值暫時粗略地用它的左上角R像素和左下角R像素的均值表示。
(2)近似估計2、4行R像素的Cr值和1、3行B像素的Cb值。即根據(jù)YCbCr色度空間與RGB三基色空間的轉(zhuǎn)化公式，將R像素的原始R基色和第一步得到的G基色值代入YCbCr色度空間與RGB三基色空間的轉(zhuǎn)化公式近似計算它的Cr值，此處忽略B基色的影響，將B像素的原始B基色值、第一步得到的G基色值和它的R基色初步估計值代入YCbCr色度空間與RGB三基色空間的轉(zhuǎn)化公式，近似計算它的Cb值。
(3)對2、3行G像素的Cb、Cr值進(jìn)行插值。對于第2行，G像素的Cr值用左右R像素的Cr值的均值表示，Cb值用上下B像素的Cb值的均值表示，對于第3行，G像素的Cr值用上下R像素的Cr值的均值表示，Cb值用左右B像素的Cb值的均值表示；(4)對R像素的Cb值和B像素的Cr值進(jìn)行插值，都用它的左右G像素的Cb、Cr值的均值表示；(5)據(jù)上面得到每個像素的Cb值和Cr值，根據(jù)YCbCr色度空間與RGB三基色空間的轉(zhuǎn)化公式反推它們?nèi)笔〉幕?；下移動兩行，如果已?jīng)是最后一行，結(jié)束循環(huán)，否則返回步驟(1)。
以上就是本發(fā)明插植算法的具體實(shí)施例，能在數(shù)碼相機(jī)的數(shù)字信號處理器(DSP)中快速實(shí)現(xiàn)，所獲圖像不但細(xì)節(jié)清晰，而且能減少噪聲。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)碼相機(jī)中的彩色插值方法，其特征在于，基于YCbCr色度空間，針對CCD所獲得原始圖像，充分利用了圖像CbCr信號的低頻特性，根據(jù)各個像素基色值的原始信息，首先對R像素和B像素插出缺省的G基色值，然后根據(jù)YCbCr色度空間與RGB三基色空間的轉(zhuǎn)化公式近似估計，或者利用插值方法計算各個像素的CbCr值，最后根據(jù)YCbCr色度空間與RGB三基色空間的轉(zhuǎn)化公式反推各個像素缺省的基色值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)碼相機(jī)中的彩色插值方法，其特征是，以下對本發(fā)明方法進(jìn)一步的說明，具體步驟如下第一步，用邊緣判斷法對R像素和B像素插出缺省的G基色值，同時初步估計B像素的R基色值，即根據(jù)R像素或者B像素上下G像素的差值絕對值與左右G像素差值絕對值進(jìn)行比較，若前者大于后者，認(rèn)為該處存在水平邊緣，R像素或者B像素的G基色值用上下G像素的均值表示，B像素的R基色值暫時粗略地用它的左上角R像素和右上角R像素的均值表示，相反，認(rèn)為該處存在垂直邊緣，用左右G像素的均值表示，B像素的R基色值暫時地用它的左上角R像素和左下角R像素的均值表示；第二步，近似估計R像素的Cr值和B像素的Cb值，即根據(jù)YCbCr色度空間與RGB三基色空間的轉(zhuǎn)化公式，將R像素的原始R基色和第一步得到的G基色值代入YCbCr色度空間與RGB三基色空間的轉(zhuǎn)化公式近似計算它的Cr值，此處忽略B基色的影響，將B像素的原始B基色值和第一步得到的G基色值代入YCbCr色度空間與RGB三基色空間的轉(zhuǎn)化公式，還將它的初步R基色估計值代入，近似計算它的Cb值；第三步，對G像素的Cb、Cr值進(jìn)行插值，在偶數(shù)行，G像素的Cr值用左右R像素的Cr值的均值表示，Cb值用上下B像素的Cb值的均值表示，在奇數(shù)行，G像素的Cr值用上下R像素的Cr值的均值表示，Cb值用左右B像素的Cb值的均值表示；第四步，對R像素的Cb值和B像素的Cr值進(jìn)行插值，都用它的左右G像素的Cb、Cr值的均值表示；第五步，根據(jù)上面得到每個像素的Cb值和Cr值，根據(jù)YCbCr色度空間與RGB三基色空間的轉(zhuǎn)化公式反推它們?nèi)笔〉幕怠?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的數(shù)碼相機(jī)中的彩色插值方法，其特征是，所述的YCbCr色度空間與RGB三基色空間的轉(zhuǎn)化公式為YCbCr1=0.29900.58700.11400-0.1687-0.33130.50001280.5000-0.4187-0.08131280001RGB1]]>
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的數(shù)碼相機(jī)中的彩色插值方法，其特征是，所述的YCbCr色度空間，是基于人眼視覺反應(yīng)的顏色表示法，Y表示明亮度，是彩色作用于人眼引起的明亮程度的感覺，CbCr表示色度，反映顏色的類別，分別稱為藍(lán)色色度和紅色色度，明亮度Y通過RGB輸入信號來創(chuàng)建的，方法是將RGB信號的特定部分疊加到一起，而Cr反映了RGB輸入信號紅色部分與RGB信號亮度值之間的差異，Cb反映的是RGB輸入信號藍(lán)色部分與RGB信號亮度值之同的差異。
全文摘要
一種數(shù)碼相機(jī)中的彩色插值方法，用于數(shù)碼成像技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明基于YCbCr色度空間，針對CCD所獲得原始圖像，充分利用了圖像CbCr信號的低頻特性，根據(jù)各個像素基色值的原始信息，首先對R像素和B像素插出缺省的G基色值，然后根據(jù)YCbCr色度空間與RGB三基色空間的轉(zhuǎn)化公式近似估計，或者利用插值方法計算各個像素的CbCr值，最后根據(jù)YCbCr色度空間與RGB三基色空間的轉(zhuǎn)化公式反推各個像素缺省的基色值。利用該插值方法，既能使圖像的邊緣清晰，消除噪聲，使其更逼近真實(shí)世界的五顏六色，而且還能保證較快的處理速度。
文檔編號H04N9/64GK1571476SQ200410018019
公開日2005年1月26日 申請日期2004年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月29日
發(fā)明者喻再光, 趙群飛, 賀繼林 申請人:上海交通大學(xué)