4、黑电平校正（BLC）：从暗电流到图像纯净度

黑电平校正，圈内人常叫 BLC（Black Level Correction）。说白了，就是让传感器在完全没光的时候，输出值归零。听起来简单，但这里面的门道，我做了这么多年 ISP，踩过的坑真不少。

你可能会问：传感器没光不就是 0 吗？哪有这么理想。CMOS 传感器在暗场下，每个像素都会读出一个小信号，这个信号就是黑电平。如果不把它减掉，整张画面会发灰发雾，暗部细节全被埋掉。

4.1 黑电平是怎么产生的？

黑电平的源头，主要是两个：暗电流和读出电路偏移。

• 暗电流： 硅基半导体在无光照时，热激发产生的电子-空穴对。温度每升高 6-8°C，暗电流翻一倍。我在做安防相机时，夏天户外 60°C 的机壳温度，暗电流能飙到室温的 8 倍以上。
• 读出电路偏移： 像素的复位电压、源跟随器、列放大器，每个环节都会引入固定的直流偏置。不同列、不同通道的偏移还不一样。
• ADC 偏移： 模数转换器自身的零点偏移，通常是个固定值。

这些因素叠加，最终在暗场下读出的数字值可能是 64、128，甚至更高（取决于传感器位数和设计）。

4.2 全局黑电平校正 vs 局部黑电平校正

校正策略分两种：全局和局部。选哪个，取决于你的 sensor 质量和应用场景。

全局校正，就是算一个全图的平均黑电平，然后一刀切。我早期做手机摄像头时，sensor 质量好，暗电流均匀，全局校正就够了。但后来做工业相机，发现画面左边和右边亮度不一样，全局校正根本搞不定。

局部校正，需要提前采集暗场数据。通常的做法是：

1. 盖上镜头盖，在不同增益、不同曝光时间下拍多张暗场图。
2. 对每张图，计算每行（或每列）的平均值。
3. 把这些值存成查找表（LUT），运行时按行/列查表减去。

4.3 暗电流补偿：温度与增益的联动

暗电流不是一成不变的。它随温度和增益变化。我见过不少方案，只做了一组暗场校准，结果冬天和夏天的画面效果差很多。

暗电流的数学模型可以近似为：

I_dark(T) = I_0 × 2^((T - T_0) / T_doubling)

其中：
  I_dark(T)  = 温度 T 下的暗电流
  I_0        = 参考温度 T_0 下的暗电流
  T_doubling = 暗电流翻倍的温度增量（通常 6-8°C）

实际工程中，我们不会用这么复杂的公式实时算。更常见的做法是：

• 多温度点校准： 在 -20°C、0°C、25°C、60°C 等温度点采集暗场数据，存多组 LUT。
• 线性插值： 运行时根据当前温度，在相邻两组 LUT 之间线性插值。
• 增益补偿： 暗电流经过模拟增益放大后，在数字域的表现是：黑电平偏移 = 暗电流 × 模拟增益。所以校正值也要乘以当前增益。

4.4 温度对黑电平的影响：实测数据

下面是一组我在实验室实测的数据，用的是某款 1/2.3 英寸 CMOS sensor，曝光时间 30ms，增益 0dB：

你看，从 -10°C 到 60°C，暗场均值从 32 跳到了 192。如果不做温度补偿，60°C 时画面会整体偏灰，暗部噪声也大得吓人。

4.5 BLC 在 ISP Pipeline 中的位置

黑电平校正是 ISP 流水线的第一步。它必须在去噪、去马赛克、白平衡之前做。为什么？因为后面的模块都假设黑电平已经是 0，如果带着偏移进去，整个颜色和亮度都会算错。

下面这张图，是我习惯用的 BLC 处理流程：

4.6 工程实现要点

最后，分享几个我在工程落地时总结的要点：

• 校准时机： 产线校准、开机自校准、或者每隔一段时间自动校准。我建议至少做一次产线校准，存下 baseline。
• 暗帧平均： 采集暗场数据时，多帧平均（比如 16 帧）可以降低随机噪声对校准值的影响。
• 边界处理： 校正后可能出现负值，需要做 clamp 到 0。但 clamp 会丢失信息，所以有些方案会保留一个很小的黑电平偏移（比如 16），不硬减到 0。
• 与去噪的配合： BLC 之后，暗部噪声会被放大（因为信号被减掉了，噪声还在）。所以 BLC 后面通常紧跟着一个暗部去噪模块。

嗯，黑电平校正看起来是个小模块，但做扎实了，能显著提升画面的纯净度和一致性。尤其是暗光、高温场景，BLC 做得好不好，直接决定图像能不能用。