黑電平校正（Black Level Correction, BLC）算法
黑電平校正（BLC）是圖像傳感器（如CMOS/CCD）信號處理中的一個重要步驟，主要用于消除傳感器暗電流（Dark Current）導致的基線偏移，確保圖像的暗區（無光照射時）輸出值為0或設定的目標值。
1. 黑電平的產生原因
- 暗電流（Dark Current）：即使在沒有光照時，傳感器像素也會因熱噪聲產生微小電流，導致輸出信號不為0。
- 制造工藝偏差：不同像素的暗電流可能不一致，導致固定模式噪聲（FPN）。
- 模擬電路偏移：ADC（模數轉換器）或模擬信號鏈可能存在直流偏移。
2. 黑電平校正的基本原理
黑電平校正的目標是測量并減去傳感器的暗電平（Black Level），使無光時的像素輸出歸零或達到預設值。
校正步驟：
-
測量黑電平（Black Level Measurement）
- 在完全遮光（或關閉光源）的情況下，讀取傳感器的原始輸出（通常取多幀平均以減少噪聲）。
- 計算所有像素或特定光學黑區（Optical Black, OB區）的平均值，作為黑電平估計值（(BL)）。
-
校正計算（Correction Calculation）
- 對每個像素的原始數據 (P_{raw}) 進行校正：
[
P_{corrected} = P_{raw} - BL
] - 如果黑電平存在空間不均勻性（如列/行FPN），可能需要采用分段校正或像素級校正。
- 對每個像素的原始數據 (P_{raw}) 進行校正：
-
鉗位處理（Clamping）
- 校正后可能出現負值（由于噪聲），通常需要鉗位到最小允許值（如0）：
[
P_{final} = \max(P_{corrected}, 0)
]
- 校正后可能出現負值（由于噪聲），通常需要鉗位到最小允許值（如0）：
3. 黑電平校正的硬件實現（FPGA/ASIC）
在硬件（如FPGA）中，黑電平校正通常采用以下方式實現：
(1) 光學黑區（OB Pixel）法
- 傳感器通常會在成像區外設置光學黑像素（OB Pixels），這些像素被遮光，僅反映暗電流。
- 計算OB區的平均值作為 (BL)，然后對所有有效像素進行減法校正。
(2) 固定值校正
- 如果黑電平較穩定，可直接使用預存的校準值（如通過實驗室標定獲得）。
(3) 動態黑電平估計（適用于變化環境）
- 在視頻流中，可動態計算每幀的OB區均值，適應溫度或曝光時間的變化。
Verilog示例（簡化版）
module black_level_correction (input [11:0] pixel_in, // 12-bit 原始像素input [11:0] black_level, // 預計算的黑電平值output [11:0] pixel_out // 校正后像素
);// 黑電平校正（減法）assign pixel_out = (pixel_in >= black_level) ? (pixel_in - black_level) : 0;
endmodule
4. 高級黑電平校正技術
(1) 列/行級校正
- 由于傳感器可能存在列固定模式噪聲（Column FPN），可對每列單獨計算黑電平：
[
BL_{col}[i] = \text{mean(OB pixels in column } i)
]
(2) 溫度補償
- 黑電平隨溫度變化，可存儲不同溫度下的校正值，或使用溫度傳感器動態調整。
(3) 非線性校正
- 如果暗電流與曝光時間非線性相關，可采用查表法（LUT）或多項式擬合校正。
5. 實際應用中的挑戰
- 噪聲影響：黑電平估計可能受隨機噪聲干擾，需多幀平均或濾波。
- OB區污染：若OB區受光泄漏影響，會導致校正不準。
- 動態范圍損失：過度校正可能減少有效信號范圍。
6. 總結
- 黑電平校正是圖像處理的基礎步驟，用于消除傳感器暗電流偏移。
- 核心方法：測量黑電平（OB區或全幀平均），然后做減法校正。
- 硬件實現：通常用FPGA/ASIC實現實時校正，適用于攝像頭、醫療成像等應用。
如果需要更詳細的實現（如基于ISP流水線的BLC），可以進一步討論！
