图像算法---自动曝光AE

一，自动曝光AE

自动曝光（AE，全称Auto Exposure）是一种在摄影和摄像中广泛使用的技术，它允许相机或摄像机根据环境光线条件自动调整曝光参数，以获得清晰、亮度适中的图像或视频。以下是关于自动曝光AE的详细介绍：

1，定义与功能：
AE是一种自动调节曝光时间的机制，其主要功能是在外界环境光照条件发生变化时，通过调节sensor的曝光时间、光圈大小、增益等参数，使图像或视频保持适当的亮度，防止过曝或过暗导致的细节丢失。

2，曝光参数：
曝光时间：快门打开的时间，影响进光量。曝光时间长则进光量多，适合光线条件差的情况；反之，则适合光线好的情况。
光圈大小：由拍摄者手动选择的光圈f值，影响景深和进光量。光圈越大，景深越浅，适合人像等特写拍摄；反之，则适合风景等需要大景深的拍摄。
增益（ISO）：传感器模拟增益和传感器/ISP数字增益，影响图像噪声和亮度。增益越大，图像噪声也越大，但亮度也会相应提高。

在这里插入图片描述曝光由光圈、曝光时间、ISO三者共同决定。

对于手机以及其他电子产品使用的微型摄像头，光圈大小是固定的，所以手机拍照的曝光由曝光时间和增益(ISO)来控制。

自动曝光就是自动调节曝光时间、光圈、ISO进行曝光，使得所摄物体亮度正常。

自动曝光的标准：
物体的亮度与色彩是由物体对光线的反射率来决定的。例如纯黑色的放射率是0，纯白色的反射率是100%，处于中间的灰度的反射率是18%，这就是18%中间灰度。
相机在各种场景下无法识别物体的反射率，于是统一将图像整体平均亮度设置为中性灰的亮度。该方法基于科学家认为自然界的平均反射率是18% 这一理论。当然，这个理论不是万能的，雪景的亮度肯定大于18%，白增黑减。

二，自动曝光的算法

1，均值法AE
均值法AE是一种自动曝光（AE，全称Auto Exposure）的调整方法，它基于图像或视频的整体亮度来自动调整曝光参数。以下是关于均值法AE的详细介绍：

1.1 定义与原理：
均值法AE是通过计算图像或视频的平均亮度（或称为平均灰度），并将其与预设的目标亮度（通常是18%灰度）进行比较，来自动调整曝光参数的方法。

1.2 计算过程：
亮度计算：首先，系统会计算整个图像或视频帧的平均亮度（或灰度值）。这通常涉及到将图像划分为多个区域，并计算每个区域的亮度，然后取所有区域的平均值。
目标亮度：系统预设一个目标亮度值，这个值通常基于韦伯定律，认为大自然的整体灰度为18%，因此目标亮度也常设为18%灰度对应的亮度值。
曝光参数调整：
如果当前图像的平均亮度低于目标亮度，系统会自动增加曝光时间、增大光圈或提高ISO等参数，以增加进光量，提高图像亮度。
如果当前图像的平均亮度高于目标亮度，系统则会减少曝光时间、缩小光圈或降低ISO等参数，以减少进光量，降低图像亮度。

1.3 优点与限制：
优点：均值法AE能够快速地根据图像的整体亮度调整曝光参数，适用于大多数光线条件。
限制：当图像中存在大范围的白或黑物体时，均值法AE可能不够准确，因为它只考虑了图像的平均亮度，而没有考虑到不同区域的亮度差异。

1.4 改进方法：
为了解决均值法AE的局限性，可以使用直方图均衡化等更复杂的算法来优化曝光参数调整。这些方法能够更准确地反映图像中不同区域的亮度分布，从而提供更准确的曝光参数调整。

2，N段式统计法
自动曝光中的N段式统计法是一种在手机ISP（Image Signal Processor，图像信号处理器）上常用的方法，特别是在手机摄像头光圈固定（这里仅考虑单摄像头场景）的情况下。由于光圈固定，可调节的参数主要限于曝光时间和ISO（感光度）。以下是关于N段式统计法的详细解释：

基本概念

N段：指的是ISO的不同段。由于手机sensor的光圈是固定的，因此曝光时间的调节和ISO的调节成为主要手段来适应不同的光线条件。
调节顺序与策略

优先调节曝光时间：在大多数情况下，系统会优先调节曝光时间以达到目标亮度。但曝光时间有一个上限，这个上限通常是为了保证预览帧率（如每秒30fps）而设定的，一般在33ms内完成。
调节ISO：当曝光时间达到其上限但仍不能满足目标亮度时，系统会开始调节ISO。但需要注意的是，调节ISO可能会引入更多的噪点，特别是在暗光条件下。
N段式统计：这里的“N段”实际上是指ISO的不同调节阶段。系统会根据当前曝光时间和ISO的组合，以及目标亮度，来决定是否调整ISO以及调整多少。这种策略旨在保证在ISO较小的情况下优先调节曝光时间，以减小噪点的影响。
实现过程

系统首先根据当前光线条件和目标亮度设定一个初始的曝光时间和ISO值。
随后，系统会根据捕获的图像的实际亮度与目标亮度的差异，来决定是否调整曝光时间和ISO。
如果需要调整，系统会首先尝试增加或减少曝光时间。如果曝光时间已经达到其上限或下限，但亮度仍不满足要求，则系统会开始调整ISO。
这个过程会不断重复，直到图像的亮度接近或达到目标亮度为止。

调节ISO最主要的副作用就是会同时增强噪点，如果把暗光下的图片放大多倍，噪点就会非常明显；通常是优先调节曝光时间，但是曝光时间也有个上限，必须要在33ms内完成才能保证每秒30fps的预览帧率。
N段指的就是ISO的不同段，优先保证ISO较小的情况下调节曝光时间，当曝光时间到极大值仍不能满足时再将ISO调大一级再重新调整曝光时间。

总结

N段式统计法是一种有效的自动曝光策略，它能够在保证预览帧率的同时，尽可能地减小噪点的影响，并在不同的光线条件下获得较为理想的图像亮度。这种方法特别适用于手机摄像头等光圈固定的场景。

三，卷帘曝光（Rolling Shutter）原理

卷帘曝光（Rolling Shutter）的原理可以归纳为以下几点：

1，曝光方式：
卷帘曝光是一种特殊的曝光方式，主要应用在CMOS图像传感器上。
与全局曝光（Global Shutter）不同，卷帘曝光是逐行进行的，即从图像的顶部开始，传感器逐行地将每一行图像暴露给光线，然后逐行地向下移动，直到整个图像的底部都曝光完成。

2，控制信号：
卷帘曝光的控制过程涉及两个关键的控制信号：reset信号和read信号。
reset信号：负责将一行像素清零，即在这一行曝光前将其reset（清0）。
read信号：负责读取一行像素数据，即在这一行曝光后读取其数据。
reset信号和read信号以行为单位移动，每移动一行就完成了一行的曝光和读取过程。

3，曝光时间：
卷帘曝光的曝光时间是以行为单位的，每一行的曝光时间可能因光源条件或传感器设计而有所不同。
read信号和reset信号之间的间隔决定了每一行的曝光时间。
在这里插入图片描述