📚 课程目录第3章 AE算法架构

3. AE算法架构：从统计信息到曝光控制

AE算法，说白了就是一套「看天吃饭」的决策系统。摄像头看到什么场景，算法就根据场景亮度、目标亮度、用户偏好，算出一组曝光参数——快门、增益、光圈。我做了这么多年AE，最大的感受是：架构搭不好，后面调参全是补窟窿。

这一章，我们就把AE Pipeline从头到尾拆一遍。你跟着我走一遍流程，就知道每一块在干什么、为什么这么干。

3.1 AE Pipeline整体流程

先看整体。AE Pipeline通常跑在ISP的帧同步信号里，每来一帧，就跑一轮。我习惯把它分成5个阶段：

统计信息采集 —— 从RAW图里捞亮度数据
亮度计算 —— 把统计值换算成场景亮度
曝光策略 —— 根据场景类型选目标亮度和收敛方向
增益与快门控制 —— 算出具体的曝光参数
参数下发 —— 写入sensor寄存器，等下一帧生效

下面这张图，就是AE Pipeline的完整数据流。我建议你把它存下来，后面每一节都会对应到图上的某个模块。

3.2 统计信息采集

统计信息是AE的「眼睛」。眼睛瞎了，后面算得再准也没用。

采集通常在ISP的RAW域做，也就是在去马赛克、白平衡之前。为什么？因为RAW数据最原始，没被任何处理「污染」过。我见过有人拿YUV域的亮度做AE，结果白平衡一变，亮度也跟着跳，收敛抖得不行。

常用的统计信息包括：

统计项	含义	典型用途
亮度直方图	256 bins，统计每个亮度级的像素数	判断过曝/欠曝、场景动态范围
分区平均亮度	将画面分成M×N块，每块算平均亮度	权重计算、背光检测
最大/最小亮度	全图最亮和最暗的像素值	防饱和、防黑切
亮度统计矩	均值、方差、偏度	场景分类（顺光/逆光/夜景）

我的习惯：分区数不要太多。16×12就够用了。分区太多，统计噪声大，反而影响收敛稳定性。我曾经试过32×24，结果每帧都在抖，最后发现是分区太小，每个区只有几十个像素，统计值方差太大。

3.3 亮度计算

有了统计信息，下一步就是算场景亮度。这里有个坑：统计值通常是0-1023的RAW域值，不是物理亮度。你需要一个映射关系。

我常用的亮度计算公式：

// 加权平均亮度
float calcSceneLuminance(uint16_t *hist, int bins, float *weights) {
    float total = 0.0f;
    float sum = 0.0f;
    for (int i = 0; i < bins; i++) {
        sum += hist[i] * i * weights[i];
        total += hist[i];
    }
    return (total > 0) ? (sum / total) : 0.0f;
}

权重怎么设？这取决于你的目标。如果希望人脸亮，就把人脸区域的权重设高。如果希望整体均匀，就用平均权重。

注意：权重不能突变。我曾经在背光场景下，权重从0.5跳到2.0，结果亮度直接过曝了两帧才拉回来。权重变化要平滑，最好做一阶低通滤波。

3.4 曝光策略

曝光策略是AE的「大脑」。它决定了两件事：

目标亮度 —— 当前场景应该多亮
收敛方向 —— 应该增亮还是减暗

策略通常分几种：

策略类型	适用场景	目标亮度设定
全局平均策略	均匀光照、风景	固定值（如18%灰）
人脸优先策略	人像、自拍	人脸区域亮度优先
背光补偿策略	逆光、窗边	主体亮度提升，背景可过曝
夜景策略	低照度	降低目标亮度，允许更多噪声

策略切换要小心。我遇到过一个问题：从室内走到室外，策略从「夜景」切到「全局平均」，目标亮度突然跳了30%，画面闪了一下。后来加了策略切换的渐变过渡，才解决。

3.5 增益与快门控制

这是AE的「手脚」。策略决定了「要多少亮度」，增益和快门负责「怎么达到这个亮度」。

控制逻辑的核心公式：

// 曝光参数计算
float targetLuminance = 120.0f;  // 目标亮度
float currentLuminance = 80.0f;  // 当前亮度
float exposureRatio = targetLuminance / currentLuminance;  // 1.5

// 先调快门（优先保证帧率）
float newShutter = currentShutter * exposureRatio;
if (newShutter > maxShutter) {
    newShutter = maxShutter;
    // 剩余部分用增益补
    float remainingRatio = exposureRatio / (newShutter / currentShutter);
    float newGain = currentGain * remainingRatio;
}

为什么先调快门？因为快门影响运动模糊和帧率，增益影响噪声。我的优先级是：

先调快门 —— 在帧率允许范围内优先用快门
再调增益 —— 快门到上限后，用增益补
最后调光圈 —— 如果有光圈，最后动它

  避坑指南：我曾经在低照度场景下，快门直接拉到1/30s，增益也推到6x，结果画面虽然亮了，但运动物体拖影严重，噪声也大。后来加了「快门-增益联合优化」：先评估场景是否有运动，如果有，快门不能低于1/60s，增益可以适当提高。

3.6 参数下发与帧同步

参数算好了，怎么给sensor？这里有个时序问题。

Sensor通常通过I2C/SPI写寄存器。写寄存器不是立即生效的，要等下一个VSYNC信号。所以：

第N帧采集统计信息
第N帧的VBLANK期间计算曝光参数
第N+1帧开始时写入sensor
第N+2帧才用新参数曝光

也就是说，从采集到生效，至少延迟2帧。如果帧率是30fps，就是66ms的延迟。这个延迟在快速变化场景下会出问题。

我的做法：加一个「预测补偿」。根据最近几帧的亮度变化趋势，预测下一帧的亮度，提前调整参数。虽然不能完全消除延迟，但能把过冲减少一半以上。

3.7 小结

AE Pipeline说复杂也复杂，说简单也简单。核心就是：

统计信息采集 —— 把RAW图变成数字
亮度计算 —— 把数字变成场景亮度
曝光策略 —— 决定要多少亮度
增益与快门控制 —— 决定怎么达到这个亮度
参数下发 —— 让sensor执行