17-EFT.WP.Methods.Imaging v1.0 | 第3章 设备与模式绑定（传感器/模态）

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第3章 设备与模式绑定（传感器/模态）

一句话目标：将异构成像设备与模态解码到统一标准模式 SRef.img，确保计量一致、时基一致、路径一致，支持后续处理与审计可追溯。

I. 范围与对象

1. 覆盖设备
   • 面阵/线阵 CMOS/CCD，CFA/单色/三片式，多光谱/高光谱，ToF（相位/脉冲/门控），偏振相机，HDR 多曝光，滚动/全局快门，模拟/数字增益链。
   • 输入：raw_blob, sensor_meta, optics_meta, timing, env, calib_assets。
   • 输出：SRef.img = {DN, I_lin, masks, mode_axes, tau_map, manifest.imaging.device}。
2. 边界
   • 强时变 PSF、非标准自研打包、专有压缩需提供解码器与偏离项说明。
   • 外部 ISP 的不可逆处理仅以“已处理”态接入，跳过本章若干步骤并落盘说明。

II. 名词与变量

1. 计量与编码：DN, bpp, SatMax, black_level, gain, offset, packing ∈ {RAW10, RAW12, RAW14, ...}, endianness ∈ {LE, BE}。
2. 空间与像素：H, W, C, pitch, orientation ∈ {0,90,180,270}, flip_x, flip_y。
3. CFA 与色彩：cfa_pattern ∈ {RGGB, BGGR, GRBG, GBRG}, S_cfa。
4. 时间与同步：exposure_time, line_time, frame_time, ts, tau_mono, offset/skew/J, rolling/global。
5. 模态专属
   • ToF：I_cos, I_sin, phi, f_mod, n_eff, T_arr, d_range。
   • 偏振：I0,I45,I90,I135, S0,S1,S2,S3, DoLP, AoLP。
   • 多/高光谱：λ_k, Δλ, I(λ_k)。
6. 掩码与质量：mask_bad, mask_hot, mask_sat, q_score。
7. 追溯：TraceID, hash_sha256(blob), signature。

III. 公设 P203-*

• P203-1（元数据充分）：sensor_meta/optics_meta/timing 含最小键，量纲可校核，缺失项以 m ∈ {0,1} 标注。
• P203-2（打包可逆）：raw_blob 的位打包 packing/endianness 可无损还原到 DN ∈ [0, 2^bpp-1]。
• P203-3（方向一元化）：存在确定性映射将物理读出方向规约到 orientation=0, flip_x=false, flip_y=false 的规范坐标。
• P203-4（CFA 稳定）：cfa_pattern 在成像期间不变，行列对齐到像素原点。
• P203-5（线性化口径）：I_lin = gain * ( DN - black_level ) 在辐射线性域有效，单位 unit(I_lin)="e-"。
• P203-6（时基可映射）：滚动快门逐行时间满足 non_decreasing(ts_row)，内部以 tau_mono 评估、对外以 ts 发布。
• P203-7（ToF 场景一致）：调制频率 f_mod、调制方式与解调算法在数据块内一致；往返传播假设成立。
• P203-8（偏振采样正交）：偏振像素或时分采样在 0/45/90/135 deg 正交；若存在 S3 则记录获取方式。
• P203-9（光谱轴单调）：λ_k 单调非降且 Δλ > 0，标定曲线与单位声明。
• P203-10（到达时两口径并行）：涉及 ToF 的 T_arr 必须给出两口径与 delta_form ≤ tol_Tarr。
• P203-11（可追溯）：模式绑定全链条参数入 manifest 并签名。

IV. 最小方程 S203-*

• S203-1（解码）：DN = unpack( raw_blob ; packing, endianness )。
• S203-2（方向规约）：DN' = orient( DN ; orientation, flip_x, flip_y )。
• S203-3（线性化）：I_lin = gain * ( DN' - black_level )，mask_sat = [ DN' ≥ SatMax ]。
• S203-4（滚动快门时间映射）：ts_row = ts_frame + row_idx * line_time；ts = map_tau_to_ts( tau_mono ; offset, skew, J )。
• S203-5（ToF 相位与距离）：phi = atan2( I_sin, I_cos )，T_arr = phi / ( 2 * π * f_mod )，d_range = ( c_ref / ( 2 * n_eff ) ) * T_arr。
• S203-6（到达时两口径差）：delta_form = | ( 1 / c_ref ) * ( ∫ n_eff d ell ) - ( ∫ ( n_eff / c_ref ) d ell ) |。
• S203-7（偏振 Stokes）：S0 = I0 + I90，S1 = I0 - I90，S2 = I45 - I135，DoLP = sqrt( S1^2 + S2^2 ) / S0，AoLP = 0.5 * atan2( S2, S1 )。
• S203-8（光谱到三刺激）：X = ∑_k I(λ_k) * xbar(λ_k) * Δλ，同理得 Y,Z。
• S203-9（单位与量纲校核）：check_dim( I_lin - gain*(DN'-black_level) ) = true。

V. 模式绑定流程 M30-*

1. M30-1 设备登记：以注册表解析 sensor_id/optics_id/firmware，补全/校核 sensor_meta 与单位。
2. M30-2 位流解码：执行 S203-1，产出 DN 与 bpp 报告。
3. M30-3 方向与坐标规约：执行 S203-2，统一到规范坐标；校核测试图案的棋盘朝向。
4. M30-4 CFA/模态识别：读取 cfa_pattern/mode；对非 CFA 模态登记 mode_axes。
5. M30-5 线性化与饱和掩码：执行 S203-3，记录 gain/black_level/SatMax 来源与不确定度。
6. M30-6 掩码构建：汇总 bad_pixel_map/hot_pixel_map 与 mask_sat 得 mask_bad/mask_hot/mask_sat。
7. M30-7 时基映射：滚动快门计算 ts_row 并映射到 ts，落盘 offset/skew/J。
8. M30-8 模态派生量：
   • ToF：执行 S203-5/S203-6 得 phi/T_arr/d_range/delta_form；
   • 偏振：执行 S203-7 得 S0,S1,S2,DoLP,AoLP；
   • 光谱：注册 λ_k/Δλ/I(λ_k) 并可选执行 S203-8。
9. M30-9 校核与签名：执行契约库，生成 assert_report；manifest.imaging.device 写入并签名。
10. M30-10 绑定完成：产出 SRef.img，交付后续计量/去马赛克/色彩/HDR 等流程。

VI. 契约与断言

• 元数据与单位
  required(sensor_meta.*) ⊆ keys(meta)；repair_units(meta)=pass。
• 位流与范围
  min(DN) ≥ 0，max(DN) ≤ 2^bpp-1；packing_ok=true。
• 方向与 CFA
  orientation_check(pass)=true；cfa_pattern ∈ {RGGB,BGGR,GRBG,GBRG}。
• 线性化
  check_dim( I_lin - gain*(DN'-black_level) )=true；mask_sat 覆盖度 ≤ sat_cov_max。
• 时基
  non_decreasing(ts_row)=true；| jitter | ≤ J_max。
• ToF
  delta_form ≤ tol_Tarr；d_range ≥ 0 且 d_range ≤ d_max_spec。
• 偏振
  S0 ≥ 0；0 ≤ DoLP ≤ 1。
• 光谱
  non_decreasing(λ_k)=true；Δλ > 0。
• 追溯
  manifest_signed=true，hash_sha256(blob) 一致。

VII. 实现绑定 I30-*

• I30-1 decode_raw_blob(raw_blob, packing, endianness, bpp) -> DN
• I30-2 canonicalize_orientation(DN, orientation, flip_x, flip_y) -> DN'
• I30-3 detect_mode_and_cfa(sensor_meta) -> {mode, cfa_pattern, mode_axes}
• I30-4 linearize(DN', gain, black_level, SatMax) -> {I_lin, mask_sat}
• I30-5 build_masks(I_lin, bad_pixel_map, hot_pixel_map, mask_sat) -> {mask_bad, mask_hot, mask_sat}
• I30-6 map_timebase_rs(meta, line_time, frame_time, exposure_time, tau_ref) -> {ts_row, ts, offset, skew, J}
• I30-7 tof_phase_range(I_cos, I_sin, f_mod, n_eff, c_ref) -> {phi, T_arr_forms, d_range, delta_form}
• I30-8 polar_compute(I0, I45, I90, I135) -> {S0, S1, S2, DoLP, AoLP}
• I30-9 bind_spectral_axis(cube, λ_k, Δλ) -> {I(λ_k), λ_axis}
• I30-10 emit_manifest_device(meta, hashes, contracts) -> manifest
• I30-11 assert_contract(ds, tests) -> report

VIII. 交叉引用

• 建模基线与噪声/色彩/HDR：见本卷第2章 P202-* / S202-* / M20-*。
• 标准输入与模式绑定、单位与量纲、时间轴与到达时：见《Methods.Cleaning v1.0》第3/4/5/6章。
• 归一化与概率：见《Methods.Cleaning v1.0》第13章。
• 数据模式与键：见《EFT.WP.Core.DataSpec v1.0》。
• 流式执行与 SLI/SLO：见《EFT.WP.Core.Threads v1.0》。

IX. 质量度量与风控

• 关键度量
  decode_fail_rate, mask_hot_density, sat_cov, orientation_mismatch, cfa_mismatch, J, delta_form, DoLP_clip_rate。
• 风险处置
  超阈触发回退到最近 freeze_release(tag_prev)，隔离样本并生成审计记录与复盘。

小结