专利名称：一种针对非典型特征图像的白平衡处理方法
技术领域：
本发明涉及数字图像处理领域，具体地说，涉及一种针对非典型特征图像的白平衡处理方法，属于电子信息领域。
背景技术：
·近年来计算机视觉技术迅猛发展，根据不同的应用，计算机视觉处理主要包括区域分割，图像增强，边缘检测，特征提取，目标跟踪等等。目前，计算机视觉处理技术主要是基于PC机操作的。随着嵌入式技术的发展，嵌入式的机器视觉技术逐步在科研、工业控制、航天事业等各个领域都得到广泛的应用。上世纪90年代出现的现场可编程器件(FPGA)，设计方便灵活，并行处理结构可大幅度缩短处理时间，满足诸多场合的实时性要求，基于逻辑和并行处理的优势，在未来嵌入式机器视觉中应用潜力巨大。图像增强领域的白平衡处理技术相对发展成熟，广泛应用于照相与摄像系统中。它是通过去除光源因素对物体颜色的影响，从而将未知光源下的图像转换到经典自然光之下，达到还原图像颜色的目的。目前白平衡算法最为经典的是灰度世界法和完美反射法。灰度世界法假设图像中有足够多色彩变化，则在经典光源下RGB通道的均值是相等的。完美反射法则假设图像中最亮点，即RGB信号最大的点构成一个白色区域。然而，当图像的色彩并不丰富时，灰度世界法往往失真很严重；当图像的最亮部分并非白点时，完美反射法得到的数值是不真实的。因此，针对既不存在白色区域，又不满足色彩丰富的视频图像，若能提供一种针对非典型特征图像的白平衡处理方法，将大大提高白平衡校正的效果和适用范围。
发明内容
本发明的目的在于针对灰度世界法和完美反射法的缺陷，提供一种针对非典型特征图像的白平衡处理方法。以FPGA为基础，对输入的视频信号每30帧进行一次白平衡处理，将图像还原为经典光源下的颜色。将机器视觉技术与FPGA处理技术结合，既可以很好满足视频图像白平衡处理的实时性，又可以利用FPGA的IP核定制功能，满足更多具体需求，特别是工业控制中的机器视觉辅助计算方面的应用。FPGA与机器视觉的结合提高了系统设计的性价比，同时，随着FPGA性能的不断提高，处理速度越来越快，内部集成的功能模块越来越多，检测方法的性能会越好。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案
一种针对非典型特征图像的白平衡处理方法由RGB视频空间转换程序，融合完美反射法和灰度世界法的改进算法程序等组成。操作步骤可概括为
I)由Cameralink工业相机实时采集彩色视频信号，传输至FPGA的为10位RGB空间视频信号。2)扫描一帧视频图像，根据预先设置的白点亮度阈值T，以及当前图像中RGB分量值判定是否在当前图像中存在白色区域。同时根据预先设置的RGB通道差异阈值D，以及当前图像中RGB分量均值判定图像是否色彩丰富。3) 若判定当前图像不存在白色区域且色彩不丰富，则对其作色彩空间转换，并分别计算完美反射法参考点的平均色度Cw_ave和灰度世界法参考点的平均色度Ch_ave。4)然后针对当前图像，计算由完美反射法得到的平均色度Cw_ave与灰度世界法得到的平均色度Ch_ave,由Cw_ave与(Cw_ave + Ch_ave )之比作为调整因子K,对当前帧图像进行一种新的融合完美反射法和灰度世界法的白平衡校正，对于白色区域不明显、色彩不丰富的图像，达到更好的白平衡效果。本发明对于实时系统，利用人眼的视觉迟滞特性，当前计算的R、G、B三个颜色通道的增益将被应用到之后的30帧图像数据中；而对于非实时系统，则应用到当前的图像数据中。本发明与现有相关技术相比较，具有如下优点
I.嵌入式的白平衡处理方法具有广泛的应用前景。2.对于完美反射法和灰度世界法要求的条件均不满足的情况，可以通过计算调整因子对算法进行融合，达到最佳处理效果。3.可以根据具体的功能需求定制不同的IP核，设计成果可灵活复用。4. FPGA的可编程性使系统具备了相当大的可扩展性。5.以硬件描述语言形式保存的设计可移植于不同FPGA芯片，随着FPGA性能的不断提高，系统还可以实现更复杂的处理过程，从而使检测器功能更加完善。
图I本发明的程序总体流程图
图2本发明中FPGA实现两种经典白平衡处理融合示意图。
具体实施例方式本发明的优选实施例结合附图作详细描述如下
实施例一
本针对非典型特征图像的白平衡处理方法，主要针对白色区域检测不明显、色彩不足够丰富的图像帧。其特征在于包括如下步骤
I)由Cameralink工业相机实时采集彩色视频信号，传输到FPGA的为10位RGB空间视频信号。2)扫描一帧视频图像，根据预先设置的白点亮度阈值T，以及当前图像中RGB分量值判定是否在当前图像中存在白色区域；同时根据预先设置的RGB通道差异阈值D，以及当前图像中RGB分量均值判定图像是否色彩丰富；
3)若判定当前图像不存在白色区域且色彩不丰富，则对其作色彩空间转换，并分别计算完美反射法参考点的平均色度Cw_ave和灰度世界法参考点的平均色度Ch_ave ；
4)然后针对当前图像，计算由完美反射法得到的平均色度Cw_ave与灰度世界法得到的平均色度Ch_ave,由Cw_ave与(Cw_ave + Ch_ave)之比作为调整因子K,对当前巾贞图像进行一种新的融合完美反射法和灰度世界法的白平衡校正，对于白色区域不明显、色彩不丰富的图像，达到更好的白平衡效果；
上述各步骤利用FPGA内部逻辑单元以及内部存储器和乘法器资源实现。
实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下
所述步骤3)利用完美反射法计算Cw_ave的参考点为当前帧图像中查询到的最亮点，利用灰度世界法计算Ch_ave的参考点为当前帧图像的所有点。所述步骤4)利用调整因子K计算改进后的三原色增益，以此增益对原RGB输出信号作修正；对于白色区域不 明显、色彩不丰富的图像，相比单独利用完美反射法法或灰度世界法，能够达到更好的白平衡效果。实施例三
本针对非典型特征图像的白平衡处理方法的程序流程图如图I所示。主要利用FPGA片内乘法器、内部存储器以及逻辑单元等资源在视频信号的行、场等同步信号控制下，实现视频信号的色彩空间转换、经典算法融合等几大模块。最终输出经过白平衡校正的彩色视频信号。由于RGB通道是10位编码数据，当RGB信号满足式(I)时定义其为白点，白点构成的区域即为完美反射法中的白色区域。Max{R, G, B} -T (I)
理论上，白点应该满足T=i023，考虑到现实世界中严格意义上的白点很少存在，T表示RGB通道阈值，设置为1000。对于一帧图像，统计所有的R、G、B信号的总和，并分别计算其均值R_ave、G_ave、B_ave0R_ave = G_ave = B_ave (2)
理论上，若一帧图像满足式(2)，则说明它的色彩丰富，在经典光源下的R、G、B通道的均值等于一个称为“灰色”的常数。考虑到现实世界中很少存在严格符合式(2)的情况，我们把这个条件调整为如式(3)所示。Max{|R_ave - G_ave|, |R_ave - B_ave|, |G_ave - B_ave }〈= D (3)
D表示R、G、B通道差异的阈值，设置为50。若一帧图像中不存在满足式(I)的白点，同时其所有点的RGB信号均值不满足式
(3)，则说明所采集的视频图像色彩不丰富，并且不具有白色区域。此时，需要分别计算当前中贞图像中最亮点的平均色度Cw_ave和所有点的平均色度Ch_ave,由Cw_ave与(Cw_ave +Ch_ave)之比作为调整因子K，进行一种新的融合完美反射法和灰度世界法的白平衡校正，达到更好的输出效果。如附图2，具体操作步骤如下
O对图像中最亮点的Cb、Cr色差信号，计算其平均色度Cw_ave。2) 对当前帧图像所有像素点的Cb、Cr色差信号分别累加并求取均值Cb_ave、Cr_ave,计算其平均色度Ch_ave。3)由Cw_ave与(Cw_ave + Ch_ave)之比作为调整因子K,根据其值调整两种经典算法对RGB通道增益的权重影响，计算各颜色通道增益Gain_R、Gain_G、Gain_B。4)将3)中得到的RGB通道增益分别乘以其RGB初始信号，白平衡校正后的RGB输出信号分别为R_WB、G_WB、B_WB。色彩空间转换模块将输入的彩色图像由RGB色彩空间转换为YCbCr色彩空间，转换式如式(4)。
权利要求
1.一种针对非典型特征图像的白平衡处理方法，主要针对白色区域检测不明显、色彩不足够丰富的图像帧，其特征在于包括如下步骤 1)由Cameralink工业相机实时采集彩色视频信号，传输到FPGA的为10位RGB空间视频信号； 2)扫描一帧视频图像，根据预先设置的白点亮度阈值T，以及当前图像中RGB分量值判定是否在当前图像中存在白色区域；同时根据预先设置的RGB通道差异阈值D，以及当前图像中RGB分量均值判定图像是否色彩丰富； 3)若判定当前图像不存在白色区域且色彩不丰富，则对其作色彩空间转换，并分别计算完美反射法参考点的平均色度Cw_ave和灰度世界法参考点的平均色度Ch_ave ； 4)然后针对当前图像，计算由完美反射法得到的平均色度Cw_ave与灰度世界法得到的平均色度Ch_ave,由Cw_ave与(Cw_ave + Ch_ave)之比作为调整因子K,对当前巾贞图像进行一种新的融合完美反射法和灰度世界法的白平衡校正，对于白色区域不明显、色彩不丰富的图像，达到更好的白平衡效果； 上述各步骤利用FPGA内部逻辑单元以及内部存储器和乘法器资源实现。
2.根据权利要求I所述的针对非典型特征图像的白平衡处理方法，其特征是所述步骤3)利用完美反射法计算Cw_ave的参考点为当前帧图像中查询到的最亮点，利用灰度世界法计算Ch_ave的参考点为当前帧图像的所有点。
3.根据权利要求I所述的针对非典型特征图像的白平衡处理方法，其特征是所述步骤4)利用调整因子K计算改进后的三原色增益，以此增益对原RGB输出信号作修正；对于白色区域不明显、色彩不丰富的图像，相比单独利用完美反射法法或灰度世界法，能够达到更好的白平衡效果。
全文摘要
本发明涉及一种针对非典型特征图像的白平衡处理方法。该方法的步骤如下(1)通过CameraLink工业相机获取一帧图像的最亮点RGB信息以及RGB均值。(2)扫描一帧视频图像，设置白点亮度阈值和RGB通道差异阈值，判别白色区域和色彩丰富。(3)若判定当前图像不存在白色区域且色彩不丰富，则对其作色彩空间转换，并分别计算完美反射法参考点的平均色度Cw_ave和灰度世界法参考点的平均色度Ch_ave。(4)然后针对当前图像，计算由完美反射法得到的平均色度Cw_ave与灰度世界法得到的平均色度Ch_ave，由Cw_ave与(Cw_ave+Ch_ave)之比作为调整因子K，对当前帧图像进行融合两种经典算法的白平衡校正。该方法利用FPGA内部逻辑单元以及内部存储器和乘法器等资源实现。
文档编号H04N9/73GK102883168SQ20121023104
公开日2013年1月16日 申请日期2012年7月5日 优先权日2012年7月5日
发明者李翔伟, 陆小锋, 何康, 沈苏旻, 陆亨立, 范天翔 申请人:上海大学