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研究生:王保發
研究生(外文):Bao-Fa Wang
論文名稱:應用FPGA實現CFA適應性權值色彩插補演算法
論文名稱(外文):Implementation of CFA Adaptive Weighted Color Interpolation Algorithm Using FPGA
指導教授:黃世演黃世演引用關係
指導教授(外文):Shih-Yen Huang
學位類別:碩士
校院名稱:國立勤益科技大學
系所名稱:電子工程系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:67
中文關鍵詞:色彩濾波器陣列解馬賽克色彩插補現場可規劃邏輯閘陣列
外文關鍵詞:Color filter array (CFA)demosaicingcolor interpolationfield programmable gate array (FPGA)
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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。

Modern digital cameras use a single-chip sensor structure. Sensors use the Bayer pattern color filter array (CFA) to sample red, green, and blue color (named these three color as elementary color) arranged in an array, and each pixel position is only sampling one color. Since each pixel lacks two elementary colors, these pixels make up an image with mosaic format.
Demosaicing, also known as color interpolation, the method estimate the other two missing elementary colors for reconstruct a full-color image. The green elementary color are the most in CFA, therefore, first to reconstruct the missing green elementary color can obtain a good reconstructed quality. In addition, to reconstruct the red or blue elementary color, typically use high spectral correlation-based method.
To improve quality, the traditional method use various interpolation method according edge detect. For example, the adaptive sub-band interpolation (ASCI) applied two-dimensional discrete wavelet transform to detect horizontal and vertical edge, according these edges gradient to select threshold and associate weight.

However, in hardware design, ASCI take a lot of hardware resource. To reduce hardware computing resources, this thesis implemented a lower computational method to detect edge and selected fewer numbers of thresholds. Additionally, design a full pipelined hardware module for CFA demosaicing using field programmable gate array (FPGA). This system, video signal is a streaming input data, each clock cycle can output one reconstructed pixel. According a static timing analysis, the maximum clock rate is 104.778MHz. The software simulation results showed that the peak signal-to-noise ratio (PSNR) value is 40.72dB, compared to ASCI’s PSNR value 40.87dB is only 0.15dB less. The functional simulation testing for this hardware system, the CFA demosaic module’s PSNR value is 40.5dB, only 0.22dB less than the software simulation.

摘要 i
英文摘要 iii
誌謝 v
目錄 vi
圖目錄 ix
表目錄 xii
第一章 序論 1
1.1 研究背景 1
1.1.1 數位相機的架構 1
1.1.2 色彩濾波器陣列 2
1.1.3 CFA解馬賽克 4
1.2 研究動機與目的 7
1.3 本文架構 8
第二章 相關色彩插補演算法之回顧 9
2.1 非適應性插補法 9
2.1.1 雙線性插補法 9
2.1.2 色彩差異插補法 10
2.2 適應性插補法 13
2.2.1 二階修正線性插補法 13
2.2.2 有效疊代加權邊跡與色彩差異插補法 16
2.2.3 中值濾波插補法 20
2.2.4 適應性次頻帶關聯插補法 22
第三章 CFA解馬賽克演算法及硬體架構 27
3.1 本文提出的適應性權值彩色插補演算法 27
3.2 適應性權值解馬賽克演算法之硬體架構設計 30
3.2.1 綠色重建模組 31
3.2.2 紅/藍色重建模組 42
3.2.3 綠色優化模組 44
第四章 FPGA實現與實驗結果 49
4.1 開發環境 49
4.2 設計流程 49
4.3 功能模擬 50
4.4 FPGA實現結果 54
4.5 PSNR比較 56
第五章 結論與未來展望 64
參考文獻 66
[1] B. E. Bayer, “U.S. pat.3971065: Color imaging array,” July 1976.
[2] H. S. Hou, and H. C. Andrews, “Cubic splines for image interpolation and digital filtering,” IEEE Trans. Acoustics, Speech, and Signal Processing, vol. ASSP-26, no.6, pp.508-517, Dec. 1978.
[3] S. C. Pei and I. K. Tam, “Effective color interpolation in CCD color filter arrays using signal correlation,” IEEE Trans. Circuits and Systems for Video Technology, vol. 13, pp. 503-513 June 2003.
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[11] TRDB-D5M 相關文件
http://www.terasic.com.tw/cgi-bin/page/archive.pl?Language=Taiwan&CategoryNo=85&No=282&PartNo=3
[12] C.-Y. Su and W.-C. Kao, “Effective Demosaicing Using Subband Correlation”, IEEE Trans. Consumer Electronics, vol. 55, no. 1, pp. 199-204, Feb 2009.
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