3. 自动曝光收敛质量评估
明暗突变下的曝光闭环测试设计
自动曝光（AE）是一个闭环控制系统：图像亮度统计量作为反馈量，曝光时间与增益作为执行量，目标亮度作为设定值。评估其质量，需要在明暗突变条件下观察三个核心指标：收敛速度（进入目标误差带所需帧数）、超调量（首次越过目标的最大偏差比例）、稳态误差（收敛后亮度均值与目标值的持续偏差）。
测试场景设计为：相机固定，先对准高亮场景（如白墙+补光）稳定若干帧，然后快速切换到暗场景（遮挡光源或转向暗角），连续采集 N 帧，每帧记录曝光时间 exp_us、模拟增益 again、数字增益 dgain 以及图像亮度均值 Y_mean。目标亮度设为 Y_target = 128（8bit 灰度），误差带取 ±5%。
采集数据结构（每帧一行，CSV 便于后续分析）：
其中
frame, exp_us, again, dgain, Y_mean其中
Y_mean 由图像中心 70% 区域计算，避免边缘暗角干扰统计。
关键指标的计算口径
- 收敛帧数 N_conv：从突变帧起，首次满足 |Y_mean − Y_target| / Y_target ≤ 5% 且其后连续 3 帧保持在该带内的帧序号。
- 超调量 Overshoot：突变后 Y_mean 首次穿越 Y_target 时的最大偏离，Overshoot = (Y_peak − Y_target) / Y_target × 100%（暗→亮方向取正，亮→暗方向取负）。
- 稳态误差 SSE：收敛后最后 10 帧的 Y_mean 均值与 Y_target 的相对偏差。
- 曝光单调性：检查 exp_us 是否随亮度误差方向单调调整，若出现反复震荡则说明增益/时间分配策略不稳定。
曝光参数与亮度响应关系
曝光量由时间与增益共同决定，实际到达传感器的光通量近似为 E ∝ exp_us × again × dgain。当场景照度骤降时，若仅靠曝光时间补偿，受限于最大曝光时间（如 33ms）会先饱和，此时必须提升增益。因此分析时要区分“时间主导阶段”和“增益主导阶段”，否则会把增益噪声误判为算法震荡。
判读逻辑与通过条件
将采集数据按上述口径计算后，按以下条件判断 AE 算法是否满足闭环质量要求：
| 指标 | 合格阈值（示例） | 不合格时的典型原因 |
|---|---|---|
| 收敛帧数 N_conv | ≤ 15 帧 | 步长过小、增益爬升受限、统计区域受噪声干扰 |
| 超调量 |Overshoot| | ≤ 20% | 步长过大、时间与增益切换点设置不当 |
| 稳态误差 |SSE| | ≤ 3% | 目标亮度与统计口径不匹配、存在固定偏置 |
| 曝光单调性 | 无反复震荡 | 增益噪声导致亮度统计抖动，或死区设置过小 |
若收敛帧数合格但超调量偏大，优先检查曝光时间与增益的分配策略：在时间未饱和前应只调时间，避免增益过早介入引入噪声；若稳态误差偏大，检查亮度统计区域是否包含过亮或过暗的固定区域，导致均值被拉偏。
注意区分“算法震荡”与“场景噪声”：暗场景下增益提升会放大传感器噪声，使 Y_mean 在稳态附近波动。判断震荡时应观察曝光参数是否同步反复调整，若曝光参数稳定而仅亮度波动，则属于噪声而非算法问题。