针对Bayer格式的彩色滤波阵列，鉴于传统去马赛克算法存在图像纹理和边缘模糊的现象，提出了一种基于多梯度的区域自适应去马赛克算法。该算法利用区域水平和垂直方向的梯度组算子来判断区域平滑程度和插值方向，从而有效地恢复绿色分量，同时根据色度差恒定原理来还原另外两个丢失的颜色信息。实验结果显示，相对于传统插值算法提高了图像的峰值信噪比，锐化了图像的纹理和边缘，改善了图像的视觉质量。
4768 计算机应用研究 28 R+m+21]+∑,[B +m,J+ +1|+2G (B +B n=±1 G 3红色(蓝色)像素处的蓝色(红色)像素的值计算 I IB 4+m-1-B:+m,j+1|+ 红色(蓝色)像素处的蓝色(红色)像素的值同样根据色度 (12)差规律来计算。图1中(a)是中心为红色像素,(b)是中心为 代表水平方向的梯度组,代表垂直方向的梯度组,蓝色像素。图1(a)中蓝色像素的值的计算式为 两个方向算子LH和LV用来判断此5×5的区域内平滑度和插 =0+4n21n21(B+m+n-51+4+) 值方向,如果某一方向的梯度组的值小,说明此方向比较平滑 图1(b)中计算红色像素的值的公式为 像素间的相关性强)。定义这两个方向算子的比率: Ly LH r1=gi+4m=±1a=1 R ,+n8z+m,+ (22) e= rnax LH'/ (13) 经过以上三步对缺失像素的插值处理后,可以恢复出纹理 用此比率来判断区域的平滑程度。如果ε>T,则认为是和边缘比较清晰的全彩色图像,降低重建图像中的马赛克现 边缘明显,这里7是一个设定的阈值(本文中取值为2)。用式象。本算法中,用到了水平和垂直方向的梯度组来判断插值方 (11)和(12)在5×5的区域内判断方向插值缺失的绿色像素向,并且插值区域是根据区城的平滑度动态变化的,所以利用 值,缺失的绿色像素按照式(14)~(16)来川算 的纹理和边缘信息量增加,从而纹理和边缘的恢复相刈更清晰 (G,;-1+G1,;+1)(2R1,-R21-2-R1,+2) g LH < LV(14) 且计算的复杂度较低 +G1+1,)(2R1;-R2 R if LH> LV(15) 3实验结果 (G-1+G+1+G-1+G+1) 实验中,通过采集彩色图片的红、绿和蓝三通道的相应值 来构成Baer原始阵列,然后通过双线性插值(简称BI)、边缘 (4k-k=2=B+3=k=2=2,LB=L(16)检测的插值(简称ED)、平滑色度插值(简称SH)、基于二阶 拉普拉斯修正因子的插值(简称ICⅠ)和本文提出的插值(简称 如果e<T,则认为是半滑区域,然后可以扩大搜索区域为 MGARI),对原始的 Bayer格式图像进行图像插值重建处理 图2中9×9的区域以相同的方式来处理。 同时,通过 CPSNR(彩色峰值信噪比)函数来评定确切的插值 j4j-3j-2j-1jj+1j+2j+3j+4 效果。CKNR定义如下 i-4 2552 CPSNR =10 logIC CMSE (23) -1 LG 其中: GRIGIRIGIRIG CMSE= 3HW b=RG.B1T= ∑∑(l(i,i)k-l(i,)k (24) 其中,L(i、j)k和l(ik分别表示原始图像(i)像素点的色 彩值和插值重建图像对应的像素点的色彩值;H和W表示图 图29×9的 Baver型阵列区域图 像尺寸的大小; CPSNR反映了插值图像与原始图像相符合的 在式(11)和(12)中,用到了不同颜色的多个一阶和二阶程度;CMSE则反映了重建图像与原始图像之间的误差。 梯度来判断区城的插值方向,由于9×9的区域计算量大,所以 CPSNR值越大,说明插值后得到的图像效果越好。 如果能判断出边缘比较明显,则在5×5的区域内采用式(11) 针对前面介绍的自适应插值算法和文提出的多梯度的 和(12)来判断插值的方向,这样既可以节省时间又可以得到区域日适应插值算法,在实验中用大量图像对这几种算法进行 相对较好的恢复效果。如果判断为平滑区域,则在式(11和了测试。图3是其中所用到的六幅测试图像,图4-9分别是 (12)的基础上增加梯度数量到9×9的区域内,然后判断插值对图3中六幅图像采用不同插值算法的测试结果,图10是图 方向来恢复缺失的像素值。 4结果中的部分放大区域。由图4~9可以看出,本文算法恢 2.2绿色像素处的红色和蓝色像素的值计算 复的图像在边缘和纹理上相对其他算法明显更清晰。由图10 的部分放大区域可以看出,本文算法的失真相对要少,图像重 根据色度差恒定原理,在一个小的区域内像素的值比建质量婁好得多。通过计算不同算法获得的图像峰值信噪比 较接近即色度的差值基本保持不变,并且这也体现了色度之间来判断插值恢复的效果。表1给出了几种彩色插值算法 的相关性,基于已经恢复出所有的绿色像素和色度分量的相关 PSNR值的比较,从表1中可以看出本文算法的 CPSNR明显 性来恢复红色和蓝色像素,图1(c)和(d)是中心像索为绿色高丁其他算法。 像素的5×5区域。如图1(c)中恢复红色和蓝色像素为 表1几种彩色插值算法的CsNR匕较 v)+7= -1+;,;+1-8 Inages BI EDI SHI MGARI 26.18 35.01 410 31.23 37.55 图1(d)中恢复红色和蓝色像素为 23.61 26.41 32.74 (R 5U.5) 34.22 32.64 35.27 ri (19) f 32.68 33.75 35.69 第12期 杨晓飞,等:基于多梯度的区域自造应去马赛克算法 4769 翠幽幽 [2 ADAMS, JAMES E. Intersections between color plane interpolation and other image processing functions in electronic photography C / Proc of SPIE, vol 2416. San Jose: SPIE. 1995: 144-151 ■ [3 Hou H, ANDREWS H Cubic spline for image interpolation and digital filtering[ J. IEEE Trans on Acoustics, Speech and Signal Pro dSHI (eLCI ( fMGARI 图3测试图片 图4图3a)的不同 cessing,1978,26(6):508-517 算法的插值结果 [4 LONGERE P, ZHANG Xue-mei, DELAHUNT P B, et al. Perceptual assessment of demosaicing algorithm performance J. Proceedings 醒圖盟艰 of the eee,2002,90(1):123-132 (a)Original (bBl (cEDI (a)Original (b)BI (c)EDI [5 ELIASON P T, SODERHLOM L A, CHAVEZ P S Extraction of topo- 饞■瞞盟盟 graphic and spectral albedo in form ation from multi spectral images [J. Photogrammetric Engineering Remote Sensing, 1981, 48 (d)sHI (e)LCI (nMGARI (d)sHI e)LCI OMGARI (11):1571-1579 图5图3(b)的不同 图6图3(c)的不同 算法的插值结果 算法的插值结果 1 6 COK D R, Eastman Kodak Company. Signal processing method and apparatus for producing interpolated chrominance values in a sampled 圖幽司 olor image signal; U. S, 4642678[P].1987 [7 WELDY J A. Optimized design for a single-sensor color electronic (a)Original (b BI cEDI original BI c)EDI camera system[C//Proe of SPIE, vol 1071. San Jose: SPIE, 1988 300-307 dsHI (e)LCI (MGARI (d sHI eLCI (MGARI [8 HIBBARD R H. Apparatus and method for adaptively interpolation a 图7图3d)的不同 图8图3e)的不同 full color image utilizing luminance gradients: U.S., 5382976P 算法的插值结果 算法的插值结果 1995 齒齒圃圓 [9] LAROCHE C A, PRESCOTT M A. Apparatus and method for adap tively interpolating a full color image utilizing chrominance gradients (oRginal (bBI (c)EDI (a)Original (b)BI (e)EDI U.S.,537332].1994 10 ADAMS E, Jr HAMILTON J F. Adaptive color plane interpolation in (d)SHI (e)LCI (MGARI (d)SHI(e)LCI (OMGARI single sensor color electronic camera: U.S., 5506619[P. 1996 图9图3(的不同 图10图4的部分 [11. ADAMS J E. Design of practical color filter array interpolation algo 算法的插值结果 放大区域 rithms for digital cameras [C//Pmc of International Conference on Image Processing. 1997: 117-125 [12 ADAMS J E, Jr HAMILTON J F. Adaptive color plane interpolation in single sensor color electronic camera: U.S., 5629734 P.1993 4结束语 [13. CHANG E, CHEUNG S, PAN D Y. Color filter array Recovery using a threshold-based variable number of gradients[ C. //Proc of SPIE. San 本文针对图像重建过程中存在马赛克现象,提出了基于多 Jose:sPI.1999:36-43 梯度的区域自适应去马赛克插值算法。该算法综合利用了区14. RAMANATH R, SNYDER WE. Adaptive demosaicking[J]. Journal 域梯度信息与色度差相关性信息,首先利用区域的不同梯度组 of Electronic Imaging, 2003, 12(4): 633-642 I 15 LIAN Nai-xiang, CHANG Lan-lan, TAN Y P, et aL. Adaptive filtering 对绿色分量进行插值处理,在此过程中,根据区域的平滑程度 for color filter array demosaicking[ J]. IEEE Trans on Image Pro- 动态变化区域的大小;然后参照已恢复的绿色分量和色度相关 cessing,2007,16(10):2515-2525 性,进一步恢复出红色和蓝色分量。实验结果表明,本算法能 [16. CHUNG K H, CHAN Y H Color demosaicing using variance of color 更有效地改善其他插值算法所岀现的纹理和边缘模糊现象,使 differences[ J]. IEEE Trans on Image Processing, 2006, 15(10) 29442955 图像的纹理区域的细节更清晰,恢复后的图像峰值信噪比明显117WUⅹi-lin, ZHANGⅹ Iang -Jun. Joint color decrosstalk and demosai- 提高,且算法相对简单,具有较好的应用价值。相对于通用的 cking for CFA cameras[J.IEEE Trans on Image Processing 插值算法,算法在主观和客观两方面得到了很好的图像插值 2010,19(12):3181-3189 18 KIMMEL R Demos aicing: image reconstruction from color CCD sam- 恢复效果。 les[ J]. IEEE Trans on Image Processing, 1999,8(9):1221 参考文献 [13 LI Qi. XU Zhi-hai, FENG Hua-jun. Study on new interpolation algo. [19. PEI S C, TAM I K. Effective clor interpolation in CCD color filler ar rithm for pixel color of CCD in digital camera[ J]. Optoelectronic Engineering, 2002, 29(3): 6 Technology,2003,13(6):503-513 上接第4765页) [8 PAGLIERONI D W. Distance transform: properties and machine vision [4]王铭生.喷墨打印杌打印文件检验[J].刑享技术,1998(4):21 application[ J]. 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IEEE Trans on Pattern Analysis and Ma plications[ C]//Proc of the SPIE Internaticnal Conference on Securi chine Intelligence, 1999, 21(3): 258-262 Iy, Steganography, and Watermarking nf Multimedia Contents VI.[12陈庆虎,邓伟,浍岩恺.图像整体高倍放大扫描系统:中国 2005:430-440 200920084691[P].2010-01-20.