基于FPGA的Bayer彩色自动白平衡设计与实现

G和B三色光后，分别投向三块CCD，这样在信号输出时就可以获得每个像素的三基色信息。Bayer格式的CCD感光表面覆盖有如图3所示的CFA，CFA上每个格点仅允许通过一种颜色分量，使每个感光单元只产生一个分量的灰度值。要获得每个像元的[r，g，b]信息，需要用到色彩空间插值。

Bayer CCD相机与全色相机相比，有价格相对便宜、要求进入光线的照度低、输出帧频高等优点，被广泛应用于工程实践中。本文所用的Bayer CCD相机有效像元数为1 024×1 024，帧频为30 Hz，像素时钟为45 MHz，像素位深度为8 bit，以Camera Link协议输出。

Camera Link是专门为数字摄像机提出的一种工业级的高速数据连接与传输协议。采用LVDS(Low Voltage Differential Signaling)技术，使用较少的连线，却能达到理论上最大1.923 G b/s的传输速率，并且传输距离比普通的传输方式更远。Camera Link标准中包含Base、Medium、Full 3种规范，其中Base规范只需要一个26针的连接器即可实现。26 bit信号中包括：5对图像数据信号(X0，X1，X2，X3，Xclk)，X0~X3传递图像数据，Xclk传递像素时钟；4对相机控制线(CC1，CC2，CC3，CC4)，相机制造商可以自由定义各控制信号的功能以满足其特殊产品；2对异步串行通信信号线(SerTC，SerTFG)，可用于相机和图像采集卡之间的异步串行通信；2对屏蔽线，直接接地即可。在本文所述的系统只需要用到5对图像数据信号线。

本文采用的Camera Link协议芯片为DS90CR288A和DS90CR287，最高工作频率为85 MHz，能满足系统设计要求。DS90CR288A把接收到的4路LVDS数据信号和1路LVDS时钟信号，分别转换为28 bit的CMOS/TTL并行数据和像素时钟信号。4路LVDS数据线能传递28 bit数据，传递频率是LVDS时钟信号的7倍，最高可达595 MHz。28 bit数据中包括24 bit像素信号，1 bit帧同步信号(FVAL)、1 bit行同步信号(LVAL)，1 bit数据有效信号(DVAL)和1 bit保留信号。在FPGA设计中，只需要应用帧、行同步信号，像素时钟和有效的像素信号即可完成对图像数据的处理。DS90CR287的工作过程和DS90CR288A相反，把数据和同步信号转换为LVDS信号传递出去。

系统用的主芯片为Altera公司的Cyclone III系列芯片EP3C16Q240C8，其具有丰富的逻辑资源和触发器资源，内嵌大量乘法器和丰富的RAM资源，特别适合时序操作和大量数据的并行运算。系统还用到容量2 MB的2块SRAM，最短访问周期10 ns，可以把处理后的图像数据存于其中，供板上其他系统使用。

3 EDA设计

FPGA的设计采取自顶向下的模块化设计方法，系统的一级框图如图4所示。

写SRAM模块根据帧、行同步信号、像素时钟以及行、列偏移量，获得有效像素的起止，把像素数据存入SRAM。白平衡处理过程就在写SRAM模块中完成。“双向开关”由FVAL_In信号触发，起到信号线切换的作用，完成乒乓操作。当写SRAM模块把数据写入SRAM_A的同时，读SRAM模块从SRAM_B读取数据，当写SRAM模块把数据写入SRAM_B的同时，读SRAM模块从SRAM_A读取数据。读SRAM模块读取SRAM中的像素数据并以Camera Link 协议的形式传出。从整体效果上看，数据能源源不断地流过系统。

写SRAM模块中白平衡过程如图5 所示。

电路中色温校正模块，色温统计模块和增益计算模块连接形成一个负反馈回路，能根据场景色温的变化，实时修正增益系数，使修正后的图像稳定在白平衡状态。

在色温统计的过程中没有必要对全平面像素做统计，为了编程和设计的方便，本文在每个4×4的块中选两点做色温统计，如图3中的(2，1)和(1，2)两个点。在色彩空间转换之前需要进行色彩插值，恢复待测像素的三原色数据[r，g，b]，用线性插值法恢复的算法如下。


恢复每一个像素的[r，g，b]值，需要用到相邻的3×3范围的像素值，然而相机数据是逐行依次输出的，所以必须暂存至少3行的像素值。本文引入一块8 KB的DPRAM，可以存储8行的像素信息。色温校正模块把数据写入外部SRAM的同时也把数据存入了内部的DPRAM，存满了8 KB的空间后，从地址0重新开始写入。把DPRAM分为上下两半页，每存好半页后， Bayer转RGB模块便从刚存的半页中寻址，读取数据，进行插值转换。
用Quartus II设计的DPRAM宏模块，如图6所示。可以看出输入DPRAM的信号都是在时钟上升沿锁存的，输出不锁存。访问DPRAM以及完成插值过程可用“12状态法”实现，如图7所示。实验仿真图，如图8所示。

时间分析：相机输入4行数据的时钟周期数至少为1 144×4=4 576 T，上述过程操作时间为：1 024/4×12=3 072 T，所以上述转换过程能在色温校正模块