相机曝光原理

摘要：自动曝光本质是通过控制曝光时间和光圈大小来控制亮度，是整体图像达到最佳亮度效果。

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1.曝光简述

正确的曝光值对图像有着重要影响，曝光过度照片看起来会过亮，曝光不足图片看起来会太暗。在摄像机中自动曝光模块用于调整照射到传感器上的入射光量从而充分利用其动态范围。曝光过程其实就是在给定的灵敏度下通过控制光圈和快门速度达到控制照射到传感器上的光量的过程。

曝光不足

曝光过度

曝光正常

2.曝光相关参数

• 常用的曝光时间（s）：

  1，1/2，1/4，1/8，1/15，1/25，1/30，1/60，1/125，1/250，1/500，1/1000，1/2000

• 常用光圈级数：
  F1，F/1.4，F/2，F/2.8，F/4，F/5.6，F/8，F/11，F/16，F/22

• 自动曝光模式通常有三种：

  • 自动曝光：快门和光圈都是自动模式。
  • 快门优先：用户选定快门速度，光圈为自动模式；该模式通常用于拍摄快速运动的物体，如果快门速度过慢，则获取的图像会模糊（夜晚通过增加曝光时间来降噪获取的图片会有拖影不知是否和这个有关系？）。
  • 光圈优先：用户决定光圈大小，快门为自动模式；该模式通常用来控制景深，光圈值越大照片景深层次越分明。

3．曝光值的计算

曝光值（exposure value，EV）代表能够给出同样曝光的所有相机光圈和快门的组合。其是一个以2为底的对数刻度系统。

EV=log2N2t E V = l o g 2 N 2 t

• 其中N是光圈（F值）; t是曝光时间（快门），单位秒。
• 曝光值0（EV0）对应于曝光时间为1秒而光圈为f/1.0的组合或其等效组合。

曝光值也是图像亮度和相当感光度的函数：

EV=f(BV,SV) E V = f ( B V , S V )

• BV表示亮度值
• SV表示感光度值

对于一种图像sensor来说，一般其感光度是单一的。我们可以通过测光设备来获取关系式中的f。传统相机的相当感光度一般用ISO表示，该数值越大，胶卷对光线的敏感程度也增加。为了用户便于理解，企业一般将数码相机的CCD/CMOS感光度（或对应光线灵敏度）等效转换为传统胶卷的感光度，因而数码相机也就有了“相当感光度”这一说法。当iso值从100增加到200时，图像噪度和颗粒度增加了%40.一般来讲，当光照条件足够是，以最小的iso值来拍摄相对静止的物体，就可以获得清晰度较高的照片。

对于目前我们使用的sensor一般来说每款sensor的感光度都是固定的，所以需要确定，Ev和BV的值，然后就确定了关系f。有两种获取EV和BV的值，一种是通过测光计测量亮度，然后查表查出曝光值；另一种方法是根据中性灰或者%18的反光率来获取一个合适的曝光值。如果相机中有很亮和很暗的值，这种方法获取的值就存在非常大的误差，这种情况下可以采用手动曝光来解决。

• 曝光值，光圈，曝光时间对照表
  

4.曝光时间的计算

一个非线性操作和色彩控制之前预先设置好的模拟和数字增益放大器，被用来执行自动曝光的信息感知和控制。亮度值Y用于作为控制曝光时间的指标。整个图像感知区域分为多个同步子模块（宏块），称为自动曝光窗口。如下图1.1展示了一个典型的自动曝光窗口的布局。

对于一个RGB色彩滤波阵列的图像传感器而言，色彩信息可以转化为Y值以便衡量入射光强，自动曝光信号处理模块计算所有自动曝光窗口信号的平均值和峰值，并将其传递给微处理器。微处理器中运行的自动曝光控制程序会估计每一个值并决定最佳的曝光时间，这样的估计算法有很多，例如常用的利用窗口值的方差进行计算。

5曝光控制算法

目前常用的曝光方法一般有两种，一种是根据亮度来计算曝光时间或者光圈值；另一种是研究不同光照条件下，亮度与曝光值的关系（EV = f(BV,SV)中的f）来进行曝光控制。具体的控制算法可以参考网上论文。