一种基于梯度的Bayer格式图像插值方法及基于FPGA的显示装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于梯度的Bayer格式插值方法及基于FPGA的显示装置，特别是 涉及一种基于FPGA的将Bayer格式图像插值还原成24位真彩色图像的方法，适合要求需要 高集成度、高分辨率、高速率和图形叠加的视频显示装置。
【背景技术】
[0002] 当下的计算机技术发展惊人，但由于计算机只是一种高级的工具，需要受到人的 控制和管理，因此人机交互技术得以发展。人机交互技术就是研究如何通过有效的方式实 现人与计算机对话的技术。人机交互通常包括了计算机通过输出或显示设备给人提供大量 信息及提示等，以及人通过输入设备向计算机输入有关信息等。而图像显示装置则是在人 机交互装置中的重要组成部分。一个完整的图像显示装置的设计主要涉及了硬件和软件两 个部分。传感器，显示器和中央处理器组成了硬件架构，软件设计模块则主要实现了信号的 采集、处理，存储以及输出显示这几个功能。目前，图像显示装置己被广泛应用于许多领域。 比如汽车电子，医疗设备，工业检测，航空电子等领域中显示装置都起着举足轻重的作用。
[0003] 现有的图像显示装置通常是采用CMOS或CCD传感器采集原始的Bayer阵列图像。为 了得到24位真彩色的图像，需要进行颜色插值操作，但多数效果较好的颜色插值算法都是 非线性的，一般是基于二阶Laplacian变换得到，因此必须基于DSP来实现，处理速度往往受 限于CPU的运算能力。因此充分利用FPGA的并行运算优势，选择适用的算法，成为了当今图 像处理领域的一个发展趋势。在当前FPGA平台上通常会直接采用2x2插值或双线性插值算 法，但前者会导致图像分辨率的缩小，后者会导致图像边缘细节上的模糊。虽然可以引入梯 度方向的判断对双线性插值算法进行优化，但效果仍不尽如人意。在存储方面，目前的装置 为了实现视频图像和参数图形画面的缓存，通常使用多片外载存储器进行存储，使得装置 读写控制变得复杂。种种因素的集合意味着显示装置还有着提升的空间。
[0004] 当应用于航空电子领域中时，显示装置作为机载电子装置的重要组成部分，在飞 行过程中，可以显示飞机四周的外景实况和当前飞行的参数，能使座舱的显示变得更加直 观、方便和灵活三种，但也因此对装置的集成度，图像分辨率，和仪表的清晰、实时的叠加显 示提出了更高的要求。
[0005] 当前比较常用的机载显示装置多是采用FPGA作为协从处理器配合主处理器DSP进 行数据的采集和运算，这样的组合会造成装置的结构变得复杂，不易于对装置进行升级和 移植。比如北京航空航天大学针对视频图像采集与处理的应用要求，提出了基于双核DSP搭 配FPGA的构架设计，DSP作为主处理器，通过其专用的PPI视频接口配合DMA控制器控制视 频图像的采集、存储。FPGA作为协处理器，完成对视频图像的预处理中并为DSP提供部分寄 存器扩展。该方案实现了视频图像的实时采集与处理，具有良好的实时性，但装置集成度不 高，设计过程复杂。北京中科院同样设计了一种基于DSP和FPGA的硬件平台，平台采用DSP协 同两片FPGA芯片同时工作的方式实现如视频采集模块、输入缓存模块、视频处理模块、视频 输出缓存模块和视频图像链路传输模块的功能，并在这个平台上实现了一种彩色视频图像 增强算法。缺点是装置复杂度较高，运算时间较长。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于梯度的Bayer格式插值方法及装置， 本发明的方法在插值效果上比一般的线性算法更好，同时在算法的复杂度上没有太多提 升;设计的显示装置可以根据不同的要求快速，稳定的采集并清晰显示叠加了参数图形的 视频图像且结构简单，集成度高，具有较高的可移植性和实用价值。
[0007] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0008] -方面，本发明提供一种基于梯度的Bayer格式插值方法，包括以下具体步骤：
[0009] 步骤1，获取5x5像素模板，该模板包括待插值的目标像素点及其5x5邻域内的其他 像素点；
[0010] 步骤2,若目标像素点为绿色分量即其行列地址奇偶性相同，则采用双线性插值法 得到目标像素点插值处理后的RGB颜色值，进入步骤6;若目标像素点为红色或蓝色分量即 其行列地址奇偶性不同，则进入步骤3;
[0011] 步骤3,计算目标像素点3x3邻域内每个像素点的水平、垂直梯度以及左、右对角线 梯度，并根据水平、垂直梯度的比值关系和左、右对角线梯度的比值关系得到每个像素点的 2个方向标志flagl和flag2;
[0012]步骤4,计算目标像素点3x3邻域内所有像素点的方向标志flagl之和与flag2之 和，从而得到目标像素点的水平、垂直加权系数以及左、右对角线加权系数；
[0013] 步骤5,根据步骤4中目标像素点的水平、垂直加权系数以及左、右对角线加权系数 得到目标像素点插值处理后的RGB值；
[0014] 步骤6,判断是否为最后一个待插值的目标像素点，若是则结束插值，若否则返回 步骤1。
[0015] 作为本发明的进一步优化方案，步骤1中5x5像素模板的获取方法为:首先，使用5 个移位寄存器依次缓存5行视频图像数据;其次，读取5行视频图像数据并组合即得到5x5像 素模板。
[0016] 作为本发明的进一步优化方案，步骤2中采用双线性插值法得到目标像素点插值 处理后的RGB颜色值，具体为：
[0017] 若目标像素点的行列地址均为奇数，则根据公式1进行插值处理：
[0019]式中，（R，G，B)为目标像素点插值处理后的RGB颜色值，R32为5x5像素模板中第三行 第二列像素点的R颜色值，R34为5x5像素模板中第三行第四列像素点的R颜色值，G33为5x5像 素模板中目标像素点的G颜色值，B 23为5x5像素模板中第二行第三列像素点的B颜色值，B43 为5x5像素模板中第四行第三列像素点的B颜色值；
[0020]若目标像素点的行列地址均为偶数，则根据公式2进行插值处理：
[0022]式中，R23为5x5像素模板中第二行第三列像素点的R颜色值，R43为5x5像素模板中 第四行第三列像素点的R颜色值，B32为5x5像素模板中第三行第二列像素点的B颜色值，B34 为5x5像素模板中第三行第四列像素点的B颜色值。
[0023]作为本发明的进一步优化方案，步骤3中根据水平、垂直梯度的比值关系和左、右 对角线梯度的比值关系得到每个像素点的2个方向标志f Iagl和flag2,其中，各个像素点水 平、垂直梯度的比值关系和左、右对角线梯度的比值关系与Hagl和flag2的对应关系如下：
[0025]式中，Δ hi、八￥1分别为水平梯度和垂直梯度，Ah2、Av2分别为左、右对角线梯度。 [0026]作为本发明的进一步优化方案，步骤4中目标像素点的水平、垂直加权系数和左、 右对角线加权系数，具体为：
[0028]式中，α、β分别为水平、垂直加权系数，γ、δ分别为左、右对角线加权系数，flag_ totall、flag_total2分别为目标像素点3x3邻域内所有像素点的方向标志flagl之和、 flag2之和。
[0029]作为本发明的进一步优化方案，步骤5中根据步骤4中目标像素点的水平加权系数 和垂直加权