黑电平校正（Black Level Correction, BLC）算法
黑电平校正（Black Level Correction, BLC）算法
黑电平校正（BLC）是图像传感器（如CMOS/CCD）信号处理中的一个重要步骤，主要用于消除传感器暗电流（Dark Current）导致的基线偏移，确保图像的暗区（无光照射时）输出值为0或设定的目标值。
1. 黑电平的产生原因
- 暗电流（Dark Current）：即使在没有光照时，传感器像素也会因热噪声产生微小电流，导致输出信号不为0。
- 制造工艺偏差：不同像素的暗电流可能不一致，导致固定模式噪声（FPN）。
- 模拟电路偏移：ADC（模数转换器）或模拟信号链可能存在直流偏移。
2. 黑电平校正的基本原理
黑电平校正的目标是测量并减去传感器的暗电平（Black Level），使无光时的像素输出归零或达到预设值。
校正步骤：
-
测量黑电平（Black Level Measurement）
- 在完全遮光（或关闭光源）的情况下，读取传感器的原始输出（通常取多帧平均以减少噪声）。
- 计算所有像素或特定光学黑区（Optical Black, OB区）的平均值，作为黑电平估计值（(BL)）。
-
校正计算（Correction Calculation）
- 对每个像素的原始数据 (P_{raw}) 进行校正：
[
P_{corrected} = P_{raw} - BL
] - 如果黑电平存在空间不均匀性（如列/行FPN），可能需要采用分段校正或像素级校正。
- 对每个像素的原始数据 (P_{raw}) 进行校正：
-
钳位处理（Clamping）
- 校正后可能出现负值（由于噪声），通常需要钳位到最小允许值（如0）：
[
P_{final} = \max(P_{corrected}, 0)
]
- 校正后可能出现负值（由于噪声），通常需要钳位到最小允许值（如0）：
3. 黑电平校正的硬件实现（FPGA/ASIC）
在硬件（如FPGA）中，黑电平校正通常采用以下方式实现：
(1) 光学黑区（OB Pixel）法
- 传感器通常会在成像区外设置光学黑像素（OB Pixels），这些像素被遮光，仅反映暗电流。
- 计算OB区的平均值作为 (BL)，然后对所有有效像素进行减法校正。
(2) 固定值校正
- 如果黑电平较稳定，可直接使用预存的校准值（如通过实验室标定获得）。
(3) 动态黑电平估计（适用于变化环境）
- 在视频流中，可动态计算每帧的OB区均值，适应温度或曝光时间的变化。
Verilog示例（简化版）
module black_level_correction (input [11:0] pixel_in, // 12-bit 原始像素input [11:0] black_level, // 预计算的黑电平值output [11:0] pixel_out // 校正后像素
);// 黑电平校正（减法）assign pixel_out = (pixel_in >= black_level) ? (pixel_in - black_level) : 0;
endmodule
4. 高级黑电平校正技术
(1) 列/行级校正
- 由于传感器可能存在列固定模式噪声（Column FPN），可对每列单独计算黑电平：
[
BL_{col}[i] = \text{mean(OB pixels in column } i)
]
(2) 温度补偿
- 黑电平随温度变化，可存储不同温度下的校正值，或使用温度传感器动态调整。
(3) 非线性校正
- 如果暗电流与曝光时间非线性相关，可采用查表法（LUT）或多项式拟合校正。
5. 实际应用中的挑战
- 噪声影响：黑电平估计可能受随机噪声干扰，需多帧平均或滤波。
- OB区污染：若OB区受光泄漏影响，会导致校正不准。
- 动态范围损失：过度校正可能减少有效信号范围。
6. 总结
- 黑电平校正是图像处理的基础步骤，用于消除传感器暗电流偏移。
- 核心方法：测量黑电平（OB区或全帧平均），然后做减法校正。
- 硬件实现：通常用FPGA/ASIC实现实时校正，适用于摄像头、医疗成像等应用。
如果需要更详细的实现（如基于ISP流水线的BLC），可以进一步讨论！