ISP（图像信号处理）BLS(Black Level Subtraction)黑电平校正

黑电平

• 定义图像数据为0时对应的信号电平，调节黑电平不影响信号的放大倍数，而仅仅是对信号进行上下平移。如果向上调节黑电平，图像将便暗，如果向下调节黑电平图像将变亮。HV系列摄像机黑电平为0时，对应0V以下的电平都转换为图像数据0，0V以上的电平则按照增益定义的放大倍数转换，最大数值为255。
• 黑电平（也称绝对黑电平）设定，也就是黑色的最低点。所谓黑色的最低点就是CRT显像管内射出的电子束能量，低于让磷质发光体（萤光物质）开始发光的基本能量时，屏幕上所显示的就是最低位置的黑。美国NTSC彩色电视系统把绝对黑电平定位在7.5IRE的位置，就是说低于7.5IRE的信号都将被显示为黑，而日本电视系统则把绝对黑电平定位在0IRE的位置。

黑电平（Black Level Correction）也就是黑色的最低点，以8bit数据来说，指在经过一定校准的显示装置上，没有一行光亮输出的视频信号电平。定义图像数据为0时对应的信号电平。

原因
那么为什么要进行黑电平校正呢？原因如下：

CMOS传感器采集的信息经过一系列转换生成原始RAW格式数据。以8bit数据为例，单个pixel的有效值是0~255，但是实际AD芯片（模数转换芯片）的精度可能无法将电压值很小的一部分转换出来，因此，sensor厂家一般会在AD的输入之前加上一个固定的偏移量，使输出的pixel value在5（非固定）~255之间，目的是为了让暗部的细节完全保留，当然同时也会损失一些亮部细节，由于对于图像来说，我们的关注度更倾向于暗部区域，ISP后面会有很多增益模块（LSC、AWB、Gamma等），因此亮区的一点点损失是可以接受的。
sensor的电路本身会存在暗电流，导致在没有光线照射的时候，像素单位也有一定的输出电压，暗电流这个东西跟曝光时间和gain都有关系，不同的位置也是不一样的。因此在gain增大的时候，电路的增益增大，暗电流也会增强，因此很多ISP会选择在不同gain下减去不同的bl的值。
Optical Black
每个sensor都有OB区域，CCD sensor初期成像效果较差，它会把top OB 和 side OB暴露给isp使用，这样isp可以自己估算不同区域不同的black level值，再分别处理。然而ob并不能真实的反映黑电平的值，因此目前很少有ISP或sensor去使用ob区域进行计算。

校正
现在的主流cmos sensor都是自己把black level已经处理完了。在isp部分减掉的其实不是black level，而是sensor统一做出来的pedestal。sensor端不会将bl减完，因为sensor输出不能为负数，若将bl减完，就等于小于0的部分直接就丢掉了，这样做会改变noise的分布。

算法
一般BLC模块会放在ISP比较靠前的位置，因为我们希望图像在进入其他模块之前能够还原最为真实的图像。有些sensor会在sensor内部集成BLC的模块，那么此时ISP里的BLC模块只做微调即可。

由于硬件设计人员在设计BLC模块时需要考虑效果和成本，因此目前市场上使用的ISP一般采用的方法是在sensor输出的图像上减去一个数值。

BLC各个通道均需要校正，目前比较常用的方法有：

中值
全局均值
局部均值
自定义
计算较为简单，这里不附代码了。

tuning
由于电源、PCB等各个原因，我们遇到的黑平衡并不是那么理想，如下两种情况，当然还有更糟的，这里不一一列举。 
 

 

校正前需要根据图像的具体情况进行分析，若图像平面趋于平整，则推荐使用全帧均值；若图像出现一些峰值，有明显突出山峰等，推荐使用中值的方法；若出现某个角的值比较高，可能由于电源或者其他的原因引起的，则推荐使用局部计算的方法；此外，还有自定义、最大值等方法，需要根据不同图像的情况去选择方法，终其目的都是一样的。

以单通道为例，以下是黑电平校正的示意图： 

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