4. 自动白平衡（AWB）算法原理：色温与色彩恒常性

自动白平衡，说白了就是让相机在不同光线下都能把白色拍成白色。你想想看，白炽灯下拍的白纸偏黄，日光灯下偏绿，阴天偏蓝——人眼会自动纠正，但传感器不会。AWB 要做的，就是模拟人眼的这种色彩恒常性。

我刚开始做 ISP 调优时，觉得 AWB 不就是算个增益嘛，后来在项目里被各种极端场景折磨过，才明白这里面门道有多深。今天咱们就把 AWB 的底牌翻出来看看。

4.1 色温与色彩恒常性

色温不是温度，是光源颜色的度量。单位是开尔文（K）。数值越低越暖（烛光 ~2000K），越高越冷（阴天 ~7000K）。

光源类型	典型色温（K）	视觉感受
烛光	1500-2000	暖黄
白炽灯	2700-3200	暖白
日光灯	4000-5000	中性偏绿
正午日光	5000-5500	标准白
阴天/阴影	6500-7500	冷蓝

色彩恒常性是人眼的本事——不管光源怎么变，我们对物体颜色的感知基本不变。但 CMOS 传感器没这功能，它老老实实地记录入射光。所以同一张白纸，在不同色温下拍出来就是不同颜色。

4.2 灰度世界假设

这是 AWB 最经典的假设，也是大多数商用算法的起点。它说：一幅色彩丰富的自然图像，所有像素的 R、G、B 均值应该趋于相等。

换句话说，整张图的平均色应该是灰色。如果平均色偏红，说明光源偏红，需要降 R 增益；偏蓝就降 B 增益。

数学表达很简单：

R_avg = G_avg = B_avg

增益计算：
gain_R = G_avg / R_avg
gain_B = G_avg / B_avg
gain_G = 1.0（通常固定 G 通道）

我在项目中遇到过一个问题：当场景里大面积是纯色物体时（比如一片蓝天、一面红墙），灰度世界假设就崩了。整张图平均色就是蓝的或红的，算法会误判为光源偏色，然后过度补偿，结果蓝天被拉成灰色。

4.3 色温估计方法

光靠灰度世界假设不够，实际工程中需要更鲁棒的色温估计。我常用的方法有三种：

4.3.1 基于色温曲线的统计法

在 R/G 和 B/G 色度空间里，不同色温的光源会形成一条曲线。算法把图像像素投影到这个空间，统计分布，找到最可能的色温点。

// 伪代码：色温曲线匹配
for each pixel (r, g, b):
    rg = r / g
    bg = b / g
    在色温曲线上找最近的点
    统计每个色温区间的像素数量
选择像素最多的色温区间作为估计值

4.3.2 基于学习的方法

提前标定好各种光源下的色温-增益映射表。实际运行时，根据图像统计特征查表或插值。这个方法在手机 ISP 里很常见，因为计算量小、稳定。

4.3.3 多区域融合法

把图像分成 N×N 块，每块独立做色温估计，然后加权融合。权重取决于块内色彩丰富度——纯色块权重低，多彩块权重高。

4.4 增益计算与实现

色温估计出来后，下一步就是算增益。增益计算分两步：

1. 查表/插值得到目标白点——在标准光源下标定好的 R/G、B/G 目标值。
2. 计算实际增益——当前统计值与目标值的比值。

// 实际增益计算示例
float target_RG = 0.45;  // D65 光源下标定值
float target_BG = 0.55;

float current_RG = R_avg / G_avg;
float current_BG = B_avg / G_avg;

float gain_R = target_RG / current_RG;
float gain_B = target_BG / current_BG;
float gain_G = 1.0f;

// 应用增益到每个像素
for each pixel:
    R_out = R_in * gain_R;
    G_out = G_in * gain_G;
    B_out = B_in * gain_B;

4.5 AWB 算法知识结构

下面这张图把 AWB 的核心逻辑串起来了：从传感器原始数据到最终白平衡校正，每一步都有坑，每一步都有技巧。

4.6 工程中的避坑指南

做 AWB 调优这些年，我踩过的坑能写本书。挑几个最要命的说说：

• 纯色场景误判：我曾经在调试一个户外监控项目时，画面里全是蓝天和白云，灰度世界假设直接把蓝天拉成灰色。后来加了色温曲线约束才解决。
• 混合光源：室内窗边——一边是日光灯，一边是太阳光。单一色温估计根本搞不定。我建议用多区域独立校正，或者干脆放弃全局 AWB，改用局部自适应。
• 低照度噪声放大：暗光下增益本来就大，AWB 再一放大，噪点直接起飞。我的做法是：低照度时降低 AWB 强度，优先保信噪比。
• 快速切换场景：从室内走到室外，色温从 3000K 跳到 5500K。如果增益突变，画面会闪一下。必须做时间域平滑，比如用 IIR 滤波器。