ADAS传感器之摄像头(之七)-----车载摄像色彩感应及校正

前面有提到了,摄像头出来的信号一定要经过ISP处理,那ISP要怎么处理这些信号,有哪些处理,这些其实都是涉及到色彩相关的内容,首先我们进行色彩相关内容的科普,然后再讲解ISP怎么处理这些信号。

camera sensor效果的调整,涉及到众多的参数,如果对基本的光学原理及sensor软/硬件对图像处理的原理能有深入的理解和把握的话,对我们的工作将会起到事半功倍的效果。否则,缺乏了理论的指导,只能是凭感觉和经验去碰,往往无法准确的把握问题的关键,不能掌握sensor调试的核心技术,无法根本的解决问题。


色彩原理
  
人眼对色彩的识别,是基于人眼对光线存在三种不同的感应单元,不同的感应单元对不同波段的光有不同的响应曲线的原理,通过大脑的合成得到色彩的感知。一般来说,我们可以通俗的用RGB三基色的概念来理解颜色的分解和合成。

理论上,如果人眼和sensor对光谱的色光的响应,在光谱上的体现如下的话,基本上对三色光的响应,相互之间不会发生影响,没有所谓的交叉效应。

     

但是,实际情况并没有如此理想,下图表示了人眼的三色感应系统对光谱的响应情况。可见RGB的响应并不是完全独立的。

      

  下图则表示了某Kodak相机光谱的响应。可见其与人眼的响应曲线有较大的区别。
      

                                                       sensor的色彩感应的校正

既然我们已经看到sensor对光谱的响应,在RGB各分量上与人眼对光谱的响应通常是有偏差的,当然就需要对其进行校正。不光是在交叉效应上,同样对色彩各分量的响应强度也需要校正。通常的做法是通过一个色彩校正矩阵对颜色进行一次校正。



该色彩校正的运算通常是由sensor模块集成或后端的ISP完成,软件通过修改相关寄存器得到正确的校正结果。值得注意的一点是,由于RGB -> YUV的转换也是通过一个3*3的变换矩阵来实现的,所以有时候这两个矩阵在ISP处理的过程中会合并在一起,通过一次矩阵运算操作完成色彩的校正和颜色空间的转换。



                                                         颜色空间及变化

  实际上颜色的描述是非常复杂的,比如RGB三基色加光系统就不能涵盖所有可能的颜色,出于各种色彩表达,以及色彩变换和软硬件应用的需求,存在各种各样的颜色模型及色彩空间的表达方式。这些颜色模型,根据不同的划分标准,可以按不同的原则划分为不同的类别。      

     
 
匹配任意可见光所需的三原色光比例曲线

   对于sensor来说,我们经常接触到的色彩空间的概念,主要是RGB , YUV这两种(实际上,这两种体系包含了许多种不同的颜色表达方式和模型,如sRGB, Adobe RGB, YUV422, YUV420 …), RGB如前所述就是按三基色加光系统的原理来描述颜色,而YUV则是按照 亮度,色差的原理来描述颜色。

不比其它颜色空间的转换有一个标准的转换公式,因为YUV在很大程度上是与硬件相关的,所以RGB与YUV的转换公式通常会多个版本,略有不同。

常见的公式如下:

Y=0.30R+0.59G+0.11B  

U=0.493(B - Y) =  - 0.15R - 0.29G +0.44B  

V=0.877(R - Y) = 0.62R - 0.52G - 0.10B

    但是这样获得的YUV值存在着负值以及取值范围上下限之差不为255等等问题,不利于计算机处理,所以根据不同的理解和需求,通常在软件处理中会用到各种不同的变形的公式,这里就不列举了。

   体现在Sensor上,我们也会发现有些Sensor可以设置YUV的输出取值范围。原因就在于此。

     从公式中,我们关键要理解的一点是,UV 信号实际上就是蓝色差信号和红色差信号,进而言之,实际上一定程度上间接的代表了蓝色和红色的强度,理解这一点对于我们理解各种颜色变换处理的过程会有很大的帮助。

 

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