图像处理中的暗场校正
目录
1. 核心概念：什么是暗场？
2. 暗场校正的目的
3. 如何获取暗场图像？
暗场校正是科学成像、工业检测和摄影中一个非常重要的预处理步骤，用于消除由传感器本身缺陷和环境因素引起的系统性噪声。
1. 核心概念：什么是暗场？
暗场，简单来说，就是当相机或传感器完全没有接收到任何光线时，所拍摄到的图像。
理论上，这应该是一张纯黑的图片，所有像素值都为零。但现实中，由于以下原因，这张“黑图”并不黑：
- 暗电流
传感器在常温下工作时，由于热效应，即使没有光子入射，也会产生自由电子。这些电子被收集起来，就形成了信号。这表现为图像中随机分布的“热像素”和整体偏高的背景值。温度越高，暗电流越严重。
- 读出噪声
当传感器将电荷信号转换为电压并读出时，电路本身会引入噪声。
- 固定模式噪声
传感器上每个像素的敏感度和暗电流产生率并非完全一致，导致即使在没有光的情况下，各个像素点的本底值也存在差异。
暗场图像就是量化了这种“无光时的本底信号”的图像。
2. 暗场校正的目的
暗场校正的主要目的是从原始图像中减去这种由传感器本身产生的本底信号，从而得到只包含真实场景光信号的、更“干净”的图像。
校正后的图像 = 原始图像 - 暗场图像
通过这个操作，可以达到以下效果：
- 消除热像素
那些特别亮的“坏点”会被显著削弱或移除。
- 降低背景噪声
图像的整体背景值会更接近于0，提高信噪比。
- 提高图像质量
为后续的图像分析（如测量、分割、识别）提供更准确的数据。
3. 如何获取暗场图像？
获取一张高质量的暗场图像是校正成功的关键。基本步骤如下：
- 保持环境一致
确保拍摄暗场时的相机温度和曝光时间与拍摄实际图像时完全相同。温度是影响暗电流最主要的因素。
- 完全遮光
盖上镜头盖，或者将相机对准一个绝对黑暗的物体，确保没有任何外部光线进入传感器。
- 拍摄多张取平均
由于暗场中也包含随机噪声，为了得到稳定的、代表固定模式噪声的暗场，通常需要连续拍摄多张（例如16、32或64张）暗场图像，然后将它们进行平均，生成一张“主暗场图像”。这个平均过程可以有效地抑制随机噪声，保留固定的模式噪声。
公式表示：
主暗场图像 = (暗场图像1 + 暗场图像2 + ... + 暗场图像N) / N
4. 完整的校正流程：平场校正
在实际应用中，暗场校正通常与平场校正 结合使用，形成一个完整的校正流程，以同时消除暗电流和光照不均匀的影响。
一个完整的图像校正公式为：
校正后图像 = (原始图像 - 主暗场图像) / (主平场图像 - 主暗场图像)
步骤解析：
- 拍摄原始图像
你要分析的目标图像。
- 拍摄暗场图像
如上所述，在相同温度和曝光时间下，完全遮光拍摄。
- 拍摄平场图像
对一个亮度均匀的漫反射面（如乳白玻璃、均匀照明的白墙）进行拍摄。这张图像反映了传感器每个像素对均匀光线的响应差异以及镜头可能存在的暗角和光照不均匀。
- 计算主暗场和主平场
对多张暗场和平场图像分别求平均，得到“主暗场”和“主平场”。
- 应用校正公式
-
- 原始图像 - 主暗场图像
这一步先减去本底噪声。
-
- 主平场图像 - 主暗场图像
这一步得到的是一个“理想化”的均匀响应图像，它代表了传感器和光学系统对均匀光线的理想响应。
-
- 相除
：将减去了暗场的原始图像，除以这个“理想化”的平场图像。这样做的目的是归一化每个像素的响应度。响应度高的像素会被调低，响应度低的像素会被调高，从而消除了镜头暗角和像素灵敏度不均的影响。
5. 应用场景
- 天文摄影
长时间曝光会导致严重的暗电流和热像素，暗场校正是必做步骤。
- 显微镜成像
特别是在荧光显微镜中，为了定量分析荧光强度，必须进行暗场和平场校正。
- 工业视觉检测
在需要精确测量尺寸或检测微小缺陷时，校正可以消除相机本身带来的误差。
- 医学影像
如X光、红外成像等，确保图像的准确性和可重复性。
总结
暗场校正是一个基础且强大的图像预处理工具，它通过减法操作，移除了由传感器自身产生的非光致信号。当与平场校正结合时，可以构建一个非常鲁棒的图像预处理流程，极大地提高图像数据的质量和定量分析的准确性。
核心要点记住：
- 暗场
无光时的图像。
- 目的
减去传感器本底噪声。
- 关键
温度、曝光时间要与原图一致，并多张平均。