图像自动白平衡算法与FPGA实现_fpga 白平衡

一、前言

白平衡，基本意义是不管任何光源下，都能将白色物体还原为白色，对特定光源下拍摄时出现的偏色现象，通过对应的补色进行补偿。日光灯下图像偏绿，钨丝灯下发黄，自然光下偏蓝。

二、算法原理

世界灰度法：该假设认为对于一幅有着大量色彩的图片，RGB三个分量的平均值趋向于同一个灰度K。首先求出图片RGB三个颜色分量的平均值Rmean、 Gmean 、Bmean，再求出图片的平均值，Fmean = (Rmean+ Gmean +Bmean)/3，kr = Fmean/ Rmean既是红色分量的增益，R = r *kr即是白平衡后的图片的红色分量。绿色与蓝色同理。

三、MATLAB仿真实现

算法总体来说还是比较简单的，MATLAB实现也不困难，对比两图，发现左边的原图确实有点发黄，右边处理过后确实白色更白一点，更接近真实的颜色。

四、FPGA实现

芯片：A7100t

屏幕分辨率：1080P

图片分辨率：312*415

接口：HDMI

FPGA实现这个算法也不难，估计就是一个小时的时间，但是调试过程中发现如下几个问题：

1、在算法转换过程中数据溢出。

表现就是颜色错误，比如白色部分为黄色，蓝色颜色溢出。比如强度为255的颜色分量，图片的强度是100，颜色的强度是90，那么根据算法255*100/90 = 283，明显大于255，但是我在RGB888显示过程会忽略高位数据，那么283在显示中其实只有28，那么就会莫名其妙颜色不对。处理方法也很简单、粗暴，如果大于255就截断取255，小于255就取原值。

2、时序不收敛。

由于数学算法需要从脚本语言即MATLAB翻译成verilog语言，verilog是硬件描述语言，描述出的电路不同会影响时序。例如我一开始全部使用assign wire描述算法过程，setup slack最差-30多纳秒，总体有3000多纳秒的slack，直接导致屏幕都点不亮，后面改用流水线，发现setup slack下降到-16ns，屏幕能点亮，但是图片上有一些莫名其妙的颜色。通过查验时序报告，发现setup slack最差的时序路径是由kr = Fmean/ Rmean这个除法器带来的，这个就很尴尬了，因为除法是算法必需的过程，除法用减法来实现也是一个思路，但是比较麻烦、不直接。我是采用VIVADO自带的除法IP核，最后把setup slack降到了-2 ns，这个时候效果比较好了，这个-2 ns其实是Fmean = (Rmean+ Gmean +Bmean)/3过程的除法器带来了的。不过不影响整体效果，而且原因是同样的，就无所谓了。