2020-12-08

2020/12/09 08:06
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3A+ISP之AE篇

转载于3A+ISP之AE篇

关于AEAuto 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。

在这里插入图片描述


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

在这里插入图片描述

(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:

  1. 调节曝光时间;
  2. 调节光圈大小;
  3. 调节Sensor的ISO感光度

(3)AE控制模块:

在这里插入图片描述

(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)。

在这里插入图片描述


(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。

在这里插入图片描述

(7)曝光量计算相关的名词解释和公式:

在这里插入图片描述


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:

在这里插入图片描述

⑥AE table:

不同的曝光时间和ISO组合方式,表和图示如下:

在这里插入图片描述

 

在这里插入图片描述


⑦AE收敛:

在这里插入图片描述


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,

在这里插入图片描述

 

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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。

在这里插入图片描述

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,

在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述


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。

在这里插入图片描述

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)。

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