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。

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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。

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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：

1. 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)）。

2. 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。

3. 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)
     ]

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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

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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。

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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。

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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！