暗电流与固定模式噪声（FPN）标定

说到传感器标定，暗电流和FPN是绕不开的第一道坎。我刚开始做ISP的时候，总觉得只要把增益调好、白平衡做对就行了，结果拍出来的夜景全是花屏——暗部区域一条条的竖纹，看着就头疼。后来才明白，不把暗场标定做好，后面的处理全是白搭。

说白了，暗电流就是传感器在没有光照的情况下，像素依然会积累电荷。温度越高，积累越快。而FPN呢，是每个像素对暗电流响应不一致造成的固定图案。这两兄弟如果不干掉，你的暗部信噪比永远上不去。

暗场采集方法

暗场采集听起来简单——盖上镜头盖拍一张就行了。但实际操作中，坑特别多。我踩过的坑就有好几个，这里给你列出来：

1. 避光：盖上镜头盖还不够，最好用黑色胶带缠住镜头接口。有一次我在实验室测，结果机箱上的电源指示灯漏光，暗场图左上角明显偏亮，排查了半天。
2. 曝光时间匹配：暗场采集的曝光时间必须和实际拍摄一致。你不能用1秒的暗场去校正30秒的长曝光，暗电流是线性累积的，时间不匹配校正就失效。
3. 温度稳定：传感器需要预热到工作温度再采集。冷启动时的暗电流和稳定后的差很多，我建议开机后等5-10分钟再采。
4. 多帧平均：单帧暗场有随机噪声，至少采集16帧以上做平均，才能把随机噪声压下去，提取出真正的固定模式。

暗电流计算

暗电流的计算其实不复杂，核心公式就一个：

// 暗电流计算
// D(t) 为曝光时间t秒时的暗场像素值
// D(0) 为0秒曝光（即黑电平）的像素值
// t 为曝光时间（秒）

暗电流 = (D(t) - D(0)) / t   // 单位：DN/s

// 实际工程中，我们通常采集多组不同曝光时间的暗场
// 然后做线性拟合，斜率就是暗电流

举个例子。我采集了0秒、1秒、2秒、4秒四组暗场，每个像素的响应是这样的：

你看，像素(100,200)的暗电流是 (96-64)/4 = 8 DN/s，而像素(300,400)是 (88-64)/4 = 6 DN/s。这就是FPN的由来——每个像素的暗电流不一样。

FPN校正矩阵生成

FPN校正矩阵说白了就是一张和传感器分辨率一样大的图，每个像素存一个校正值。生成流程是这样的：

生成校正矩阵的代码实现也不复杂：

// FPN校正矩阵生成示例（C风格伪代码）
#define WIDTH  1920
#define HEIGHT 1080
#define FRAMES 16

uint16_t dark_frames[FRAMES][HEIGHT][WIDTH];
uint16_t black_level = 64;  // 传感器黑电平

// 1. 帧平均
float mean_frame[HEIGHT][WIDTH] = {0};
for (int f = 0; f < FRAMES; f++) {
    for (int y = 0; y < HEIGHT; y++) {
        for (int x = 0; x < WIDTH; x++) {
            mean_frame[y][x] += dark_frames[f][y][x];
        }
    }
}
// 除以帧数取平均
for (int y = 0; y < HEIGHT; y++) {
    for (int x = 0; x < WIDTH; x++) {
        mean_frame[y][x] /= FRAMES;
    }
}

// 2. 减去黑电平，得到暗电流偏移
int16_t fpn_offset[HEIGHT][WIDTH];
for (int y = 0; y < HEIGHT; y++) {
    for (int x = 0; x < WIDTH; x++) {
        fpn_offset[y][x] = (int16_t)(mean_frame[y][x] - black_level);
    }
}

// 3. 保存校正矩阵（偏移量）
// 校正时：corrected_pixel = raw_pixel - fpn_offset[y][x]

温度对暗电流的影响

温度对暗电流的影响，可以用一个经验公式来描述：

// 暗电流与温度的关系（经验模型）
// I_dark(T) = I_dark(T0) × 2^((T - T0) / T_double)

// 其中：
// T_double 是暗电流翻倍的温度增量，通常为 6-8°C
// T0 是标定时的参考温度
// I_dark(T0) 是参考温度下的暗电流

你想想看，温度每升高6-8°C，暗电流就翻一倍。这是什么概念？

解决温度漂移问题，工程上有几种做法：

• 多温度标定：在25°C、35°C、45°C三个温度点分别标定，运行时根据传感器温度线性插值。
• 主动温控：加TEC制冷片，把传感器温度锁定在一个固定值。高端工业相机和天文相机都这么干。
• 实时暗场更新：在每帧图像的空白行（光学黑区）采集暗电流，实时更新校正参数。

我个人比较推荐第三种方案。虽然实现起来复杂一点，但能自适应温度变化，不用频繁重新标定。很多手机ISP芯片里就内置了这个功能，叫"OB（Optical Black）Clamp"。