3. 自动曝光（AE）原理：从18%灰卡到曝光三角
自动曝光，说白了就是让相机自己决定「进多少光」。我刚开始做ISP时，觉得AE不就是调调亮度嘛，后来才发现——这里面的坑，一个比一个深。
这一章，我们先把AE的根基打牢。18%灰卡、测光模式、曝光三角，这三个东西搞不明白，后面调AE算法就是瞎蒙。
3.1 18%灰卡：相机眼中的「标准亮度」
为什么是18%？不是50%，也不是10%？
我当年也问过这个问题。后来在实验室里对着灰卡拍了三天，才真正理解——18%灰，对应的是人眼感知的中等亮度。你想想看，一张白纸反射率接近90%，一张黑纸不到5%，而18%正好卡在中间。
相机测光系统默认：把画面平均亮度映射到18%灰。这就是AE的核心假设。
核心结论：所有自动曝光算法，本质上都在回答一个问题——「当前画面离18%灰差多少？我该怎么调参数补回来？」
举个实际例子。拍雪景时，大片白色会让相机觉得「太亮了」，于是自动压曝光。结果呢？雪变成灰色。这就是18%灰假设的副作用。我做过一个项目，用户在雪地里拍视频，画面灰蒙蒙的，最后我们加了一个场景检测模块，检测到高比例白色区域就主动补偿+1EV。
避坑指南：我曾经在调试AE时忽略了一个细节——不同传感器的线性响应区间不一样。同一个18%灰卡，在CMOS A上输出120DN，在CMOS B上可能只有90DN。AE的参考点必须针对具体传感器标定，不能直接复用。
3.2 测光模式：相机怎么看世界
测光模式决定了「相机用哪些像素来计算平均亮度」。我见过不少工程师把测光模式当成一个简单的开关选项，其实它对最终曝光的影响非常大。
| 测光模式 | 测光区域 | 权重策略 | 典型场景 |
|---|---|---|---|
| 矩阵测光 | 全画面分区 | 多区域加权平均 | 风景、日常拍照 |
| 中央重点测光 | 画面中央60-80% | 中央权重高，边缘低 | 人像、主体居中 |
| 点测光 | 中央1-5%区域 | 仅参考小区域 | 逆光、微距、舞台 |
3.2.1 矩阵测光：全盘考虑
矩阵测光把画面分成几十个区，每个区独立测光，然后根据场景识别结果分配权重。比如天空区域权重低一点，人脸区域权重高一点。
我参与过一款手机ISP的AE调试，矩阵测光用了16×12=192个分区。每个分区统计亮度直方图，然后喂给一个轻量级场景分类器。效果确实好，但计算量也大——每帧要多花0.3ms。嗯，这里要注意，嵌入式平台上每一毫秒都很宝贵。
3.2.2 中央重点测光：老派但可靠
中央重点测光假设「主体在画面中央」。这个假设在大多数情况下成立，所以它比矩阵测光简单，也比点测光稳定。
我个人习惯在调试初期先用中央重点测光。为什么？因为它的行为可预测。矩阵测光有时候会「聪明反被聪明误」，场景识别错了，曝光就偏了。中央重点测光至少不会突然抽风。
3.2.3 点测光：精准但危险
点测光只参考画面中心一个小圆点区域。你用点测光对准人脸，人脸曝光就准；对准背景，背景曝光就准。但如果你对准了高光或阴影——画面就废了。
警告：点测光在自动模式下非常容易翻车。我曾经在调试一个安防摄像头时，点测光对准了墙上的黑插座，结果整个画面过曝到飞起。后来我们加了一个保护逻辑：点测光模式下，如果测光值与全局平均偏差超过3档，自动回退到中央重点。
3.3 曝光三角：光圈、快门、ISO
曝光三角是AE的「执行层」。测光算出了目标亮度，曝光三角负责实现它。这三个参数互相制约，调整一个，另外两个就得跟着变。
3.3.1 光圈：进光量的阀门
光圈用F值表示。F值越小，光圈越大，进光越多。F1.8比F2.8进光量多一倍（一档）。
但光圈不只是控制亮度。它还影响景深——大光圈背景虚化，小光圈全景清晰。AE算法在做决策时，必须考虑用户意图。如果用户选了人像模式，AE应该优先开大光圈；如果是风景模式，就收小光圈。
关键参数：光圈每差一档（√2倍），进光量差一倍。F1.4 → F2.0 → F2.8 → F4.0，每步减半。
3.3.2 快门：曝光时间的长短
快门速度决定了传感器收集光线的时间。1/100秒比1/200秒进光量多一倍。
快门有两个限制：
- 手抖模糊：安全快门一般是1/焦距。50mm镜头至少1/50秒。
- 运动模糊：拍跑步的人，快门至少1/500秒。
我记得有一次调试运动相机的AE，用户反馈画面总是模糊。查了半天，发现AE算法为了压低ISO，把快门降到了1/30秒。跑步的人当然糊了。后来我们加了一个运动检测模块，检测到运动就强制快门不低于1/250秒。
3.3.3 ISO：感光度的代价
ISO是传感器对光信号的放大倍数。ISO 100画质最好，ISO 3200噪点满天飞。
AE算法的核心权衡就在这里：用ISO换快门，还是用快门换ISO？
| 策略 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 优先低ISO | 画质好，噪点少 | 快门慢，容易糊 | 三脚架、静物 |
| 优先高快门 | 抓拍清晰 | ISO高，噪点多 | 运动、儿童 |
| 均衡策略 | 两者兼顾 | 都不极致 | 日常拍照 |
我的经验：在手机ISP上，我通常把ISO上限设为1600。超过1600的噪点，后处理降噪也救不回来。宁可让画面暗一点，也别让噪点炸掉。用户对「暗」的容忍度，远高于对「脏」的容忍度。
3.4 曝光三角的联动决策
AE算法的核心逻辑可以简化为三步：
- 测光：计算当前画面亮度，与目标亮度（18%灰）比较，得到亮度偏差ΔEV。
- 策略选择：根据场景模式（人像/风景/运动）决定优先调整哪个参数。
- 参数映射：把ΔEV分配到光圈、快门、ISO上。
举个实际例子。假设当前画面暗了2档（ΔEV = -2）：
- 人像模式：开大光圈（F2.8→F1.4，+2档），快门和ISO不变。
- 运动模式：降低快门（1/500→1/125，+2档），光圈和ISO不变。
- 夜景模式：提高ISO（400→1600，+2档），光圈和快门不变。
注意：实际AE算法不会一步到位。它会分多步逼近目标，每帧调整0.3-0.5档，避免画面亮度突变。这个「平滑过渡」的节奏，我调了整整两个月才找到手感。
3.5 本章小结
自动曝光的根基就三件事：
- 18%灰卡是相机的亮度参考基准，所有测光都围绕它转。
- 测光模式决定了「看哪里、怎么加权」，选错了模式，曝光就偏了。
- 曝光三角是执行层，光圈、快门、ISO互相牵制，AE算法就是在三者之间找平衡。