图像信号处理芯片设计原理----05 自动白平衡

本系列主要介绍图像信号处理器 (ISP, image signal processor) 中各核心算法模块的设计以及相关的前沿研究，以典型的相机成像系统为基础，涉及的内容包括各类缺陷校正，去马赛克，去噪，3A算法（自动对焦，自动曝光，自动白平衡），超分，HDR，风格迁移等主题。

本文将介绍色彩恒常性、色温、和自动白平衡方法。

色彩恒常性

人类感知的图像是由人的眼睛以及大脑皮层共同作用的结果。人眼视网膜上的视杆细胞负责感应亮度，三种视锥细胞负责感应红绿蓝三种原色，视网膜将光信号转换为生物信号传递给大脑，再经过大脑处理后，就呈现出了五彩缤纷的世界。

人类视觉系统在长期进化的过程中，能够在复杂的光照条件下，正确的感知物体表面的颜色的特性称之为色彩恒常性（Color Constancy）。例如前段时间非常火爆的网图，实际上从图片1细节上来看这条裙子是蓝黑色相间的条纹，但在大多数人眼里这条裙子却是白金色的。这正是因为人类视觉系统具有色彩恒常性，自动过滤掉了右上角的光源，还原出裙子本身的色彩。

图1

色温

色温（Color Temperature）是表示光线中包含颜色成分的一个计量单位。从理论上说，黑体温度指绝对黑体从绝对零度（－273℃）开始加温后所呈现的颜色。黑体在受热后，逐渐由黑变红，转黄，发白，最后发出蓝色光。当加热到一定的温度，黑体发出的光所含的光谱成分，就称为这一温度下的色温，计量单位为“K”（开尔文）。

图2

晴朗的天空色温大概在6500K – 9000K之间，为冷色调，具有冷静凝重的氛围效果，在办公室内通常采用冷色调光源。夕阳的余晖色温大概在2000K – 3500K之间，为暖色调，具有温暖舒适的氛围效果，在家庭灯光选择上通常采用暖色调。

图3

白平衡

为了解决光源色温对相机成像的影响，让ISP具有与人眼类似的色彩恒常性的模块称之为自动白平衡（Auto White Balance ,AWB）模块，其目的是解决图像色彩失衡的问题。

常用的白平衡算法有三种，下面分别来进行介绍。

灰度世界法

灰度世界算法以灰度世界假设为基础，该假设认为：对于一幅有着大量色彩变化的图像，RGB三个分量的平均值趋于同一灰度值。从物理意义上讲，灰色世界法假设自然界景物对于光线的平均反射的均值在总体上是个定值，这个定值近似为“灰色”。 颜色平衡算法将这一假设强制应用于待处理图像，可以从图像中消除环境光的影响，获得原始场景图像。

图4

完美反射法

完美反射法假设图像中最亮的点为白点，并以此白点为参考对图像进行白平衡处理，其中最亮点定义为R+ G + B的最大值。

图5

动态阈值法

动态阈值法同样是寻找白点，与完美反射法不同的是，动态阈值法寻找白点的阈值是可以动态设定的。通常将图片划分为3x4的块，计算块中的平均值和方差来寻找白点，再进行白平衡调整。

图6

参考文献：

[1]https://baike.baidu.com/item/色温

[2]https://blog.csdn.net/u012736685/article/details/50730784

[3]https://blog.csdn.net/just_sort/article/details/85982871

[4]https://www.cnblogs.com/Imageshop/archive/2013/04/20/3032062.html