[发明专利]一种基于FPGA的超细电子内镜高清插值模块与方法

权利要求书

1.一种基于FPGA的超细电子内镜高清插值模块，其包括由FPGA芯片（2）和片外存储RAM（3）集成的FPGA系统（1），其特征在于：所述FPGA芯片（2）连接一个超细电子内镜（4）和一个高清医用监视器（5），实时处理和输出：将FPGA系统（1）中的处理过程分为三个步骤的流水线操作：第一个周期从输入设备（4）读入第一帧图像并缓存到片外存储RAM（3）中；第二个周期对片外存储RAM（3）缓存的图像进行高清超值，并继续从输入设备（4）读入第二帧图像并缓存到片外RAM（3）中，第三个周期向高清医用监视器（5）输出处理后的图像，插值处理第二帧图像，同时读取第三帧图像并缓存到片外RAM（3）。根据此流程循环往复直到停止视频输入并完成全部输出。

2.一种基于FPGA的超细电子内镜高清插值方法，采用根据权利1所述的超细电子内镜高清插值模块进行操作，其特征在于：包括以下操作步骤：

步骤1，对输入的视频图像进行色彩插值，恢复视频图像原有的色彩；

步骤2，根据步骤1中得到的色彩插值后的视频图像，用线性近似的双三次插值提升分辨率。

3.根据权利2所述的基于FPGA的超细电子内镜高清插值方法，其特征在于：所述步骤1，采用色彩插值恢复图像色彩包括以下具体步骤：

步骤1-1，根据超细电子内窥镜获得Bayer格式视频图像，获得待插值区域的5×5像素模板，该模板包括待插值像素点及其5×5领域内的其他像素点；

步骤1-2，若待插值像素点的行列地址奇偶性相同，则采用线性插值恢复待插值点缺失的RGB颜色分量；若待插值像素点的行列地址奇偶性不同，则进入步骤1-3；

步骤1-3，针对缺失的红/蓝分量，计算对角线的梯度值得到待插值点的红/蓝分量；

步骤1-4，针对缺失的绿色分量，计算待插值点的水平梯度和垂直梯度以及左、右对角线四个点的色差值，根据左、右对角线四个点的色差值计算得到待插值点5×5领域内的水平和垂直方向的色差；

步骤1-5，计算步骤1-4所得的色差值和梯度值之和，得到修正后的水平、垂直方向的梯度值，根据步骤1-4所得修正后的梯度值判断插值，如果水平方向梯度值大于垂直方向梯度值，则根据水平方向的已知像素点计算待插值点缺失的绿色分量，如果水平方向梯度值小于垂直方向，则根据垂直方向的已知像素点计算待插值点缺失的绿色分量，如果两者相同，则根据水平和垂直方向的已知像素点计算待插值点缺失的绿色分量。

4.根据权利3所述的基于FPGA的超细电子内镜高清插值方法，其特征在于：步骤1-1中所述获得待插值区域的5×5像素模板的方法为：从FPGA片外RAM中依次读取缓存的当前帧图像数据，用5个行缓存器存储当前所需的5行图像数据，并用5×5个移位寄存器读取当前所需的5×5像素模板。

5.根据权利3所述的基于FPGA的超细电子内镜高清插值方法，其特征在于：所述步骤1-4、步骤1-5中针对缺失的绿色分量的计算方法，具体为：

若待插值点为奇数行偶数列，则待插值点缺失的颜色分量为蓝、绿分量，其中蓝色分量计算方法如下，首先计算待插值点的水平、垂直梯度：

式中(R,G,B)为待插值点的红、绿、蓝三通道值，(R,G,B)后的数字则分别代表该像素点在5×5模板中的行数和列数，后续公式表示含义相同；

计算待插值点周围的色差差异：

其中，为水平方向色差差异值，为垂直方向色差差异值，P为待插值点对角线上的四个像素点，为该点3×3邻域水平方向上的色差值，为该点3×3领域垂直方向上的色差值；

计算梯度与色差差异的和，得到新的梯度值：

根据梯度方向判断边缘方向并进行插值，当时，待插值点处于水平边缘：

当时，待插值点处于垂直边缘：

当时，待插值点处于水平边缘：

若待插值点为偶数行奇数，则待插值点缺失的颜色分量为红、绿分量，其中绿色分量计算方法和上述相同，将式中的蓝色分量更换为红色分量。

6.根据权利2所述的高清插值方法，其特征在于：所述步骤2中采用线性近似的双三次插值提升视频图像分辨率，包括以下具体步骤：

步骤2-1，根据色彩恢复后的视频图像，获取4×4的像素模板，该模板包括待插值点周围4×4个像素点；

步骤2-2，根据待插值点与模板内其他像素点的垂直距离，计算垂直方向的插值系数；

步骤2-3，根据垂直方向插值系数计算垂直方向的四个虚拟像素点；

步骤2-4，根据待插值点与四个虚拟像素点的水平距离，计算水平方向的插值系数；

步骤2-5，根据水平方向的插值系数计算得到待插值点的像素值。