4.8. Calibración en el sensor

La salida en bruto de una celda de píxel todavía no está lista para usarse. Se le aplican unas cuantas correcciones antes de que los datos salgan del sensor – en parte en el silicio del chip, en parte en el código del controlador que programa el chip – para hacer frente a las imperfecciones que el sensor introduce por el camino. Se ejecutan en un orden fijo en cada fotograma: primero el ajuste del ruido de patrón fijo (FPN) de columna, luego la sustracción del nivel de negro, después la corrección de píxeles defectuosos y, por último, la corrección de sombreado de lente. Saber qué hace cada una importa porque la imagen que llega al código del usuario ya ha pasado por todas ellas.

4.8.1. Corrección de FPN de columna

Cada columna del sensor tiene su propio amplificador y su propio ADC de columna, y las pequeñas variaciones de fabricación entre ellos hacen que cada columna se lea de forma ligeramente distinta a sus vecinas. Sin corrección, este patrón fijo aparece como tenues franjas verticales en la salida; las franjas permanecen fijas de fotograma a fotograma porque provienen del propio silicio y no de la escena. El sensor mide los ajustes de desplazamiento y ganancia por columna en fábrica, los almacena en su ROM de calibración y los aplica en cada lectura antes de cualquier otra corrección. Hacer esto primero permite que el resto de la cadena de procesamiento asuma que todas las columnas se comportan igual, incluidos los píxeles de referencia oscuros que la calibración del nivel de negro utiliza a continuación.

4.8.2. Calibración del nivel de negro

El cero del ADC – el valor digital que debería corresponder a un fotodiodo vacío – no es perfectamente estable. Deriva con la temperatura, con las variaciones de la tensión de alimentación y ligeramente de un píxel a otro. Sin corrección, un fotograma perfectamente oscuro no se leería como cero; cada píxel acarrearía un pequeño desplazamiento oscuro positivo.

La solución habitual consiste en incluir filas o columnas en el borde del sensor que estén físicamente cubiertas por metal, de modo que nunca les llegue luz. Sus valores digitales dan la verdadera referencia oscura en las condiciones de funcionamiento actuales. El sensor lee esos píxeles cubiertos en cada fotograma, los promedia por fila o columna y resta el promedio de todos los demás píxeles. Los píxeles iluminados salen entonces con un valor de cero para un fotodiodo sin iluminar, independientemente de la temperatura o de la deriva de alimentación.

4.8.3. Corrección de píxeles defectuosos

Una pequeña fracción de los píxeles de cualquier sensor son defectuosos: leen un valor constante (atascados en alto o atascados en bajo) sin importar cuánta luz les llegue. Algunos defectos provienen de la variación de fabricación, y más se acumulan lentamente a lo largo de la vida del sensor (los impactos de rayos cósmicos durante largos periodos de funcionamiento son la causa habitual).

Los sensores modernos gestionan esto sobre la marcha con un pequeño filtro espacial. En cada fotograma, cada píxel se compara con sus vecinos del mismo color; cualquier píxel que quede lo bastante alejado de la mediana local como para ser inverosímil se sustituye por un valor derivado de esos vecinos. El filtro detecta tanto los defectos de fábrica como los que se desarrollan más tarde, sin necesidad de un mapa de píxeles defectuosos calibrado por sensor, y el defecto resulta invisible en la salida.

4.8.4. Corrección de sombreado de lente

La caída cos⁴ combinada con el viñeteado mecánico de la carcasa de la lente da a cada fotograma sin corregir un oscurecimiento de esquinas apreciable. El hardware de corrección de sombreado de lente (LSC) del sensor lo compensa multiplicando cada píxel por una ganancia que depende de su posición en el fotograma: 1.0 en el centro, aumentando suavemente hacia las esquinas para seguir el inverso de la curva de caída medida.

El sensor proporciona el hardware multiplicador, pero el mapa de ganancia en sí es responsabilidad del MCU. El controlador escribe el mapa en los registros de LSC del sensor al arrancar, ya sea a partir de una calibración que el controlador almacena o de una medición nueva contra un objetivo de referencia plano. Algunos sensores comprimen el mapa hasta un pequeño conjunto de coeficientes polinómicos para que los registros del chip puedan contenerlo.

La LSC depende de la lente. Cambiar de lente desplaza la curva de caída, de modo que un mapa de LSC calibrado para una lente no se ajustará a otra: un mapa mal aplicado se ve como esquinas oscuras (subcorrección) o manchas brillantes en las esquinas (sobrecorrección).