Camera 图像处理原理分析- 亮度及曝光控制

 

作者：刘旭晖 [email protected] 转载请注明出处

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1.1        亮度感应及曝光

1.1.1          感光宽容度

从最明亮到最黑暗，假设人眼能够看到一定的范围，那么胶片（或CCD等电子感光器件）所能表现的远比人眼看到的范围小的多，而这个有限的范围就是感光宽容度。

人眼的感光宽容度比胶片要高很多，而胶片的感光宽容度要比数码相机的ccd高出很多！了解这个概念之后，我们就不难了解，为什么在逆光的条件下，人眼能看清背光的建筑物以及耀眼的天空云彩。而一旦拍摄出来，要么就是云彩颜色绚烂而建筑物变成了黑糊糊的剪影，要么就是建筑物色彩细节清楚而原本美丽的云彩却成了白色的一片

再看人眼的结构，有瞳孔可以控制通光量，有杆状感光细胞和椎状感光细胞以适应不同的光强，可见即使人眼有着很高的感光宽容度，依然有亮度调节系统，以适应光强变化。

那么对于camera sensor来说，正确的曝光就更为重要了！

1.1.2          自动曝光和18%灰

对于sensor来说，又是如何来判断曝光是否正确呢？很标准的做法就是在YUV空间计算当前图像的Y值的均值。调节各种曝光参数设定（自动或手动），使得该均值落在一个目标值附近的时候，就认为得到了正确的曝光。

那么如何确定这个Y的均值，以及如何调整参数使得sensor能够将当前图像的亮度调整到这个范围呢？

这就涉及到一个概念 18%灰，一般认为室内室外的景物，在通常的情况下，其平均的反光系数大约为18%，而色彩均值，如前所述，可以认为是一种中灰的色调。这样，可以通过对反光率为18%的灰板拍摄，调整曝光参数，使其颜色接近为中等亮度的灰色（Y值为128）。然后，对于通常的景物，就能自动的得到正确的曝光了。

 

当然这种自动判断曝光参数的AE功能不是万能的，对于反光率偏离通常均值的场景，比如雪景，夜景等，用这种方法就无法得到正确的曝光量了。所以在sensor的软件处理模块中，通常还会提供曝光级别的设定功能，强制改变自动曝光的判断标准。比如改变预期的亮度均值等。

1.1.3          曝光级别设定

在多数数码相机和拍照手机上都可以看到曝光级别设定的功能，如前所述，这种设定实际上是在自动曝光的基础上给用户提供一定的曝光控制能力，强制改变camera sensor的曝光判断标准，获得用户想要的效果。

通常的做法就是改变Y值均值的预期值，使得sensor在自动曝光时以新的Y预期值为目标，自动调整Exptime 和 AG。

1.1.4          gamma校正

曝光的均值正确了，不代表整体图像的亮度分布就和人眼所看到的保持一致了。

事实上，人眼对亮度的响应并不是一个线性的比例关系，而各种涉及到光电转换的设备的输入输出特性曲线一般也是非线性的，且表现为幂函数的形式： y ＝x n , 所以整个图像系统的传递函数是一个幂函数。 g＝ g 1× g 2×…× g n

对于sensor来说，其响应倒是接近为线性关系，所以为了在各种设备上正确输出符合人眼对亮度的响应的图像，就需要进行校正。

幂函数的指数的倒数就是通常所说的gamma值。

归一化的gamma曲线

校正的函数可以表示为 '>1，通常对于Window的输出显示系统，gamma值为2.2，而对于苹果的输出显示系统和打印系统来说，gamma值为1.8。

实际上，sensor在做gamma校正的时候，通常也一并作了从raw格式的10bit的数据到8bit数据的转换，所以这时候的公式可以表示为           对比度

对比度的调整在一定程度上说，其实也就是对gamma曲线的调整，增大对比度就是提高Gamma值。对于图像处理来说，也有在硬件gamma校正后，单独由软件再进行一次类似的幂函数变换来调整对比度。

1.1.6          曝光参数的调整

曝光强度的调整，可以通过改变曝光时间，也可以通过改变亮度增益AG来实现。

曝光时间受到桢频的限制，比如摄像时要求15帧每秒的话，这时候曝光时间最长就不能超过1/15s，可能还有别的条件限制，实际的曝光时间还要短，在光线弱的情况下，单独调整曝光时间就无法满足帧频的需要了。

这时候还可以调整增益AG，来控制曝光的增益，降低曝光时间。但是，这样做的缺点是以牺牲图像质量为代价的，AG的增强，伴随的必然是信噪比的降低，图像噪声的增强。

所以，以图像质量为优先考虑的时候，曝光参数的调节通常是优先考虑调节曝光时间，其次在考虑曝光增益。当然曝光时间也不能过长以免由于抖动造成图像的模糊，而在拍摄运动场景时，对曝光时间的要求就更高了。