2026年FPGA大赛备赛，用Zynq做实时视频去雾加速器，暗通道先验算法在PL侧实现时资源不够怎么办？

先说结论：暗通道先验在PL侧资源爆了，大概率不是算法本身的问题，而是你窗口缓冲和排序模块的实现方式太「教科书」了。很多新手喜欢直接用移位寄存器链或双端口BRAM做整行缓冲，但Zynq的PL侧BRAM数量有限，7系列一般就140-280块，一个3×3暗通道窗口光缓冲就要吃掉3行数据，再加上排序找最小值，资源直接翻倍。我去年做类似项目时踩过同样的坑，后来换了两个思路：第一，把暗通道的窗口从矩形改成十字形或者菱形采样，只取中心像素上下左右四个点加自身，这样窗口缓冲从9个像素变成5个，LUT和BRAM瞬间降下来，而且去雾效果主观上差别不大，大赛评委基本看的是视频流畅度和雾霾去除的视觉对比，不会拿计算机构建的标准图去算PSNR。第二，排序模块别用全并行比较器树，改用流水线冒泡排序或者硬件友好的「最小值查找器」——其实就是用一个寄存器存当前最小值，每来一个新像素就比一下，窗口滑动时只更新那个寄存器，这样整个模块只需要一个比较器和一个寄存器，代价是每个像素的延时多了几个周期，但对实时视频来说完全能接受。至于近似计算，建议慎用，因为暗通道本身已经是近似了，再近似下去图像会偏色，评委一眼就能看出来。资源效率在比赛中占分不低，但更看重的是你能不能把方案讲圆，比如你用了十字窗口，答辩时说明这是为了在有限资源下保持实时性，同时展示几组对比图证明效果没明显下降，评委反而会觉得你有工程思维。你目前用的Vivado版本是多少？如果是2018之后，可以试试把BRAM配置成真双端口模式，让一个BRAM同时服务两行缓冲，能省一半。

我建议你重新审视一下暗通道窗口和排序的硬件映射。很多人上来就写一个完整的排序网络，但FPGA做排序其实很贵，尤其是你要同时处理多个像素。一个取巧的办法是：只维护一个长度为窗口像素数的FIFO，每次新像素进来就做一次插入排序，同时丢弃最旧的值。这样排序模块的LUT消耗从O(n^2)降到O(n)，BRAM用来存FIFO数据，配合行缓冲复用。另外，暗通道的透射率计算可以用查找表代替除法器，BRAM换LUT，资源能再松一口气。评审看重资源效率，但更看重你能否在有限资源里完成功能，你答辩时如果能清晰画出资源分布饼图，说明瓶颈在哪、怎么绕开的，分数不会低。你目前试过的窗口大小具体是多大？如果是15×15以上，建议先降到7×7跑通再慢慢加。

看到你问资源不够，我第一反应是：你是不是把暗通道里的最小值滤波做成了全排序？这是很多第一次做图像处理的同学最容易踩的坑。暗通道先验的核心是求每个像素在RGB三个通道的最小值，再对这个最小值图做一个窗口内的最小值滤波（也就是你说的暗通道窗口）。很多人一上来就写一个完整的排序网络，想着把窗口里所有像素排好序再取最小值，但FPGA做全排序资源消耗是指数级的，15×15窗口要排225个数，光比较器就堆到几百个LUT。

正确的做法是只求最小值，不求排序。你只需要一个两两比较的树形结构，每拍进来一个新像素，就跟当前窗口内的最小值做比较，如果更小就更新最小值，同时用一个FIFO记录窗口内所有像素的值，当窗口滑动时，如果被移出的像素恰好是当前最小值，才需要重新扫描一遍窗口找新的最小值——但这种情况只占很少比例，大部分时候最小值是稳定的。这样你的排序模块就变成了一个最小值跟踪器，LUT消耗从O(n^2)降到O(n)。

BRAM方面，我猜你是用整行缓冲来存整张图的像素，但Zynq的BRAM每块只有36Kb，如果图像是1080p，一行就要192024bit ≈ 46Kb，一块BRAM存不下一行，需要两块拼，窗口行数一多BRAM就爆了。一个取巧的办法是：只缓冲当前窗口需要的行数，比如窗口是7×7，就只开7行FIFO，每行FIFO深度等于图像宽度，这样BRAM消耗刚好是7块。如果图像分辨率更高，可以改用DDR做行缓冲，PL侧只维护一个小型cache，每次从DDR拉几行数据进来，代价是增加了一点延迟，但资源瞬间解放。

大赛评审确实会看资源效率，但他们更看重你能不能在一个完整的系统里把功能跑通。你答辩时如果能说清楚：原来资源爆在哪，你用了什么trick绕过去，最终资源占用比优化前少了百分之多少，同时帧率还能稳住，这比单纯堆资源更得分。你试过把窗口降到7×7了吗？如果7×7还爆，那大概率是排序部分没改对，先查那部分。

换十字窗吧，5个像素比9个像素省一半BRAM，而且去雾效果肉眼几乎看不出区别。评审看的是视频流畅度，不是PSNR小数点后两位。

除了楼上说的排序改最小值跟踪，还有一个容易被忽略的点：透射率计算里的除法。暗通道先验得到透射率 t = 1 – omega (暗通道值 / 大气光值)，这个除法在硬件里很贵。你可以把大气光值固定为一个常数（比如从暗通道图里取前0.1%亮度的均值，然后把这个均值写死在代码里，每帧只更新一次），这样除法就变成了乘法——1除以那个常数事先算好，存成一个定点小数，每次用暗通道值乘这个小数就行。乘法器比除法器省一半多LUT，而且流水线深度浅一个级别。如果你担心大气光值变化导致去雾效果变差，可以在PS端用软核每N帧重新算一次大气光值，通过AXI-Lite写到PL侧的寄存器里，这样资源开销几乎为零。这个trick在Xilinx的官方去雾白皮书里其实提过，但很多中文教程没写。你试过把大气光值固定后资源还差多少？如果还是差一点，可以考虑把暗通道窗口和透射率滤波窗口合并成一个，用同一个FIFO复用数据，能再省一笔BRAM。