濾色陣列的設(shè)計(jì)研究.pdf

1、在數(shù)字彩色成像中，原始圖像一般是通過(guò)一個(gè)覆蓋了濾色陣列的傳感器獲取的。濾色陣列(color filter array, CFA)只允許傳感器的每個(gè)像素記錄一種顏色的值。從原始圖像重建全彩色圖像的過(guò)程稱為去馬賽克（demosaicking）。CFA可能會(huì)導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的顏色錯(cuò)誤，因此，它與去馬賽克算法一樣，是決定重建彩色圖像質(zhì)量的關(guān)鍵因素。Bayer CFA是市場(chǎng)上最為流行的CFA，但是，它有兩個(gè)根本性的不足。第一個(gè)是它在頻域里存在光譜重疊

2、，使得它傾向于發(fā)生混疊錯(cuò)誤。第二個(gè)不足是它阻塞了大部分的入射光，制約了它在高速成像和低光照成像問(wèn)題中的性能。經(jīng)過(guò)幾十年的研究，許多新的CFA被提出以克服Bayer CFA的這兩個(gè)不足。然而，仍然存在一些重要問(wèn)題亟待研究。第一，一些研究者已經(jīng)指出動(dòng)物視網(wǎng)膜的不規(guī)則布局有利于減少混疊錯(cuò)誤。但是，所有受生物視網(wǎng)膜啟發(fā)的CFA都把不規(guī)則布局簡(jiǎn)化為使用正方形像素的規(guī)則布局。第二，基于頻域的CFA設(shè)計(jì)是一種有理論依據(jù)的最小化光譜重疊的設(shè)計(jì)方法。然而

3、，已有的頻域設(shè)計(jì)方法都需要大量的人工參與。第三，人們對(duì)高光敏感彩色攝像機(jī)的需求變得越來(lái)越強(qiáng)烈。但是，這一問(wèn)題并未得到研究者的充分關(guān)注。
　　本文對(duì)CFA設(shè)計(jì)所涉及的上述三個(gè)重要問(wèn)題進(jìn)行研究，主要取得了以下創(chuàng)新成果:
　　(1)提出了彭羅斯(Penrose)像素布局用于彩色成像。彭羅斯像素布局可以均勻三著色，這就保證了重建彩色圖像的質(zhì)量。此外，彭羅斯像素布局僅使用兩種形狀的像素，制造相對(duì)簡(jiǎn)單（雖然不及正方形和六邊形像素布局簡(jiǎn)單

4、）。如果將來(lái)采用不規(guī)則像素布局用于彩色成像，應(yīng)首先考慮彭羅斯像素布局。為了測(cè)試彭羅斯像素布局的性能，我們提出了一個(gè)基于稀疏表示的彭羅斯去馬賽克算法，該算法比規(guī)則去馬賽克算法更為困難。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，彭羅斯像素布局要優(yōu)于規(guī)則像素布局。
　　(2)提出了一種自動(dòng)的頻域設(shè)計(jì)CFA的方法。該方法基于CFA的頻域結(jié)構(gòu)表示。我們首先利用多目標(biāo)優(yōu)化來(lái)得到頻域結(jié)構(gòu)的候選。這些候選的頻域分量之間的重疊被最小化。然后，優(yōu)化每個(gè)候選的參數(shù)，我們將該步驟形

5、式化為一個(gè)約束優(yōu)化問(wèn)題，并使用交錯(cuò)方向法(alternating direction method，ADM)來(lái)求解。所提出的參數(shù)優(yōu)化方法可適用于任意的頻域結(jié)構(gòu)，包括含有共軛色度副本的頻域結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的優(yōu)越性。
　　(3)提出了一種有理論依據(jù)的設(shè)計(jì)高光敏感CFA的方法。該方法也依賴于CFA的頻域結(jié)構(gòu)表示。我們首先得到頻域結(jié)構(gòu)候選，這些候選可以得到具有或超過(guò)期望全色像素(panchromatic pixels)比例的C