CN101977328A - 一种基于补色模式的颜色插值方法 - Google Patents

一种基于补色模式的颜色插值方法 Download PDF

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Abstract

一种基于补色模式的颜色插值方法，包括以下步骤：1)、以相邻的2×2四个点为一个最近领域插值单元，单元内四个点具有相同的亮度信息和色度信息，插值图像边缘的两行两列数据；2)、对于图像中的其余点，计算所在点相应位置的上、下、左、右四个方向梯度；3)、在得到方向梯度后计算对应的插值权重，当前待插值点根据权重来插值得到其余的颜色成分4)在插值得到完备的颜色成分Ai,j、Bi,j、Ci,j和Di,j后，经计算得到亮度信息Yi,j和色度信息Ui,j、Vi,j；5)得到亮度信号Y和色度信号U、V后，经简单的线性变换将图像转换到RGB色彩空间。本发明硬件资源消耗少、成本低廉、逻辑简单、适应性强、图像质量品质高。

Description

一种基于补色模式的颜色插值方法
技术领域
本发明涉及颜色插值方法的领域，特别涉及一种颜色滤波阵列中的颜色插值方法。
背景技术
在现有的各种成像设备中，绝大多数都是采用颜色滤波阵列(CFA)图像传感器。这种类型的CCD或CMOS传感器中的每个感光元器件只能采集像素颜色的一个特定分量，而在整个传感器点阵中，每个点只有一个感光器，也就是说对于每一像素只能采集到一个颜色分量，而其他分量将丢失。因此，必须提供一种方法来补回丢失的分量。
目前有两种分色方法，一是RGB原色分色法，另一个则是CMYG补色分色法。这两种方法各有优缺点。原色分色法的优点是色彩调和准确还原度高，色彩较鲜及锐，对于后期数字影像处理较容易，但缺点在于色阶较窄，其中黑白两色容易形成杂点，而补色分色法则有较宽的色阶以及色彩混合变化多且细致，缺点在于影像表现较柔及不够鲜明，并且对于后期数字影像处理不易，容易产生色散或偏色的问题。以下发明内容就是基于CMYG补色分色法提出的一种颜色插值方法。
图1是补色CCD阵列示意图，补色CCD阵列只有Cy（青），Mg洋红），Ye（黄）和G（绿色）四种色光可以到达指定的像素点。即每个像素点仅能获得四分之一的色彩信息，且根据补色理论可得：                                               
Figure 871225DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 556153DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 999904DEST_PATH_IMAGE006
。
为了优化存储，一般依次对补色CCD阵列中的两行数据求和作为采样得到的场原始数据结果输出。对第1、2行，第3、4行，第5、6行等依次相加作为偶场原始数据的结果输出，对第2、3行，第4、5行，第6、7行等依次相加作为奇场原始数据的结果输出。如图2A、图2B所示。
 
图3指示待插值的原始数据，其中
Figure 216121DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 784112DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 74279DEST_PATH_IMAGE012
，，从这些采样得到的CCD原始数据信号可以插值计算得到图像的亮度信号
Figure 641713DEST_PATH_IMAGE016
和色度信号
Figure 13DEST_PATH_IMAGE018
（即B-Y和R-Y）。
① 当前像素点颜色成分为A或B时，亮度和色度计算公式如下：
Figure 160998DEST_PATH_IMAGE020
Figure 946552DEST_PATH_IMAGE022
                ⑴
Figure 58733DEST_PATH_IMAGE024
②当前像素点颜色成分为C或D时，亮度和色度计算公式如下：
Figure 283041DEST_PATH_IMAGE026
Figure 547800DEST_PATH_IMAGE022
         ⑵
Figure 517637DEST_PATH_IMAGE024
      由以上式子得到亮度信号和色度信号
Figure 817217DEST_PATH_IMAGE018
后，可经简单的线性转换得到RGB信号，如下所示：
      
Figure 998800DEST_PATH_IMAGE028
，
      
Figure 391735DEST_PATH_IMAGE030
，
      
Figure 979973DEST_PATH_IMAGE032
。
以上颜色插值方法存在的缺陷是：硬件资源消耗较大、成本高；逻辑较为复杂，适应性较差；容易产生色散或偏色，图像质量较差。
发明目的
为了克服现有的补色分色方法存在的硬件资源消耗较大、成本高、逻辑较为复杂、适应性较差、图像质量较差的不足，本发明提供一种硬件资源消耗少、成本低廉、逻辑简单、适应性强、图像质量品质高的基于补色模式的颜色插值方法。
本发明为解决上述技术问题提出的技术方案为：
一种基于补色模式的颜色插值方法，包括以下步骤：
1）、以相邻的2×2四个点为一个最近领域插值单元，单元内四个点具有相同的亮度信息和色度信息，插值图像边缘的两行两列数据；
2）、对于图像中的其余点，计算所在点相应位置的上、下、左、右四个方向梯度
Figure 483767DEST_PATH_IMAGE034
，，
Figure 332960DEST_PATH_IMAGE038
，，每个方向梯度由该方向上对应像素点间的差值的绝对值的和计算得到；
3）、在得到方向梯度后计算对应的插值权重：
Figure 447470DEST_PATH_IMAGE042
，
Figure 541328DEST_PATH_IMAGE044
，
Figure 525334DEST_PATH_IMAGE046
，
Figure 134170DEST_PATH_IMAGE048
当前待插值点根据权重来插值得到其余的颜色成分，设定当前插值点为，则、、
Figure 946213DEST_PATH_IMAGE056
需经过插值得到：
Figure 579189DEST_PATH_IMAGE058
，
Figure 647639DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure 471982DEST_PATH_IMAGE062
4）在插值得到完备的颜色成分
Figure 993093DEST_PATH_IMAGE050
、、
Figure 352716DEST_PATH_IMAGE054
和
Figure 662475DEST_PATH_IMAGE056
后，经计算得到亮度信息和色度信息
Figure 412704DEST_PATH_IMAGE066
、
Figure 439435DEST_PATH_IMAGE068
，具体如下：
① 如果当前像素点颜色成分为
Figure 920095DEST_PATH_IMAGE070
或时，则亮度
Figure 692802DEST_PATH_IMAGE064
有下式计算得到：
Figure 324772DEST_PATH_IMAGE074
，
色度
Figure 163284DEST_PATH_IMAGE066
、
Figure 146283DEST_PATH_IMAGE068
为：
      
Figure 541493DEST_PATH_IMAGE076
，
      
Figure 778701DEST_PATH_IMAGE078
② 如果当前像素点颜色成分为
Figure 804426DEST_PATH_IMAGE080
或时，则亮度有下式计算得到：
Figure 798293DEST_PATH_IMAGE084
，
色度
Figure 742722DEST_PATH_IMAGE066
、为：
      ，
      ，
5）得到亮度信号
Figure 984030DEST_PATH_IMAGE016
和色度信号
Figure 914071DEST_PATH_IMAGE018
后，经简单的线性变换将图像转换到RGB色彩空间，如下所示：
                     
Figure 392457DEST_PATH_IMAGE028
，
                 
Figure 957299DEST_PATH_IMAGE030
，
                 
Figure 495728DEST_PATH_IMAGE032
。
本发明的技术构思为：本发明基于采样得到的CCD原始数据排列格式采用5×5的框架来插值得到完备的颜色成分。该插值方法包括：采用最近领域插值方法插值图像边缘的两行两列，其余像素点计算其方向梯度，根据计算得到的方向梯度来插值得到像素点丢失的颜色成分。接着根据完备的颜色成分集计算得到图像的亮度信息
Figure 959071DEST_PATH_IMAGE016
和色度信息
Figure 12388DEST_PATH_IMAGE018
，再经线性变换将图像转换到
Figure 448048DEST_PATH_IMAGE086
色彩空间。
      ⑴ 采用最近领域方法插值图像边缘的两行两列，如图3所示，邻近的4个像素点
Figure 141066DEST_PATH_IMAGE088
、
Figure 357284DEST_PATH_IMAGE090
、
Figure 177473DEST_PATH_IMAGE092
及
Figure 218372DEST_PATH_IMAGE094
组成一个单元，用单元内的、
Figure 457909DEST_PATH_IMAGE090
、和
Figure 288779DEST_PATH_IMAGE094
作为单元内每个像素点的完备颜色成分。
⑵ 对其余像素点计算其方向梯度。如图4中
Figure 87715DEST_PATH_IMAGE096
点为例，表示其向右的方向梯度，表示其向左的方向梯度，
Figure 626646DEST_PATH_IMAGE102
表示其向上的方向梯度，
Figure 910997DEST_PATH_IMAGE104
表示其向下的方向梯度，每个方向梯度由该方向上对应像素点间的差值的绝对值的和计算得到。
      ⑶ 根据计算得到的方向梯度来插值得到像素点丢失的颜色成分。以
Figure 746360DEST_PATH_IMAGE096
点为例，已经计算得到
Figure 712042DEST_PATH_IMAGE096
点的四个方向梯度，则可计算得到四个方向相对应的插值权重
Figure 80575DEST_PATH_IMAGE106
、
Figure 473511DEST_PATH_IMAGE108
、
Figure 373334DEST_PATH_IMAGE110
及
Figure 624930DEST_PATH_IMAGE112
，方向梯度值小则相对应的插值权重就大，反之则小。最后根据计算得到的权重值加权平均得到
Figure 598702DEST_PATH_IMAGE096
点丢失的颜色成分
Figure 411806DEST_PATH_IMAGE114
，
Figure 471029DEST_PATH_IMAGE116
，
Figure 529246DEST_PATH_IMAGE118
。
      ⑷ 计算得到像素点的亮度值
Figure 685421DEST_PATH_IMAGE016
和色度值
Figure 420159DEST_PATH_IMAGE120
、
Figure 215945DEST_PATH_IMAGE122
。当前像素点颜色成分为
Figure 61542DEST_PATH_IMAGE124
或时，亮度值为
Figure 725665DEST_PATH_IMAGE124
与
Figure 759480DEST_PATH_IMAGE126
的和。当前像素点颜色成分为
Figure 658035DEST_PATH_IMAGE128
或
Figure 726485DEST_PATH_IMAGE130
时，亮度值为与
Figure 871606DEST_PATH_IMAGE130
的和
⑸ 由公式⑴⑵可知，可通过简单的线性变换将图像从YUV色彩空间转换到RGB色彩空间。
本发明中基于补色模式的颜色插值效果主要取决于像素点方向梯度的精确程度。
本发明的有益效果为：(A)本发明提出的基于补色模式的颜色插值方法，只需要存储若干行的CCD原始采样数据，具有硬件资源消耗少，成本低廉的特点。
(B)本发明提出的基于补色模式的颜色插值方法，逻辑简单，适应能力强，适用于各种需要进行基于补色模式的颜色差值处理的场合。
(C)本发明提出的基于补色模式的颜色插值方法，通过已有的颜色分量值计算得到四个方向的梯度，根据方向梯度插值得到其余颜色分量，有效增加了图像解释度并抑制窜色现象。
附图说明
图1为补色模式CCD阵列示意图。
图2A为偶场原始数据获得过程示意图。
图2B为奇场原始数据获得过程示意图。
图3为场原始数据阵列示意图。
图4为插值算法中的5×5模式示意图。
图5为算法流程示意图。
具体实施方式
   下面结合附图对本发明做进一步的描述。
参照图1~图5，一种基于补色模式的颜色插值方法，包括以下步骤：
1）、以相邻的2×2四个点为一个最近领域插值单元，单元内四个点具有相同的亮度信息和色度信息，插值图像边缘的两行两列数据；
2）、对于图像中的其余点，计算所在点相应位置的上、下、左、右四个方向梯度
Figure 324584DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 496809DEST_PATH_IMAGE036
，
Figure 744250DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure 234881DEST_PATH_IMAGE040
，每个方向梯度由该方向上对应像素点间的差值的绝对值的和计算得到；
3）、在得到方向梯度后计算对应的插值权重：
Figure 288288DEST_PATH_IMAGE042
，
Figure 65751DEST_PATH_IMAGE044
，
Figure 733362DEST_PATH_IMAGE046
，
当前待插值点根据权重来插值得到其余的颜色成分，设定当前插值点为
Figure 508999DEST_PATH_IMAGE050
，则
Figure 468865DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 58109DEST_PATH_IMAGE054
、
Figure 24797DEST_PATH_IMAGE056
需经过插值得到：
Figure 357689DEST_PATH_IMAGE058
，
Figure 857547DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure 680010DEST_PATH_IMAGE062
4）在插值得到完备的颜色成分
Figure 884726DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure 270577DEST_PATH_IMAGE052
、和
Figure 558918DEST_PATH_IMAGE056
后，经计算得到亮度信息
Figure 313248DEST_PATH_IMAGE064
和色度信息
Figure 253522DEST_PATH_IMAGE066
、，具体如下：
① 如果当前像素点颜色成分为
Figure 65806DEST_PATH_IMAGE070
或
Figure 992917DEST_PATH_IMAGE072
时，则亮度
Figure 533620DEST_PATH_IMAGE064
有下式计算得到：
Figure 849195DEST_PATH_IMAGE074
，
色度、
Figure 37916DEST_PATH_IMAGE068
为：
      ，
      
Figure 303124DEST_PATH_IMAGE078
② 如果当前像素点颜色成分为
Figure 12454DEST_PATH_IMAGE080
或时，则亮度
Figure 970232DEST_PATH_IMAGE064
有下式计算得到：
Figure 8201DEST_PATH_IMAGE084
，
色度
Figure 950750DEST_PATH_IMAGE066
、为：
      
Figure 199514DEST_PATH_IMAGE076
，
      
Figure 344188DEST_PATH_IMAGE078
，
5）得到亮度信号
Figure 146053DEST_PATH_IMAGE016
和色度信号
Figure 71283DEST_PATH_IMAGE018
后，经简单的线性变换将图像转换到RGB色彩空间，如下所示：
                     
Figure 233274DEST_PATH_IMAGE028
，
                 
Figure 747301DEST_PATH_IMAGE030
，
                 
Figure 703756DEST_PATH_IMAGE032
。
如图3所示，对于图像边缘的两行两列采用最近领域插值法进行插值，视邻近的4个像素点、
Figure 853205DEST_PATH_IMAGE090
、
Figure 972471DEST_PATH_IMAGE092
及
Figure 614673DEST_PATH_IMAGE094
组成一个单元。对于单元内的
Figure 186600DEST_PATH_IMAGE088
，
Figure 441126DEST_PATH_IMAGE090
点：
Figure DEST_PATH_IMAGE132
Figure DEST_PATH_IMAGE136
对于单元内的
Figure 805112DEST_PATH_IMAGE092
，
Figure 116751DEST_PATH_IMAGE094
点：
                 
Figure DEST_PATH_IMAGE138
                 
Figure DEST_PATH_IMAGE140
                 
Figure DEST_PATH_IMAGE142
      如图4所示5×5模式插值方法，对于其余像素点计算它的四个方向梯度值，
Figure 300608DEST_PATH_IMAGE098
表示其向右的方向梯度，
Figure 670409DEST_PATH_IMAGE100
表示其向左的方向梯度，
Figure 514999DEST_PATH_IMAGE102
表示其向上的方向梯度，
Figure 249737DEST_PATH_IMAGE104
表示其向下的方向梯度，以图4中
Figure 45524DEST_PATH_IMAGE096
点为例，它的四个方向梯度计算公式分别为：
Figure DEST_PATH_IMAGE144
                 
Figure DEST_PATH_IMAGE146
                 
Figure DEST_PATH_IMAGE148
然后根据计算得到的方向梯度来插值得到像素点
Figure 701240DEST_PATH_IMAGE096
丢失的其余颜色成分， 先计算插值权重
Figure 649604DEST_PATH_IMAGE106
，
Figure 617560DEST_PATH_IMAGE108
，
Figure 402108DEST_PATH_IMAGE110
和
Figure 51395DEST_PATH_IMAGE112
,计算公式如下所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE152
，
Figure DEST_PATH_IMAGE154
，
，
然后计算
Figure 664385DEST_PATH_IMAGE096
点丢失的其余颜色成分
Figure 990193DEST_PATH_IMAGE114
，，
Figure 26599DEST_PATH_IMAGE118
计算公式如下所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE160
，
Figure DEST_PATH_IMAGE162
，
Figure DEST_PATH_IMAGE164
      接下来计算得到像素点的亮度值
Figure 559343DEST_PATH_IMAGE016
和色度值
Figure 806785DEST_PATH_IMAGE120
、
Figure 562995DEST_PATH_IMAGE122
，以
Figure 554085DEST_PATH_IMAGE096
点为例，已经插值得到
Figure 580815DEST_PATH_IMAGE096
点的完备颜色彩集，
Figure 557179DEST_PATH_IMAGE114
，
Figure 837112DEST_PATH_IMAGE116
，，则可计算得到
Figure 573173DEST_PATH_IMAGE096
点的、
Figure 685803DEST_PATH_IMAGE120
、
Figure 185661DEST_PATH_IMAGE122
值，计算公式如下所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE166
，
Figure DEST_PATH_IMAGE168
Figure DEST_PATH_IMAGE170
      得到亮度信号
Figure 70440DEST_PATH_IMAGE016
和色度信号
Figure 25889DEST_PATH_IMAGE018
后，可经简单的线性变换将图像转换到RGB色彩空间，如下所示：
                     
Figure 162472DEST_PATH_IMAGE028
，
                 ，
                 。

Claims (1)

1.一种基于补色模式的颜色插值方法， 其特征在于：所述颜色插值方法包括以下步骤：
1）、以相邻的2×2四个点为一个最近领域插值单元，单元内四个点具有相同的亮度信息和色度信息，插值图像边缘的两行两列数据；
2）、对于图像中的其余点，计算所在点相应位置的上、下、左、右四个方向梯度                                                
Figure 2010105360325100001DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 2010105360325100001DEST_PATH_IMAGE002
，，
Figure 2010105360325100001DEST_PATH_IMAGE004
，每个方向梯度由该方向上对应像素点间的差值的绝对值的和计算得到；
3）、在得到方向梯度后计算对应的插值权重：
Figure 2010105360325100001DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 2010105360325100001DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 2010105360325100001DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 2010105360325100001DEST_PATH_IMAGE008
当前待插值点根据权重来插值得到其余的颜色成分，设定当前插值点为
Figure 2010105360325100001DEST_PATH_IMAGE009
，则、
Figure 2010105360325100001DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 2010105360325100001DEST_PATH_IMAGE012
需经过插值得到：
Figure 2010105360325100001DEST_PATH_IMAGE013
，
，
Figure 2010105360325100001DEST_PATH_IMAGE015
4）在插值得到完备的颜色成分
Figure 93365DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 197456DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 914876DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 497036DEST_PATH_IMAGE012
后，经计算得到亮度信息
Figure 2010105360325100001DEST_PATH_IMAGE016
和色度信息、，具体如下：
① 如果当前像素点颜色成分为
Figure 2010105360325100001DEST_PATH_IMAGE019
或时，则亮度
Figure 691169DEST_PATH_IMAGE016
有下式计算得到：
，
色度
Figure 638265DEST_PATH_IMAGE017
、为：
  
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，
  
Figure 2010105360325100001DEST_PATH_IMAGE023
② 如果当前像素点颜色成分为
Figure DEST_PATH_IMAGE024
或
Figure 2010105360325100001DEST_PATH_IMAGE025
时，则亮度
Figure 291150DEST_PATH_IMAGE016
有下式计算得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，
色度
Figure 84662DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 264977DEST_PATH_IMAGE018
为：
  
Figure 956989DEST_PATH_IMAGE022
，
  
Figure 898530DEST_PATH_IMAGE023
，
5）得到亮度信号
Figure 2010105360325100001DEST_PATH_IMAGE027
和色度信号
Figure DEST_PATH_IMAGE028
后，经简单的线性变换将图像转换到RGB色彩空间，如下所示：
                    
Figure 2010105360325100001DEST_PATH_IMAGE029
，
                ，
                。
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