自动曝光（AE）基础：曝光三角与核心机制
自动曝光，说白了就是让摄像头自己决定「多亮才算合适」。我刚开始做ISP时，觉得AE不就是调调亮度嘛，后来被各种场景教做人——逆光、纯黑、闪烁光源……嗯，今天咱们先把AE的底子打牢。
曝光三角：ISO / Shutter / Aperture
这三兄弟共同决定进光量。你想想看，就像用水桶接水：
- Shutter（快门）——接水的时间。时间越长，水越多，但手抖容易洒。
- Aperture（光圈）——水龙头开多大。开得大，水流猛，但景深变浅。
- ISO（增益）——往水里加浓缩剂。信号放大，但噪声也跟着放大。
我在项目中遇到过一款手机摄像头，光圈固定F1.8，那就只能调快门和ISO。暗光下快门一慢，画面就糊。后来我强制限制快门上限1/30s，剩下的靠ISO扛——虽然噪点多，但至少不糊。
| 参数 | 物理含义 | 对图像的影响 | 调试时注意 |
|---|---|---|---|
| Shutter | 传感器曝光时间 | 亮度↑，运动模糊↑ | 避免低于安全快门 |
| Aperture | 镜头通光孔径 | 亮度↑，景深↓ | 手机多为固定光圈 |
| ISO | 模拟/数字增益 | 亮度↑，噪声↑ | 高ISO会丢细节 |
AE目标亮度与统计直方图
AE要回答一个问题：画面多亮才算「正常」？这个目标亮度通常用一个数字表示——比如Y通道均值=120（8bit）。但光看均值不够，你想想看，一张图一半黑一半白，均值也是128，但显然不是好曝光。
所以我们需要统计直方图。它把像素亮度从0到255分成256个bin，数一数每个bin里有多少像素。
核心思路：AE不是让均值等于目标，而是让直方图的「主体」落在目标区间。比如人脸场景，我们希望肤色区域集中在120~180之间。
我曾经调试一个安防摄像头，夜间画面整体偏暗，但均值已经达标了。一看直方图，原来是一盏路灯占了大量高亮像素，拉高了均值。实际场景暗得不行。后来我改用分区加权直方图，中间区域权重高，边缘权重低，才解决问题。
直方图统计的几种策略
- 全局均值：简单粗暴，但容易被极端亮度欺骗。
- 分区统计：把画面分成3x3或5x5网格，每个区域独立统计。
- 人脸加权：检测到人脸时，人脸区域权重×3。
- 亮度分布比例：统计过暗（0~30）和过亮（220~255）像素占比，避免欠曝/过曝。
AE收敛速度与稳定性
AE是一个闭环控制系统。传感器输出当前帧，ISP统计亮度，算法算出新的曝光参数，下一帧生效。这个循环跑得不好，画面就会忽明忽暗——我们叫它闪烁或振荡。
收敛速度要快，但不能太快。为什么？因为太快会导致超调——画面一下亮过头，又一下暗过头，来回震荡。我见过一个方案，收敛只用3帧，结果在日光灯下疯狂闪烁，因为每次调整都过了头。
| 指标 | 含义 | 理想值 | 调试经验 |
|---|---|---|---|
| 收敛帧数 | 从场景变化到稳定 | 5~15帧 | 场景切换快则用5帧，慢则用15帧 |
| 超调量 | 超过目标亮度的幅度 | <10% | 超调超过20%人眼就能察觉 |
| 稳态抖动 | 稳定后的亮度波动 | <3% | 抖动大说明增益或步长太大 |
常用的收敛策略
- PID控制：比例项决定响应速度，积分项消除静差，微分项抑制超调。我习惯P=0.3，I=0.05，D=0.1起步。
- 步长限制：每次调整不超过1档EV（曝光值）。比如从ISO 100跳到200可以，但直接跳到800不行。
- 死区设置：当前亮度与目标亮度偏差小于5%时，不做调整。避免微小的噪声引起反复调节。
- 帧间平滑：对计算出的目标曝光参数做IIR滤波，alpha=0.3~0.5。
AE核心流程（SVG）
下面这张图展示了AE从传感器到ISP再到控制的完整闭环。我习惯把它画在调试白板上，每次调参都对照着看。
实战中的AE调试要点
光讲理论不够，我分享几个实际调试中遇到的坑：
- 场景切换检测：不要每帧都调。我习惯用帧差法检测场景是否变化，变化超过阈值才启动AE收敛。
- 低帧率场景：如果帧率只有15fps，收敛帧数要放宽到10~20帧，否则每帧调整幅度太大。
- HDR模式下的AE：多帧合成的AE要单独处理，因为短帧和长帧的曝光参数是耦合的。
- 闪烁光源环境：50Hz/60Hz的日光灯下，快门时间要避开半周期倍数，否则画面会闪烁。
嗯，AE的基础就这些。曝光三角是物理基础，直方图是统计基础，收敛策略是控制基础。这三样搞明白了，后面再讲复杂场景（逆光、夜景、人脸）就顺了。