第三章 AE核心算法：统计信息提取与曝光决策

AE（自动曝光）说难不难，说简单也不简单。很多工程师把AE理解成「调亮度」，其实远不止这些。我个人习惯把AE拆成三个环节：看数据 → 定策略 → 算参数。这一章我们先聊「看数据」和「定策略」这两块。

3.1 统计信息提取：AE的眼睛

AE算法要干活，首先得知道当前画面长什么样。统计信息就是AE的「眼睛」。没有准确的统计，后面再牛的算法也是瞎蒙。

3.1.1 亮度直方图

亮度直方图是最基础的统计工具。它统计了画面中每个亮度级别的像素数量。横轴是亮度（0~255，8bit），纵轴是像素个数。

举个例子。一个平均亮度为128的画面，可能是均匀的中灰，也可能是半黑半白。平均亮度一样，但直方图形状完全不同。AE需要根据形状做不同的处理。

我在项目中遇到过一个问题：用平均亮度做AE，逆光场景下人脸总是过暗。后来换成直方图统计，把低亮度的「权重」提上来，问题就解决了。

3.1.2 分区统计

整帧直方图还不够。为什么？因为画面不同区域的重要性不一样。人脸区域、画面中心区域，显然比角落的天空更重要。

分区统计就是把画面切成M×N个格子，每个格子独立统计亮度信息。常见的分区分法有：

分区方案	格子数	适用场景
3×3	9	简单场景，计算量小
5×5	25	通用场景，平衡精度与算力
7×7	49	复杂场景，人脸检测辅助
15×15	225	高精度场景，需要硬件加速

我个人建议：移动端用5×5就够了。再细的格子，收益不大，反而增加带宽压力。

3.2 曝光权重图设计

有了分区统计，接下来要回答一个问题：哪个区域更重要？

曝光权重图就是干这个的。它给每个分区分配一个权重系数，权重高的区域对最终曝光决策影响更大。

3.2.1 权重图的设计原则

• 中心优先：画面中心区域权重高，因为主体通常在那里。
• 人脸优先：检测到人脸的区域，权重应该显著提高。
• 过曝/欠曝惩罚：已经过曝或欠曝的区域，权重可以降低，避免「死区」干扰决策。
• 运动区域降权：运动物体可能导致统计不稳定，适当降低权重。

3.2.2 权重图生成流程

权重图通常是动态生成的。每次帧处理时，根据当前场景信息重新计算。流程如下：

1. 基础权重：以中心为原点，生成高斯分布权重。
2. 人脸叠加：检测到人脸，在人脸区域叠加高权重。
3. 亮度修正：过曝/欠曝区域权重乘以衰减系数（比如0.3）。
4. 归一化：所有权重加起来等于1，保证总权重不变。

3.3 曝光时间与增益分配策略

统计信息有了，权重图也有了。接下来就是算具体的曝光参数：曝光时间（T）和增益（Gain）。

这里有个关键问题：同样的亮度，可以用长曝光+低增益，也可以用短曝光+高增益。怎么选？

3.3.1 曝光三角关系

曝光量 = 场景亮度 × 曝光时间 × 增益。但增益会引入噪声。所以分配策略的核心是：在满足帧率要求的前提下，尽量用曝光时间，少用增益。

策略	曝光时间	增益	效果
低光照优先	尽量长	尽量低	噪声最小，但可能卡顿
帧率优先	固定短	动态调整	流畅，但噪声大
平衡模式	动态调整	动态调整	折中方案

3.3.2 增益分配的具体算法

假设目标亮度为L_target，当前统计亮度为L_curr。需要调整的倍率R = L_target / L_curr。

分配逻辑：

// 伪代码：曝光时间与增益分配
float R = targetLuminance / currentLuminance;

// 先尝试调整曝光时间
float newExposureTime = currentExposureTime * R;

if (newExposureTime <= maxExposureTime) {
    // 曝光时间够用，增益不变
    exposureTime = newExposureTime;
    gain = currentGain;
} else {
    // 曝光时间到上限了，剩下的用增益补
    exposureTime = maxExposureTime;
    float remainingR = R / (maxExposureTime / currentExposureTime);
    gain = currentGain * remainingR;
    
    // 增益不能超过上限
    if (gain > maxGain) {
        gain = maxGain;
        // 此时亮度可能达不到目标，接受吧
    }
}

3.4 核心流程总览

把上面这些串起来，AE的核心流程就是：

3.5 避坑指南

做AE落地，有几个坑我踩过，分享给你：

• 统计滞后：统计信息来自上一帧，但曝光参数影响的是下一帧。场景变化快的时候，会有滞后。我建议加一个预测滤波器，根据历史趋势预估当前亮度。
• 闪烁问题：在50Hz/60Hz灯光下，曝光时间设置不当会导致画面闪烁。解决办法是曝光时间锁定为光源周期的整数倍（比如10ms或8.33ms）。
• 增益突变：增益不要跳变太大。我曾经一次调了2倍增益，画面亮度突然变化，用户反馈「闪了一下」。后来加了平滑过渡，每次增益变化不超过20%。
• 过曝保护：高光区域一旦过曝，信息就永久丢失了。AE应该预留一点余量，不要追求「刚好最亮」。我一般把目标亮度设在最大亮度的85%~90%。