第１０卷第２期
資訊與電子工程
２０１２年４月
ａｐｒ．，２０１２
文章編號
ｂａｙｅｒ濾波在微觀驅油動態影象採集中的應用
王正庚，滕奇志，何小海
（四川大學電子資訊學院，四川成都６１００６４）
摘要：根據ｂａｙｅｒ模板的特點，提出了一種改進的演算法，利用ｂａｙｅｒ圖
像資訊量少的特點計算自動白平衡的修正引數，使用該引數進行自動白平衡能夠實時快速地得到理想的彩色影象，減少了演算法的運算量，使演算法的處理時
間減少近一半。將該方法應用在微觀動態驅油系統中，可以觀察到光刻模型中油珠的運動細節。
關鍵詞：微觀動態驅油；高速採集；ｂａｙｅｒ彩色濾波陣列；彩色復原演算法
中圖分類號：ｔｎ９１１．７３
文獻標識碼：ａ
微觀驅替動態影象系統包括影象採集和影象分析，採集影象的質量對後續分析有重要意義。為了準確捕捉到驅替液和油水在孔隙和喉道中的運動情況，需要用高速攝像機進行影象採集，通過實驗得出結論，４５幀／秒的攝像頭採集速率能夠滿足要求，但普通計算機硬碟寫入速度不夠，要使４５幀／秒採集的影象完整儲存下來，對計算機硬體配置要求很高，計算機的成本過高。為解決此問題，本文提出一種方案，即採集８ｂｉｔ的ｂａｙｅｒ格式影象，然後進行彩色復原和自動白平衡，既保證了驅油過程影象的完整儲存，又降低了硬體成本。
採用雙線性插值法進行彩色復原時，由於光照會引起色溫的不同，使插值後的影象偏離正常顏色，需要對彩色復原後影象進行自動白平衡。常用的自動白平衡方法有演算法、ｒｅｔｉｎｅｘ演算法【ｌｊ和演算法等。其中ｇｒａｙｗｏｒｌｄ演算法運算量最小，對色彩豐富的影象白平衡效果非常好，但是對僅有幾種顏色分量的影象，白平衡就會失效。
ｒｅｔｉｎｅｘ演算法通過空間中每個畫素點的比較，估算影象ｒ，ｇ和ｂ的亮度值。其缺點是演算法過於複雜，運算速度慢，因此很少用於實際中演算法兼具ｇｒａｙｗｏｒｌｄ演算法和ｒｅｔｉｎｅｘ演算法在白平衡效果上的優點，在各
種情況下均能得到較為理想的彩色影象，但演算法存在運算量大，運算時間長的問題。本文根據原理，提出了一種改進的演算法，由於彩色復原後的影象是根據
ｂａｙｅｒ格式影象插值得到，利用ｂａｙｅｒ格式影象資訊量少的特點，計算出彩色復原後影象的自動白平衡修正係數，在保證自動白平衡效果的基礎上，簡化演算法的運算，從而減少自動白平衡的運算時間。
ｌ雙線性插值法
雙線性插值法是廣泛應用的插值演算法之一，對於圖１所示ｉ￣ｊｂａｙｅｒ彩色濾波陣列中的 ｇｇｂ濾波模式，雙線性
收稿日期修回日期
１７４插值演算法的流程如下【４】：
資訊與電子工程第１０卷
ｉ）綠色濾鏡感光點上的ｒ，曰值分別由相鄰的２個ｒ，ｂ畫素的灰度求平均值得到，尼值計算公式如下：
ｌ３＋ｒ３
ｒ一＝—
２ｂ２３：
１５ｇ２５月
ｇｉ６２６ｇ３６佔４６ｇ５６ｂ６６
墜（２）
ｒ５ｊｇ６１
２）紅、藍濾鏡感光點上的ｇ值由相鄰的４個綠色畫素求平均值得到，計算公式如下：
圖１ｂａｙｅｒ格式陣列ｇｕ一
＝一二ｇ３
（３）ｊ ｊ
ｇ４４：ｆ４１
３）紅色濾鏡感光點上的ｂ值南對角線上相鄰的４個畫素平均得到。計算公式如下：口一～
ｆ５４４）藍色濾鏡感光點上的ｒ值南對角線上相鄰的４個ｒ畫素平均得到。計算公式如下一±
（６１２改進的自動白平衡演算法
經過彩色復原後的影象，由於色溫差異往往會導致復原後影象偏離真實色彩，在低色溫光照條件下會整體偏紅，在高色溫光照條件下會整體偏藍。為了補償不同光照條件所引起的色差差異，需要對彩色復原後的影象進行白平衡，使影象更接近人眼觀察到的顏色演算法是一種較為理想的自動白平衡演算法，但是
演算法存在運算量大，運算時間長的問題自動白平衡演算法
演算法是基於這樣１個假設：在１個場景中，１幅彩色影象紅綠藍ｉ通道的畫素值之和是相等的 。因為在ｂａｙｅｒ ｃｆａ中，綠色佔據一半的分量，人眼對綠色更為敏感，能分辨更多的細節；同時，綠色也佔
據了可見光譜中最重要和最寬的位置，並且影象的ｇ通道分量在不同色溫的光源照射下，通常不會發生較大的改變 ｊ，所以本文保持綠色分量不變，以綠色分量為基準，求出修正紅色分量的係數。在式（７）中，ｍ×ｎ為影象的
大小，ｒ…，、
是進行自動白平衡修正後的第亍列通道畫素值，ｇ（）為第亍列畫素值。ｍｎ
ｍｎ∑∑矗＝∑∑ｇ（
ｘ＝ｌｙ＝ｌ
ｘ＝ｌｙ＝ｌ
（７）實際上在拍照時，由於光照的原因，紅綠藍三分量值的和並不相等，使得人眼看到的影象顏色偏離了正常的顏色，需要對紅綠藍三通道或者＝三通道中的部分通道進行修正，使得影象紅綠藍ｉ通道值的和相等。為滿足式（７），可用式（８）對影象各個畫素的通道進行修正：
ｒ（、，
ｙ）ｌ ，ｊ
川式中 ，為影象通道的修正係數，根據式（７）和式（８）可得：
「ｘ＝ｌ ｙ＝ｌ
ｘ＝ｌ ｙ＝ｌ
ｘ＝ｌ ｙ＝ｌ
１（９）
ｒ１０同時根據ｒｅｔｉｎｅｘ理論可以推出：
ｍａｘ｛，）
，，式中：ｍａｘ｛ｒ（）｝和ｍａｘ｛６（）ｊ分別為ｒ通道和ｇ通道畫素值的最大值；ｍａｘ｛ｒ（：川｝為ｒ值平方的最大值，聯合
第２期王正庚等：ｂａｙｅｒ濾波在微觀驅油動態影象採集中的應用１７５
ｉｌ∑∑ｒｍｎ２
，ｌｘ＝ｌｖ＝１
ｉｍａｘ￣ｅ（２ｘ川｝
由式（１１）ｎ求出ｂ／和ｖ的值，將求出的ｂ／，ｖ值代入式（８），可得到進行自動白平衡修正後彩色影象ｒ通道的值，
按同樣的方法可以求出修正通道的係數，從而修正彩色影象的通道，保持影象的ｇ通道值不變，這樣就得
到了自動白平衡後的理想彩色影象。
２．２改進的自動白平衡演算法
如圖１所示，
。和尺 ３點的ｇ分量和分量都是由周圍點插值得到，可以認為插值後彩色影象通道畫素
值總和是未插值前ｂａｙｅｒ影象的紅分量點（如圖１中３和１等點）畫素值總和的４倍；插值後彩色影象ｇ通
道畫素值總和是未插值前ｂａｙｅｒ影象的綠分量點畫素值總和的２倍，由演算法的先決條件一一在１個場景中，１幅彩色影象紅綠藍三通道的畫素值之和是相等的，可以知道，在彩色影象中未經插值的畫素點ⅳ∑∑ ｍ分量，綠色分量畫素值之和是紅色分量畫素值之和的２倍，於是有：ｒ
∑ｍ∑∑＝∑∑ｇ＾，
∑（１ｍ
２）同樣可以得到：＝甜
］ ● ●ｊ
（１３）
＝聯合式
∑得到：ｍｇ
「（１４）
將ｒｅｔｉｎｅｘ理論應用到ｂａｙｅｒ格式影象上，即得到彩色影象中畫素點未經插值的畫素分量：
（１５）
式（１２）～（１５）中ｒ）和ｇ分別代表彩色影象中ｒ通道和ｇ通道中未經插值的畫素點分量值，即對應ｂａｙｅｒ圖
像的ｒ感光點和ｇ感光點畫素值。求ｒ分量值時，ｘ和ｙ都為奇數；求ｇ分量值時，ｘ為奇數，ｙ為偶數，或ｘ為偶數，ｙ為奇數。根據式（１４）和式（１５），將式（１１）改進為：
『∑∑尺
∑∑（１６）
ｌｍａｘ｛ｒ￣｝
等式左邊，ｘ和都為奇數；等式右邊，ｘ為奇數，ｙ為偶數，或者ｘ為偶數，ｙ為奇數，這樣在計算「和ｖ的過程中減少了計算量，通道要計算的畫素點減少到原來的１／４，ｇ通道要計算的畫素點減少到原來的１／２。由於在彩色影象中，畫素的插值分量是根據ｂａｙｅｒ影象插值得到，所以係數ｂ／和１，可以用來修正整幅彩色影象的通道。同樣的，用這種方法可以減少求通道修正係數的運算量，求出通道的修正係數對影象的通道進行修正。
保持畫素的ｇ分量不變，這樣就得到了自動白平衡後的理想彩色影象。在整個自動白平衡運算中，把參與運算的資料量減少到原演算法的１／３。同理，該方法可以應用於其他的一些自動白平衡演算法，如ｇｒａｙｗｏｒｌｄ演算法等。
３ 在微觀驅油動態影象採集中的應用及分析
為驗證本方案演算法的正確性和可行性，在ｐｃ機上程式設計，檢視處理後的影象：圖２（ａ）是微觀驅替影象採集系統上採集得到的８ ｂｉｔ的ｂａｙｅｒ格式影象，圖２（ｂ）是彩色復原後的影象，圖２（ｃ）是自動白平衡處理後的影象，圖２（ｄ）是採用改進自動白平衡演算法得到的影象。
由圖２可以看出，將ｂａｙｅｒ影象插值成為彩色影象，然後對得到的彩色影象進行改進的自動白平衡校正，這樣可以得到理想的彩色岡像。由圖２（ｃ）和圖２（ｄ）還可以發現演算法和改進的演算法對影象進行白平衡的效果是一致的，與人眼觀察的驅油模型顏色一致，是可接受的。通過對大量的驅油模型
２期王正庚等：ｂａｙｅｒ濾波在微觀驅油動態影象採集中的應用１７７
文獻：張鈺，姚素英．改進的影象自動白平衡方法［ｊ］．資料採集與處理
胡磊．ｃｃｄ影象的顏色插值演算法研究及其ｆｐｇａ實現［ｄ】．武漢：武漢理工大學
谷元寶，付元卓．一種基於灰度世界模型自動白平衡方法［ｊ］．計算機**
簡介：王正庚（１９８７一），男，湖南省衡陽市人，在滕奇志（１９６１一），女，成都市人，博士，教授，
讀碩士研究生，研究方向為數字影象處理．主要研究方向為數字影象處理、模式識別、計算
機應用等
何小海（１９６４一），男，四川省綿陽市人，博士，教授，主要研究方向為通訊與資訊處理、影象處理與資訊系統、數字通訊等．
第ｌ６４頁１
廖成，楊丹，方劍．不同極化方向電磁脈衝作用於計算機機箱的效應分析［ｊ］．微波學報
簡介：黃輝敏（１９８６～），男，湖南省衡陽市人，在張衛東（１９６８一），男，河北省保定市人，教授，
讀碩士研究生，研究方向為電力系統電磁兼主要研究方向為光纖感測技術、訊號分析與處理、容
電力系統電磁相容等．
李繼琨（１９８５一），男，廣西桂林市人，在讀碩
士研究生，研究方向為電力系統電磁相容．
陳沛龍（１９８６一），男，貴州省六盤水市人，在
讀碩士研究生，研究方向為電力系統電磁相容．
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