3. AE曝光计算基础

任务目标

本案例实现AE（自动曝光）核心计算模块：输入当前帧亮度统计值（平均亮度、亮度权重分布）与目标亮度，输出曝光时间、模拟增益、数字增益三者的初始配置值。算法采用经典直方图权重法，适用于高通Spectra ISP平台上的预览与拍照场景。

核心实现

// ae_exposure_calc.h
#ifndef AE_EXPOSURE_CALC_H
#define AE_EXPOSURE_CALC_H

#include <stdint.h>

#define AE_HIST_BINS 256
#define AE_MAX_EXPOSURE_TIME_US 33000.0f   // 最大曝光33ms
#define AE_MIN_EXPOSURE_TIME_US 100.0f     // 最小曝光0.1ms
#define AE_MAX_ANALOG_GAIN 16.0f
#define AE_MIN_ANALOG_GAIN 1.0f
#define AE_MAX_DIGITAL_GAIN 4.0f
#define AE_MIN_DIGITAL_GAIN 1.0f

typedef struct {
    float exposure_time_us;   // 曝光时间(us)
    float analog_gain;        // 模拟增益
    float digital_gain;       // 数字增益
} ae_result_t;

typedef struct {
    uint32_t hist[AE_HIST_BINS];  // 256级灰度直方图
    uint32_t total_pixels;        // 总像素数
} ae_stats_t;

// 核心计算函数
ae_result_t ae_calc_exposure(const ae_stats_t *stats, float target_luma);

#endif

// ae_exposure_calc.c
#include "ae_exposure_calc.h"
#include <math.h>

// 计算加权亮度（中亮区域权重更高）
static float ae_calc_weighted_luma(const ae_stats_t *stats) {
    float weighted_sum = 0.0f;
    uint32_t weight_sum = 0;

    for (int i = 0; i < AE_HIST_BINS; i++) {
        if (stats->hist[i] == 0) continue;

        float luma = (float)i / 255.0f;
        float weight = 1.0f;

        // 中间调(0.3~0.7)权重1.5，暗部/亮部权重0.8
        if (luma > 0.3f && luma < 0.7f) {
            weight = 1.5f;
        } else {
            weight = 0.8f;
        }

        weighted_sum += luma * weight * (float)stats->hist[i];
        weight_sum += (uint32_t)(weight * (float)stats->hist[i]);
    }

    if (weight_sum == 0) return 0.0f;
    return weighted_sum / (float)weight_sum;
}

ae_result_t ae_calc_exposure(const ae_stats_t *stats, float target_luma) {
    ae_result_t result = {0};
    if (stats == NULL || stats->total_pixels == 0) {
        return result;
    }

    // 1. 计算当前加权亮度
    float current_luma = ae_calc_weighted_luma(stats);

    // 2. 计算总增益需求（线性关系）
    float total_gain = target_luma / (current_luma + 0.001f);
    if (total_gain < 0.1f) total_gain = 0.1f;
    if (total_gain > 100.0f) total_gain = 100.0f;

    // 3. 曝光时间优先（先调时间，再调增益）
    float exposure_time = 10000.0f;  // 默认10ms
    float analog_gain = 1.0f;
    float digital_gain = 1.0f;

    // 3.1 先尝试只调曝光时间
    float time_candidate = exposure_time * total_gain;
    if (time_candidate <= AE_MAX_EXPOSURE_TIME_US) {
        exposure_time = time_candidate;
    } else {
        // 曝光时间到上限，剩余增益分配给模拟增益
        exposure_time = AE_MAX_EXPOSURE_TIME_US;
        float remaining_gain = total_gain * 10000.0f / AE_MAX_EXPOSURE_TIME_US;

        // 3.2 模拟增益优先
        if (remaining_gain <= AE_MAX_ANALOG_GAIN) {
            analog_gain = remaining_gain;
        } else {
            analog_gain = AE_MAX_ANALOG_GAIN;
            // 3.3 最后剩余给数字增益
            digital_gain = remaining_gain / AE_MAX_ANALOG_GAIN;
            if (digital_gain > AE_MAX_DIGITAL_GAIN) {
                digital_gain = AE_MAX_DIGITAL_GAIN;
            }
        }
    }

    // 4. 边界裁剪
    if (exposure_time < AE_MIN_EXPOSURE_TIME_US) exposure_time = AE_MIN_EXPOSURE_TIME_US;
    if (exposure_time > AE_MAX_EXPOSURE_TIME_US) exposure_time = AE_MAX_EXPOSURE_TIME_US;
    if (analog_gain < AE_MIN_ANALOG_GAIN) analog_gain = AE_MIN_ANALOG_GAIN;
    if (analog_gain > AE_MAX_ANALOG_GAIN) analog_gain = AE_MAX_ANALOG_GAIN;
    if (digital_gain < AE_MIN_DIGITAL_GAIN) digital_gain = AE_MIN_DIGITAL_GAIN;
    if (digital_gain > AE_MAX_DIGITAL_GAIN) digital_gain = AE_MAX_DIGITAL_GAIN;

    result.exposure_time_us = exposure_time;
    result.analog_gain = analog_gain;
    result.digital_gain = digital_gain;

    return result;
}

// 测试入口 test_ae.c
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include "ae_exposure_calc.h"

int main() {
    // 构造测试统计：模拟中等亮度场景（平均亮度约0.5）
    ae_stats_t stats;
    memset(&stats, 0, sizeof(stats));
    stats.total_pixels = 1920 * 1080;

    // 在灰度128附近集中分布
    for (int i = 100; i < 156; i++) {
        stats.hist[i] = stats.total_pixels / 56;
    }

    float target_luma = 0.5f;  // 目标亮度50%

    ae_result_t result = ae_calc_exposure(&stats, target_luma);

    printf("当前加权亮度: %.3f\n", ae_calc_weighted_luma(&stats));
    printf("曝光时间: %.2f us\n", result.exposure_time_us);
    printf("模拟增益: %.2f\n", result.analog_gain);
    printf("数字增益: %.2f\n", result.digital_gain);

    // 验证：计算等效亮度
    float effective_luma = 0.5f * (result.exposure_time_us / 10000.0f) *
                           result.analog_gain * result.digital_gain;
    printf("等效输出亮度: %.3f (目标0.5)\n", effective_luma);

    return 0;
}

编译与运行

gcc -o test_ae test_ae.c ae_exposure_calc.c -lm
./test_ae

验证方法

程序输出中“等效输出亮度”应接近目标亮度0.5（误差<5%）。当前构造的直方图中心在灰度128（归一化0.502），默认曝光10ms、增益1.0时亮度已接近目标，因此输出曝光时间应接近10000us，模拟/数字增益接近1.0。若将直方图整体左移（如集中在灰度64附近），曝光时间应相应增大以补偿亮度不足。

算法说明

本实现采用“曝光时间→模拟增益→数字增益”的优先级策略：先通过拉长曝光时间提升亮度，达到上限后再依次增加模拟增益和数字增益。加权亮度计算给予中间调更高权重，避免高光或阴影区域主导曝光决策。该策略符合ISP AE模块的典型控制逻辑，可直接接入高通Spectra平台的传感器驱动层。