AE 基本原理总结
目录
1、AE 自动曝光 ≠ 亮度
2、如何进行自动曝光呢 ？
2-1、AE 统计模块
2-2、AE算法模块
3、AE 的工作流程
3-1、AE loop
3-2、曝光表
4、亮度、照度、光通量的关系
1、AE 自动曝光 ≠ 亮度
在工业界，自动曝光 = ISO（感光度） x 光圈 x 曝光时间，使得Sensor输出或者使得ISP在AE测光之前的图像输出达到一定的亮度，而亮度控制是指最终的成像效果，除了AE，还包含后面的gamma、Tone mapping、Multi frame HDR... 对图像输出的处理 ；
2、如何进行自动曝光呢 ？
2-1、AE 统计模块
-
AE 模块一般由 ISP的 AE统计模块 AE控制策略的AE算法两部分组成。
-
AE 统计模块， 通常是硬件模块，一般在LSC/WB之后， AE提供的统计信息包括亮度直方图和亮度区域统计值。
-
可同时提供整幅图像的 256 段直方图和 R/Gr/Gb/B 四分量平均值统计信息，还可提供将整幅图像分成 MxN 区块的每个区块的 R/Gr/Gb/B 四分量平均值统计信息。
2-2、AE算法模块
-
AE算法模块是根据ISP AE统计模块的数据，进行实时计算，然后配置新的曝光参数写给Sensor ；
-
什么是合适的曝光 ？
如下图，从人眼可见的亮度、直方图两种维度去看什么是合适的曝光 （这是感观上的）；
-
曝光误差的量化
当前曝光值和定义的标准曝光值之前的偏差就叫曝光误差，首先我们先确定一个曝光标准，就是欠曝和过曝的时候，向正确的曝光标准去矫正，我们以“18%中性灰”作为人眼可以接受的标准亮度；
一般软件的计算公式：
Exposure ^gamma（0.45） = pixel value
Log(exposure) = log(pixel value) /gamma
exposure_error = △（ log (Exposure) ）
补充：什么叫18%中性灰？为什么用18%中性灰作为曝光标准呢？
--- 18度灰是指光线反射率为18%的一种灰色；
--- 要说清楚曝光的原理就首先要说人眼的视觉，人眼对观察到的亮度变化是一种对数压缩规律。比如亮度为 1000 烛光/平方米的一个东西，和亮度为 500 烛光/平方米的一个东西，虽然他们亮度相差 500，人眼认为他们亮度差一倍。比如亮度为 10 烛光/平方米的一个东西，和亮度为 5 烛光/平方米的一个东西，虽然他们亮度相差只有 5，人眼认为他们亮度也差一倍。这种对数压缩使我们既能看清楚亮度极高的蓝天白云，又能看清楚烛光下的生日蛋糕。
--- 18%灰在人眼看来，做过对数压缩后，正好是 100%的中间，所以用 18%反光率的灰板作为中级灰（中间调、中度灰）是非常科学的。 当灰板的反光率从 3.6%（基本就是 0）变到 90%（基本就是 100%）时，人眼观察到的亮度变化， 18%灰正好是中心，所以把它作为标准。一般来说，自然界不主动发光，只是反射光线的物体，其反光率都在 3.6%到 90%之间，所以用反光率 18%的灰板来作为标准也是比较符合实际情况的。
-
利用均值法得出AE targert，均值法就是要满足当前场景亮度的平均反射率等于18%中性灰的反射率这个假设，来得出此时是曝光正确的；
--- Gamma 计算的公式是： Output = 255 （ Input / 255) 1/gamma
--- 逆运算就是： Input = 255 x ( Output /255) gamma
--- 在经过gamma后的亮度值是122 ( 这是色卡厂家提供的24个patch的标准rgb空间下的理论值 ，是带了2.2gamma的)， 把 122 代入进去，结果是约等于50 ， 也就是说 AE 的目标就是把图像的平均亮度在 gamma 前调整到50。
-
均值法的局限
均值法是基于图像平均反射率等于18%灰这个假设，但当场景中背景色彩单一的时，这个假设就不成立；比如背景中白色较多，或者黑色较多的时候，如下图左上角的灰卡实际是18%反射率的色卡，但由于背景全白，出现视觉误差，出现欠曝，为了视觉上将其纠正为18%灰，就必须增加亮度，反之当背景全黑时，就会出现过曝 （也就是摄影中的 白加黑减原理）；
-
均值法AE的改进（直方图法）：
因为上面的缺点，在均值法的基础上，引入了直方图的方法，利用了直方图均衡，过程如下：
1图中亮度值达到了平均值，但是分布于低亮度的pixel太多，图像细节较少，对比度小。通过直方图均衡化后，2,4图可以看出对比度增大，此时再去做均值法曝光。
补充：直方图均衡
--- 提高对比度，增加动态范围
-
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 的工作流程
3-1、AE loop
1>、Sensor 给定一组初始值输出图像；
2>、进入ISP中AE 进行统计得到 AE Target ；
3>、若欠曝，则增加曝光量，若过曝，则减小曝光量，得到新的AE Target ;
4>、新的AE Target 分解得到一组新的曝光参数（不同sensor again、sensor dgain、isp dgain、光圈、快门速度的组合）；
5>、将新的曝光参数写入sensor ；
6>、几帧重复上述循环，得到正确的图像亮度；
--- 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
3-2、曝光表
知道了平均亮度后和标准的18%灰做差，就可以通过调节曝光时间、光圈、增益来进行曝光。当计算出一个曝光量，曝光参数很多种组合方式。一般情况下有曝光曲线，每个曝光量对应一组参数。如下表所示，tuning 过程中要根据不同特征场景使用不同的曝光参数 （数码相机中是有不同的拍照模式对应固定的曝光表）：
1、高亮情况下，就不宜通过加大增益来提高亮度，这会带来噪声，而是通过加大曝光时间；
2、低亮场景下，提高曝光时间就会带来运动模糊，需要加大增益来提高亮度；
补充：为什么增大曝光时间，运动物体就会有拖影；
--- 由于运动物体整个运行过程都是在cmos上成像的，所以拍出的照片就有拖影，只有当曝光时间足够快，物体相对于相机就是相对静止的，也就看不到有拖影了；
4、亮度、照度、光通量的关系
图：简而言之，就是灯泡发出的光的数量（ 光通量 ）在某一方向以一定的强度（ 光强 ）入射到某一表面，此时可测得这一表面的 照度 。不管这一表面是黑色的还是白色的，是木头的还是石材的，照度值都是一样的。 该表面会反射光线，可能是镜面反射，更可能的是漫反射，往空间中很多方向都有光的反射。当我们站在某一位置观察受照面的时候，我们就看到了这个表面的明亮程度（ 亮度 ）。
光通量(Φ)──单位时间内光源发出光的能量总和。单位：流明（lm），1lm = 发光强度为1坎德拉（cd）的点光源 ,
光强 ── 指的是 一光源在给定方向上的发光强度 ，单位：坎德拉（cd）, 1cd ≈ 蜡烛烛光在1米以外的所显现出的亮度 ，
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（sb），1sb = 10^4 [cd/m²]
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) 1lux=1 lm/m²
参考：
3A之AE篇_U_far的博客-CSDN博客
《大话成像数字成像系统--课程笔记》
亮度到底是个什么鬼？
下面是我的微信公众号欢迎关注：
