一種基于梯度的Bayer格式圖像插值方法及基于FPGA的顯示裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于梯度的Bayer格式插值方法及基于FPGA的顯示裝置，特別是 涉及一種基于FPGA的將Bayer格式圖像插值還原成24位真彩色圖像的方法，適合要求需要 高集成度、高分辨率、高速率和圖形疊加的視頻顯示裝置。
【背景技術】
[0002] 當下的計算機技術發展驚人，但由于計算機只是一種高級的工具，需要受到人的 控制和管理，因此人機交互技術得以發展。人機交互技術就是研究如何通過有效的方式實 現人與計算機對話的技術。人機交互通常包括了計算機通過輸出或顯示設備給人提供大量 信息及提示等，以及人通過輸入設備向計算機輸入有關信息等。而圖像顯示裝置則是在人 機交互裝置中的重要組成部分。一個完整的圖像顯示裝置的設計主要涉及了硬件和軟件兩 個部分。傳感器，顯示器和中央處理器組成了硬件架構，軟件設計模塊則主要實現了信號的 采集、處理，存儲以及輸出顯示這幾個功能。目前，圖像顯示裝置己被廣泛應用于許多領域。 比如汽車電子，醫療設備，工業檢測，航空電子等領域中顯示裝置都起著舉足輕重的作用。
[0003] 現有的圖像顯示裝置通常是采用CMOS或CCD傳感器采集原始的Bayer陣列圖像。為 了得到24位真彩色的圖像，需要進行顏色插值操作，但多數效果較好的顏色插值算法都是 非線性的，一般是基于二階Laplacian變換得到，因此必須基于DSP來實現，處理速度往往受 限于CPU的運算能力。因此充分利用FPGA的并行運算優勢，選擇適用的算法，成為了當今圖 像處理領域的一個發展趨勢。在當前FPGA平臺上通常會直接采用2x2插值或雙線性插值算 法，但前者會導致圖像分辨率的縮小，后者會導致圖像邊緣細節上的模糊。雖然可以引入梯 度方向的判斷對雙線性插值算法進行優化，但效果仍不盡如人意。在存儲方面，目前的裝置 為了實現視頻圖像和參數圖形畫面的緩存，通常使用多片外載存儲器進行存儲，使得裝置 讀寫控制變得復雜。種種因素的集合意味著顯示裝置還有著提升的空間。
[0004] 當應用于航空電子領域中時，顯示裝置作為機載電子裝置的重要組成部分，在飛 行過程中，可以顯示飛機四周的外景實況和當前飛行的參數，能使座艙的顯示變得更加直 觀、方便和靈活三種，但也因此對裝置的集成度，圖像分辨率，和儀表的清晰、實時的疊加顯 示提出了更高的要求。
[0005] 當前比較常用的機載顯示裝置多是采用FPGA作為協從處理器配合主處理器DSP進 行數據的采集和運算，這樣的組合會造成裝置的結構變得復雜，不易于對裝置進行升級和 移植。比如北京航空航天大學針對視頻圖像采集與處理的應用要求，提出了基于雙核DSP搭 配FPGA的構架設計，DSP作為主處理器，通過其專用的PPI視頻接口配合DMA控制器控制視 頻圖像的采集、存儲。FPGA作為協處理器，完成對視頻圖像的預處理中并為DSP提供部分寄 存器擴展。該方案實現了視頻圖像的實時采集與處理，具有良好的實時性，但裝置集成度不 高，設計過程復雜。北京中科院同樣設計了一種基于DSP和FPGA的硬件平臺，平臺采用DSP協 同兩片FPGA芯片同時工作的方式實現如視頻采集模塊、輸入緩存模塊、視頻處理模塊、視頻 輸出緩存模塊和視頻圖像鏈路傳輸模塊的功能，并在這個平臺上實現了一種彩色視頻圖像 增強算法。缺點是裝置復雜度較高，運算時間較長。

【發明內容】

[0006] 本發明所要解決的技術問題是提供一種基于梯度的Bayer格式插值方法及裝置， 本發明的方法在插值效果上比一般的線性算法更好，同時在算法的復雜度上沒有太多提 升;設計的顯示裝置可以根據不同的要求快速，穩定的采集并清晰顯示疊加了參數圖形的 視頻圖像且結構簡單，集成度高，具有較高的可移植性和實用價值。
[0007] 本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：
[0008] -方面，本發明提供一種基于梯度的Bayer格式插值方法，包括以下具體步驟：
[0009] 步驟1，獲取5x5像素模板，該模板包括待插值的目標像素點及其5x5鄰域內的其他 像素點；
[0010] 步驟2,若目標像素點為綠色分量即其行列地址奇偶性相同，則采用雙線性插值法 得到目標像素點插值處理后的RGB顏色值，進入步驟6;若目標像素點為紅色或藍色分量即 其行列地址奇偶性不同，則進入步驟3;
[0011] 步驟3,計算目標像素點3x3鄰域內每個像素點的水平、垂直梯度以及左、右對角線 梯度，并根據水平、垂直梯度的比值關系和左、右對角線梯度的比值關系得到每個像素點的 2個方向標志flagl和flag2;
[0012]步驟4,計算目標像素點3x3鄰域內所有像素點的方向標志flagl之和與flag2之 和，從而得到目標像素點的水平、垂直加權系數以及左、右對角線加權系數；
[0013] 步驟5,根據步驟4中目標像素點的水平、垂直加權系數以及左、右對角線加權系數 得到目標像素點插值處理后的RGB值；
[0014] 步驟6,判斷是否為最后一個待插值的目標像素點，若是則結束插值，若否則返回 步驟1。
[0015] 作為本發明的進一步優化方案，步驟1中5x5像素模板的獲取方法為:首先，使用5 個移位寄存器依次緩存5行視頻圖像數據;其次，讀取5行視頻圖像數據并組合即得到5x5像 素模板。
[0016] 作為本發明的進一步優化方案，步驟2中采用雙線性插值法得到目標像素點插值 處理后的RGB顏色值，具體為：
[0017] 若目標像素點的行列地址均為奇數，則根據公式1進行插值處理：
[0019]式中，（R，G，B)為目標像素點插值處理后的RGB顏色值，R32為5x5像素模板中第三行 第二列像素點的R顏色值，R34為5x5像素模板中第三行第四列像素點的R顏色值，G33為5x5像 素模板中目標像素點的G顏色值，B 23為5x5像素模板中第二行第三列像素點的B顏色值，B43 為5x5像素模板中第四行第三列像素點的B顏色值；
[0020]若目標像素點的行列地址均為偶數，則根據公式2進行插值處理：
[0022]式中，R23為5x5像素模板中第二行第三列像素點的R顏色值，R43為5x5像素模板中 第四行第三列像素點的R顏色值，B32為5x5像素模板中第三行第二列像素點的B顏色值，B34 為5x5像素模板中第三行第四列像素點的B顏色值。
[0023]作為本發明的進一步優化方案，步驟3中根據水平、垂直梯度的比值關系和左、右 對角線梯度的比值關系得到每個像素點的2個方向標志f Iagl和flag2,其中，各個像素點水 平、垂直梯度的比值關系和左、右對角線梯度的比值關系與Hagl和flag2的對應關系如下：
[0025]式中，Δ hi、八￥1分別為水平梯度和垂直梯度，Ah2、Av2分別為左、右對角線梯度。 [0026]作為本發明的進一步優化方案，步驟4中目標像素點的水平、垂直加權系數和左、 右對角線加權系數，具體為：
[0028]式中，α、β分別為水平、垂直加權系數，γ、δ分別為左、右對角線加權系數，flag_ totall、flag_total2分別為目標像素點3x3鄰域內所有像素點的方向標志flagl之和、 flag2之和。
[0029]作為本發明的進一步優化方案，步驟5中根據步驟4中目標像素點的水平加權系數 和垂直加權