AE基础原理：曝光三要素与亮度统计
自动曝光（AE）是Camera系统中最核心的控制环路之一。它的本质是：在给定的场景光照下，通过调节光圈、快门、增益三个物理量，使传感器接收到的光能量恰好落在目标亮度范围内。本章从曝光三要素出发，逐步拆解曝光量计算、亮度统计直方图以及目标亮度设定的完整链路。
2.1 曝光三要素：光圈、快门、增益
曝光三要素共同决定了传感器每个像素最终积累的电荷量。三者的物理含义与调节效果如下表所示：
| 要素 | 符号/单位 | 物理含义 | 对亮度的影响 | 副作用 |
|---|---|---|---|---|
| 光圈 (Aperture) | F-number (F/#) | 镜头通光孔径与焦距的比值 | F值越小，进光量越大 | 景深变浅，边缘解析力下降 |
| 快门 (Shutter) | 曝光时间 T (s) | 传感器累积光电荷的时间窗口 | 时间越长，进光量越大 | 运动模糊，手持抖动 |
| 增益 (Gain) | 模拟/数字增益 (dB) | 对已累积电荷进行电信号放大 | 增益越高，输出越亮 | 噪声被同步放大，信噪比下降 |
高通平台调试要点： 在移动端Camera中，光圈通常是固定的（F/1.8 ~ F/2.4），因此AE调节主要依赖快门和增益。高通ISP的AE算法会优先调节快门，当快门达到手抖安全阈值（通常为1/30s）后，再开始提升增益。
三要素的调节优先级直接影响图像质量。典型的AE策略优先级如下：
- 第一步：调节快门 —— 从最短曝光时间开始，逐步增加，直到达到运动模糊容忍上限。
- 第二步：调节增益 —— 快门达到上限后，提升模拟增益，再提升数字增益。
- 第三步：调节光圈（若可变） —— 仅在极端低照或需要特定景深时介入。
2.2 曝光量计算与EV模型
曝光量（Exposure Value, EV）是衡量传感器接收光能量的综合指标。其计算公式为：
EV = log₂( (F#²) / T )其中：
- F# —— 光圈F数
- T —— 曝光时间（秒）
实际传感器输出的亮度值还需乘以增益系数：
Digital_Value = (Scene_Luminance × T × QE) / (F#²) × Gain其中：
- Scene_Luminance —— 场景照度（lux）
- QE —— 量子效率（传感器光电转换效率）
- Gain —— 总增益（模拟+数字）
工程经验： 在高通CamX架构中，AE算法通过
ExposureTime、AnalogGain、DigitalGain三个参数组合，将曝光量映射到16-bit线性RAW域。调试时需关注AEC_EXPOSURE_TIME和AEC_ANALOG_GAIN两个关键tag。
2.3 亮度统计直方图
AE算法无法直接感知场景照度，它依赖亮度统计直方图来间接估计。高通ISP会从RAW域或YUV域提取每个像素的亮度值，并统计成256 bins的直方图：
Histogram[bin] = count of pixels with luminance in [bin*4, (bin+1)*4)直方图提供了三个关键信息：
- 均值 (Mean) —— 整体亮度水平，用于粗调曝光。
- 峰值 (Peak) —— 场景主亮度区域，用于锁定目标。
- 暗部/亮部占比 —— 判断是否存在过曝或欠曝区域。
常见陷阱： 直方图均值不能单独作为AE反馈。例如：大面积暗背景+小面积亮主体，均值可能偏低，导致主体过曝。高通AE引入了区域权重统计，将画面划分为5×5或15×15网格，每个网格赋予不同权重，优先保证人脸或中心区域曝光准确。
2.4 目标亮度设定
目标亮度（Target Luminance）是AE控制环的参考点。高通平台通常将目标亮度定义在Y通道的8-bit域（0~255），典型值如下：
| 场景类型 | 目标亮度 (Y avg) | 说明 |
|---|---|---|
| 普通预览 | 110 ~ 130 | 保证画面明亮自然，保留高光细节 |
| 人脸优先 | 140 ~ 160 | 人脸区域提亮，肤色更通透 |
| 夜景模式 | 80 ~ 100 | 压低亮度抑制噪声，保留暗部层次 |
| HDR模式 | 100 ~ 120 | 平衡高光和阴影，避免过曝 |
目标亮度并非固定值，而是通过场景检测动态切换。高通AE框架中，目标亮度由以下参数控制：
// CamX AE Target Luminance 配置示例
AEC_TARGET_LUMINANCE = 120 // 基础目标亮度
AEC_TARGET_LUMINANCE_FACE = 150 // 人脸检测时覆盖
AEC_TARGET_LUMINANCE_LOW_LIGHT = 90 // 低照度场景覆盖
调试建议： 在QACT工具中，通过修改
AEC_TARGET_LUMINANCE可以快速调整整体曝光倾向。但需注意：目标亮度提高1个step（约10个Y值），增益会提升约1.5dB，噪声随之增加。建议在暗光场景下适当降低目标亮度，以换取更干净的画质。
2.5 本章小结
- 曝光三要素：光圈、快门、增益，三者协同决定传感器曝光量。移动端以快门和增益为主要调节手段。
- 曝光量计算：EV = log₂(F#²/T)，实际RAW值需考虑场景照度、量子效率和增益。
- 亮度统计直方图：AE的“眼睛”，通过256 bins统计画面亮度分布，结合区域权重实现精准曝光。
- 目标亮度设定：根据场景动态切换，普通预览120、人脸150、夜景90，是AE调试的核心参数。