3A+ISP之AE篇
3A+ISP之AE篇
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关于AE（Auto Exposure）
AE算法思想和曝光量公式：
（1）AE的基本概念：Auto Exposure即自动曝光，是相机根据外界光线的强弱自动调整曝光量和增益，防止曝光过度或者不足的一种机制。
可见，AE的输入为当前影像的亮度值Y，输出为sensor的曝光时间和增益，isp增益和镜头光圈（如果镜头光圈可调）。当AE algorithm得到当前帧的亮度后，便会与target Y做比较，然后计算出下一次需要调整的参数，以便让影像的亮度越来越接近target Y，如下所示。
PS:target并非一个固定值，而是一个range，
（2）影响曝光的因素：
AE算法的要求是“快，准，稳”。即要很快的能收敛到target附近，而且亮度要准确，收敛过程要平滑，收敛完成后要稳定。
影响AE算法的因素图片亮度的统计，AE target，AE table，收敛速度控制。
实际操作中调节的因素有：
- 调节曝光时间；
- 调节光圈大小；
- 调节Sensor的ISO感光度
（3）AE控制模块：
（4）调节曝光的方法步骤和算法：
A.读入现在设定值所得到的亮度值；
B.经过AE weight table后得到我们想要计算的亮度；
C.将得到的计算值，趋近我们的期望值（如：135）；
D.计算出一组新的设定值；
E.重复以上动作，直到亮度值在我们的期望值收敛范围内(Example : 131~139)。
（5）曝光时间的控制：
因为Sensor本身并没有时间的概念，它是通过pixel clock数和pixel clock的频率来表示sensor曝光时间的。为了得到简便的表达方式，就用曝光行数表示曝光时间了。曝光行数=pixel clock数/每条line的pixel数。 只需要知道sensor的pixel clock频率和每行的pixel数（有效pixel+dummy pixel），便可以计算出任何曝光时间，sensor需要曝光多少行。
（6）sensor曝光过程：
如下图过程可见，曝光是逐个像素从上往下进行的，当读到图中红色块时就说上面的五行已经曝光完成了，也说明sensor的曝光时间是5条lines。
（7）曝光量计算相关的名词解释和公式：
①AV是孔径值：
AV = 2 * log2 (F number) ，F number是镜头的光圈F值，如F5.6，F值就是5.6。
②TV是时间值：
TV = - log2 (exposure time) ，exposure time是曝光时间单位是秒sec。
③BV是被摄景物的亮度：
BV =log2(B/0.3K) ， B是景物亮度单位是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：
则曝光公式为：
⑥AE table：
不同的曝光时间和ISO组合方式，表和图示如下：
⑦AE收敛：
et是曝光时间；agc指sensor的感光度sensorgain即sensor的ISO值；iris是光圈值的大小。
收敛的概念就是无限趋近。
（8）AE中的问题：flicker，过曝、曝光不足、AE peak、AE震荡等。
Flicker：
现象：图像因为sensor曝光时间不是光源频率的整数倍导致图像上出现Banding即明暗相间的条纹。
产生原因：
曝光时间小于1/100秒，且曝光时间处于波峰时，图片亮度比较亮
曝光时间小于1/100秒，且曝光时间处于波谷时，图片亮度比较暗
从能量的角度看，就是当sensor逐像素吸收外界能量成像时，外界能量有时大有时小，像素就有的亮有的暗。因此产生flicker现象。
解决办法：
所以只有曝光时间=光源周期的整数倍的时候，保证每个像素吸收的光能是稳定的。
才可以避免flicker。
国内市电，50HZ，
AE Peaking：AE的峰值，图像亮度平稳时，突然出现亮度高的画面。
AE震荡：图像亮度忽明忽暗。
测光模式：
①平均测光，取画面亮度均值作为曝光依据，画面主体、背景亮度差异大时，容易造成曝光过度或者曝光不足的现象。
②中央点测光(Spot Metering)，仅测量中央很小范围内景物的亮度作为自动曝光依据，
③多点测光(Multi-Spot Metering)：简单理解为点测光+记忆装置，拍摄时使被摄体中不同的部位，先后位于取景视场中心进行点测光，照相机内的电子线路将每次的结果记忆下来，并按各点的平均值进行曝光。可兼顾画面不同部分的亮度，精度高，操作麻烦。多点测光适合于拍摄风景、人像等静止不动的物体，不适合拍摄动体
④中央重点测光，是平均测光与点测光方式的折衷形式，中央部分亮度权重较高，边缘权重较低 能同时兼顾被摄主体和四周景物的亮度，因此对被摄主体的测光精度较高，尤其适合于拍摄带风景的人物照片。但对于亮度不均匀或反差太大的场合，容易造成曝光过度或者曝光不足的现象。
⑤局部测光：佳能首创，中央重点加权平均测光和点测光方式的折中，测光区域较点测光大。
⑥分区式测光(Multi-Pattern Metering)，又称多幅面测光、多模式测光或区域分割式测光，主要原理是将画面分成几个区，先测取每个区的亮度，然后经过综合计算，从而决定每个区域的测光加权比重，给出一个能兼顾各区的曝光值。从理论上讲，分区式测光方式都具有自动逆光补偿能力。
曝光相关名词解释：
①光通量(Φ)──单位时间通过某面积的辐射能量对人眼所引起的视觉强度。单位：流明。
亮度(B)──发光物体表面或被光源照明的景物反光表面，在人眼观察方向所看到的亮暗程度。单位：熙提（坎德拉/平方厘米）。
②照度(E)──不发光物体被光源照明的程度，用单位面积上接收的光通量表示。单位：勒克司(Lux)，即流明/平方米。
③曝光量(H)──底片单位面积所获得的光能量，是底片面某点的照度E和有效曝光时间T的乘积。单位：Lux.sec。
④不同感光度的底片（胶卷），需要的曝光量也不同。合适曝光量的经验公式是：
曝光量＝n/S
其中S为底片的感光度（ISO单位），n为经验常数（对彩色底片n=10，黑白底片n=8），对于ISO100的底片，合适的曝光量约为0.08~0.1 Lux.sec。
⑤Dummy line：是在帧间传输的时候，为了帧同步在一帧结束后增加的无信号时间，也是用pixel clock表示的，表示的是时间的概念。1帧应该是包含dummy line的，对于同样的曝光时间，增加dummy line等于减少了曝光量，所以画面整体亮度都会被拉下来。
⑥Dummy Pixel= Blanking pixel：哑元像素。是在把行传输出来的时候，行与行之间的一个时间间隙，用pixel clock表示的时间。
⑦Ev = et * agc * iris：agc和Iris指的是什么？et是曝光时间；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这个是什么单位：亮度是指发光物体表面发光强弱的物理量称为亮度(luminace)，物理学上用L表示，单位为坎德拉每平方米或称平方烛光cd/m2。
Cd/cm2和lux的换算：L=R×E；中L为亮度,R为反射系数,E为照度；光强度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)。