一種自適應(yīng)的相機(jī)自動白平衡算法

一種自適應(yīng)的相機(jī)自動白平衡算法

1自動白平衡.不同的光源有不同的光譜成分和分布，在色度學(xué)上被稱為色度成像。有白色物體在低鮮艷的陽光下是紅色的，在高鮮艷的陽光下是藍(lán)色的。因此，有必要校正不同顏色的色度差，使白色物體真正呈白色，這被稱為平衡白。在數(shù)碼相機(jī)系統(tǒng)中,白平衡一般采用光學(xué)粗調(diào)和電路微調(diào)的方法進(jìn)行.由于CCD,CMOS圖像傳感器具有一定的光譜特性,因此必須在鏡頭前加上匹配的光學(xué)濾色鏡,將紅外等光線濾除,然后進(jìn)行軟件或電路微調(diào).為了提高易用性,數(shù)碼相機(jī)一般還支持自動白平衡.因此,必須開發(fā)適合數(shù)碼相機(jī)的自動白平衡算法,以保證拍攝照片不會失真.白平衡具有三個基本操作.(1)色溫估計.通過手工調(diào)節(jié)(取一個“標(biāo)準(zhǔn)白”的物體作為參考)或算法統(tǒng)計的方法,估計出表達(dá)色溫的特征量(平均色差);(2)增益計算.采用查表或迭代的方法,計算出紅色和藍(lán)色增益(校正因子);(3)色溫校正.在紅色和藍(lán)色通道乘上對應(yīng)的校正因子,調(diào)整通道增益,以達(dá)到白平衡的效果.色溫估計是數(shù)碼相機(jī)自動白平衡算法的三個基本操作中最重要的一環(huán).色溫估計必須估算出正確的色差,才能保證后續(xù)操作的正確性.特別是在參考圖像充滿大面積彩色時,算法必須具有一定的魯棒性,以保證色彩的完整性.針對上述要求,Nakano等提出了一種基于Y,Cb,Cr的約束條件,在YCbCr空間定義了一個三維結(jié)構(gòu),稱之為白色區(qū)域,凡落入其中的像素都認(rèn)為是白色的,而其外的像素則是認(rèn)為非白色的.在計算色差時,只計算白色像素的平均色差,以替代整個圖像的色差,從而提高色溫估計的準(zhǔn)確度.該算法中的Y,Cb,Cr控制閾值是彼此獨(dú)立的.Lee等則在此基礎(chǔ)上加入了Cb,Cr之和的控制閾值,進(jìn)一步提高了色溫估計精度.該算法還通過限制R,B的變化范圍來適應(yīng)鏡頭縮放時圖像的劇烈變化.然而,以上算法均未考慮像素的Y和Cb,Cr之間的相關(guān)性,限制了色溫估計精度的進(jìn)一步提高.本文在分析傳統(tǒng)算法的基礎(chǔ)上,提出了一種新的色溫估計方法,并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了一種自適應(yīng)的數(shù)碼相機(jī)自動白平衡算法.2自適應(yīng)自動白平衡算法2.1染色估計算法的約束條件圖像的色溫一般表示為平均色差.當(dāng)R,G,B三種顏色相等時,其色差為0,表現(xiàn)為白色.在圖像處理中,一般采用YCbCr色彩模型???YCbCr???=???0.299?0.16870.50.587?0.3313?0.41870.1140.5?0.0813??????RGB???[YCbCr]=[0.2990.5870.114-0.1687-0.33130.50.5-0.4187-0.0813][RGB]來計算色差.其中,Y是灰度,表示圖像的亮度;Cb和Cr是色度的藍(lán)色和紅色分量,代表圖像的色差.色溫估計的目標(biāo)就是估算出圖像的平均色差.目前,存在不少色溫估計的算法,其中最基本的方法就是計算整個圖像的平均色差.為了減少計算量,通常選取某個特定區(qū)域(比如圖像中心)中的所有像素進(jìn)行計算.但是,如果圖像顏色較為單一,或者選定區(qū)域正好落入大的色塊,以上算法求得的色溫就會非常不準(zhǔn)確.為此,必須根據(jù)一定的約束條件,挑選合適的像素(白色像素)來計算色差,以提高色溫估計的精確度.Nakano等提出的色溫估計算法的約束條件如?????Y＞χ?α＜Cb＜α?β＜Cr＜β(1){Y＞χ-α＜Cb＜α-β＜Cr＜β(1)其中,亮度χ和色度閾值α,β由算法給定.該約束條件的物理含義是:在Y足夠大、Cb和Cr足夠小的空間里定義了一個區(qū)域,并將該區(qū)域中的所有像素看作是白色的,可以參與色差的計算;然后,用這些白色像素的平均色差來代表整個圖像的色差,以取得較好的精度.值得注意的是,圖像的平均亮度也必須同時求出,否則會導(dǎo)致校正后的圖像失真.上述的白色區(qū)域類似于一個立方體.在每個Y平面上,白色像素都位于一個CbCr矩形當(dāng)中,并且所有Y平面上的CbCr矩形大小是一致的.然而,約束條件式(1)存在一定的局限性.首先,Cb和Cr之間具有一定的相關(guān)性,式(1)并未加以考慮.因此,Lee等在式(1)的基礎(chǔ)上增加了一個約束條件?γ＜Cb+Cr＜γ(2)-γ＜Cb+Cr＜γ(2)這樣,CbCr平面就從矩形變成了六邊形,使得參與計算的像素具有更強(qiáng)的白色特征,提高了色差計算的精度.其次,Y與Cb,Cr之間也有一定的相關(guān)性,如果加以考慮,可以進(jìn)一步提高色差的精度.在Y較小時,Cb和Cr較小的像素表現(xiàn)為接近白色的灰度值;而在Y較大時,Cb和Cr較大的像素仍可認(rèn)為是白色物體受到光源污染得到的.這樣,可以將式(1)和式(2)的約束條件加以改進(jìn),得到Y(jié)?|Cb|?|Cr|＞φ(3)Y-|Cb|-|Cr|＞φ(3)圖1所示為該約束條件的控制區(qū)域.該區(qū)域是一個上粗下細(xì)的柱狀體,并且,每個CbCr平面是一個菱形.當(dāng)Y較小時,Cb和Cr范圍控制得很緊,只有少量像素可以參與色差計算;而當(dāng)Y增大時,Cb和Cr的范圍相應(yīng)放大,使更多像素可以參與計算,從而提高精度.根據(jù)約束條件式(3),改進(jìn)的色溫估計算法如圖2所示.2.2白色的cb和cr增益計算是在圖像色溫估計的基礎(chǔ)上,通過一定的方法得到通道增益.通道增益也就是色溫校正因子,一般有藍(lán)色和紅色兩個分量,分別為對圖像藍(lán)色和紅色通道進(jìn)行調(diào)整的幅度.如前所述,白色的Cb和Cr均為0;因此,通道增益就是能將Cb和Cr調(diào)整到0(或接近0)的兩個系數(shù)μ和ν.增益計算的方法有多種,比如查表法、迭代法等.查表法是事先統(tǒng)計出一張表,記錄不同的色溫所對應(yīng)的通道增益,具有速度快的優(yōu)點(diǎn);但由于表的容量有限,不能實(shí)現(xiàn)各種色溫情況的連續(xù)調(diào)節(jié).迭代算法則是根據(jù)Cb和Cr的關(guān)系,通過不斷地調(diào)節(jié)μ和ν實(shí)現(xiàn),如圖3所示.其中λ為迭代步長,由算法給定.增益計算中,一次迭代針對一幅圖像的色差進(jìn)行.每一次迭代后,輸出新的通道增益,必須等到下一幅圖像到來才能進(jìn)行下一次迭代.2.3自動白平衡的數(shù)據(jù)處理色溫校正就是在圖像的藍(lán)色和紅色通道乘以各自的增益,從而調(diào)節(jié)R,G,B三色的比例;一般針對CCD,CMOS采樣輸出的RGB信號進(jìn)行.值得注意的是必須進(jìn)行溢出處理,防止RGB輸出超出0～255的范圍.綜上所述,自動白平衡是一個迭代過程,必須通過對連續(xù)圖像的處理才能完成,如圖4所示.一般數(shù)碼相機(jī)都將自動白平衡放在取景模式中實(shí)現(xiàn).3系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)本文算法可以很方便地在一個數(shù)碼相機(jī)中實(shí)現(xiàn).圖5所示為一個應(yīng)用了該算法的數(shù)碼相機(jī)自動白平衡系統(tǒng).CCD采樣得到的RGB數(shù)據(jù),經(jīng)過色溫校正、內(nèi)插和色空間變換之后得到Y(jié)CbCr信號,經(jīng)過色溫估計和增益計算,將校正因子μ和ν送回MCU,經(jīng)過一定的處理后再送至色溫校正.進(jìn)行MCU處理的目的是為了同步控制.另外,色溫估計需要用到除法運(yùn)算.這里可以將統(tǒng)計到的Y,Cb,Cr求和,并將像素數(shù)n讀入到MCU,在MCU中進(jìn)行除法運(yùn)算,再將結(jié)果返回.上述算法被嵌入到一個CCD數(shù)碼相機(jī)處理器中,采用電路形式實(shí)現(xiàn).該數(shù)碼相機(jī)處理器共有50萬門,采用0.25μmCMOS工藝流片,芯片面積5mm×5mm.圖6所示為該芯片顯微照片,其中A2CF為自動曝光/自動白平衡/自動聚焦模塊.4bldg.bmp增益的統(tǒng)計結(jié)果為了驗證算法的有效性,本文進(jìn)行了多種測試:(1)統(tǒng)計了若干圖片的平均色差,并對各種算法進(jìn)行比較;(2)在圖像各通道加上一定的增益后再進(jìn)行統(tǒng)計;(3)對數(shù)碼相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測試,并對算法效果和速度進(jìn)行了比較.表1所示為5幅經(jīng)過了白平衡處理的圖片的比較結(jié)果.本文統(tǒng)計了三種算法的平均色差:算法1(所有像素求平均)、算法2(根據(jù)式(1)和式(2)的約束條件選擇像素求平均)、本文算法(根據(jù)式(3)的約束條件選擇像素求平均).表2所示為統(tǒng)計得到的Cb和Cr絕對值之和.(χ,α,β,γ,φ)分別設(shè)定為(120,30,30,50,180).由于這些圖片事先作了正確的白平衡處理,因此統(tǒng)計出的平均色差越接近0就越準(zhǔn)確.從統(tǒng)計結(jié)果來看,約束條件式(3)在估計的圖像色溫具有更高的精確度.圖7所示為bldg.bmp增益變化過程中的統(tǒng)計結(jié)果.在紅色和藍(lán)色通道加上一定的增益再統(tǒng)計平均色差,其增益變化范圍為±0.3.從圖7a可以看出,在紅色增益增加時,Cr產(chǎn)生明顯的增加;而在增益為0時,Cb和Cr的絕對值之和c最小,證明色溫估計是準(zhǔn)確的.圖7b的藍(lán)色通道的增益測試也證明了這一點(diǎn).圖8所示為在數(shù)碼相機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行了自動白平衡的測試.圖8a為處理之前的照片.可以看出,由于熒光燈的光譜是綠色的,因此整個圖片明顯偏綠.采用三種色溫估計算法分別對照片進(jìn)行自動白平衡處理的結(jié)果如表3所示.步長λ設(shè)為0.05.圖8b～8d給出了三種算法的自動白平衡結(jié)果.通過比較可以看出,本文算法的色溫校正取得了最好的效果,而且迭代次數(shù)大大減少.上述