3A+ISP之AE篇

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關於AE（Auto Exposure）

AE演算法思想和曝光量公式：

（1）AE的基本概念：Auto Exposure即自動曝光，是相機根據外界光線的強弱自動調整曝光量和增益，防止曝光過度或者不足的一種機制。

可見，AE的輸入為當前影像的亮度值Y，輸出為sensor的曝光時間和增益，isp增益和鏡頭光圈（如果鏡頭光圈可調）。當AE algorithm得到當前幀的亮度後，便會與target Y做比較，然後計算出下一次需要調整的參數，以便讓影像的亮度越來越接近target Y，如下所示。

PS:target並非一個固定值，而是一個range，

（2）影響曝光的因素：

AE演算法的要求是「快，准，穩」。即要很快的能收斂到target附近，而且亮度要準確，收斂過程要平滑，收斂完成後要穩定。

影響AE演算法的因素圖片亮度的統計，AE target，AE table，收斂速度控制。

實際操作中調節的因素有：

1. 調節曝光時間；
2. 調節光圈大小；
3. 調節Sensor的ISO感光度

（3）AE控制模塊：

（4）調節曝光的方法步驟和演算法：

A.讀入現在設定值所得到的亮度值；

B.經過AE weight table後得到我們想要計算的亮度；

C.將得到的計算值，趨近我們的期望值（如：135）；

D.計算出一組新的設定值；

E.重複以上動作，直到亮度值在我們的期望值收斂範圍內(Example : 131~139)。

（5）曝光時間的控制：

因為Sensor本身並沒有時間的概念，它是通過pixel clock數和pixel clock的頻率來表示sensor曝光時間的。為了得到簡便的表達方式，就用曝光行數表示曝光時間了。曝光行數=pixel clock數/每條line的pixel數。 只需要知道sensor的pixel clock頻率和每行的pixel數（有效pixel+dummy pixel），便可以計算出任何曝光時間，sensor需要曝光多少行。

（6）sensor曝光過程：

如下圖過程可見，曝光是逐個像素從上往下進行的，當讀到圖中紅色塊時就說上面的五行已經曝光完成了，也說明sensor的曝光時間是5條lines。

（7）曝光量計算相關的名詞解釋和公式：

①AV是孔徑值：

AV = 2 * log2 (F number) ，F number是鏡頭的光圈F值，如F5.6，F值就是5.6。

②TV是時間值：

TV = - log2 (exposure time) ，exposure time是曝光時間單位是秒sec。

③BV是被攝景物的亮度：

BV =log2(B/0.3K) ， B是景物亮度單位是Cd/cm2。

LV=BV+5。

④SV是感光材料的感光度值：

SV = log2(0.3S), ISO100的S值就是100.

⑤EV是曝光量：

則曝光公式為：

⑥AE table：

不同的曝光時間和ISO組合方式，表和圖示如下：

⑦AE收斂：

et是曝光時間；agc指sensor的感光度sensorgain即sensor的ISO值；iris是光圈值的大小。

收斂的概念就是無限趨近。

（8）AE中的問題：flicker，過曝、曝光不足、Flicher、AE peak、AE震蕩等。

Flicker：

現象：圖像因為sensor曝光時間不是光源頻率的整數倍導致圖像上出現Banding即明暗相間的條紋。

產生原因：

• 曝光時間小於1/100秒，且曝光時間處于波峰時，圖片亮度比較亮
• 曝光時間小於1/100秒，且曝光時間處于波谷時，圖片亮度比較暗

從能量的角度看，就是當sensor逐像素吸收外界能量成像時，外界能量有時大有時小，像素就有的亮有的暗。因此產生flicker現象。

解決辦法：

• 所以只有曝光時間=光源周期的整數倍的時候，保證每個像素吸收的光能是穩定的。

才可以避免flicker。

國內市電，50HZ，

AE Peaking：AE的峰值，圖像亮度平穩時，突然出現亮度高的畫面。

AE震蕩：圖像亮度忽明忽暗。

測光模式：

①平均測光，取畫面亮度均值作為曝光依據，畫面主體、背景亮度差異大時，容易造成曝光過度或者曝光不足的現象。

②中央點測光(Spot Metering)，僅測量中央很小範圍內景物的亮度作為自動曝光依據，

③多點測光(Multi-Spot Metering)：簡單理解為點測光+記憶裝置，拍攝時使被攝體中不同的部位，先後位於取景視場中心進行點測光，照相機內的電子線路將每次的結果記憶下來，並按各點的平均值進行曝光。可兼顧畫面不同部分的亮度，精度高，操作麻煩。多點測光適合於拍攝風景、人像等靜止不動的物體，不適合拍攝動體

④中央重點測光，是平均測光與點測光方式的折衷形式，中央部分亮度權重較高，邊緣權重較低 能同時兼顧被攝主體和四周景物的亮度，因此對被攝主體的測光精度較高，尤其適合於拍攝帶風景的人物照片。但對於亮度不均勻或反差太大的場合，容易造成曝光過度或者曝光不足的現象。

⑤局部測光：佳能首創，中央重點加權平均測光和點測光方式的折中，測光區域較點測光大。

⑥分區式測光(Multi-Pattern Metering)，又稱多幅面測光、多模式測光或區域分割式測光，主要原理是將畫面分成幾個區，先測取每個區的亮度，然後經過綜合計算，從而決定每個區域的測光加權比重，給出一個能兼顧各區的曝光值。從理論上講，分區式測光方式都具有自動逆光補償能力。

曝光相關名詞解釋：

①光通量(Φ)──單位時間通過某面積的輻射能量對人眼所引起的視覺強度。單位：流明。

亮度(B)──發光物體表面或被光源照明的景物反光表面，在人眼觀察方向所看到的亮暗程度。單位：熙提（坎德拉/平方厘米）。

②照度(E)──不發光物體被光源照明的程度，用單位面積上接收的光通量表示。單位：勒克司(Lux)，即流明/平方米。

③曝光量(H)──底片單位面積所獲得的光能量，是底片面某點的照度E和有效曝光時間T的乘積。單位：Lux.sec。

④不同感光度的底片（膠捲），需要的曝光量也不同。合適曝光量的經驗公式是：

曝光量＝n/S

其中S為底片的感光度（ISO單位），n為經驗常數（對彩色底片n=10，黑白底片n=8），對於ISO100的底片，合適的曝光量約為0.08~0.1 Lux.sec。

⑤Dummy line：是在幀間傳輸的時候，為了幀同步在一幀結束後增加的無信號時間，也是用pixel clock表示的，表示的是時間的概念。1幀應該是包含dummy line的，對於同樣的曝光時間，增加dummy line等於減少了曝光量，所以畫面整體亮度都會被拉下來。

⑥Dummy Pixel= Blanking pixel：啞元像素。是在把行傳輸出來的時候，行與行之間的一個時間間隙，用pixel clock表示的時間。

⑦Ev = et * agc * iris：agc和Iris指的是什麼？et是曝光時間；agc指sensor的感光度sensorgain即sensor的ISO值；iris是光圈值的大小。

⑧B=250Cd/cm2，Cd/cm2這個是什麼單位：亮度是指發光物體表面發光強弱的物理量稱為亮度(luminace)，物理學上用L表示，單位為坎德拉每平方米或稱平方燭光cd/m2。

Cd/cm2和lux的換算：L=R×E；中L為亮度,R為反射係數,E為照度；光強度I坎德拉Candela(cd)，光照度E勒克斯Lux(lx)，光亮度L尼特Nit，光通量φ流明Lumen(lm)。

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