1. 自动曝光
我们所看到的物体，其实是这个物体上反射出来的光并进入我们眼睛并在我们眼中成像。同理，相机要拍出照片，也需要接收这个反射光。相比下人眼是可以通过瞳孔自动调节进光量的，而相机需要依赖我们专门的模块去控制相机进光量，通过对拍摄画面环境光的测量，调整相机参数使得画面正确曝光，进而采集的图像亮度合适，避免过曝或过暗。
AE(Auto Exposure)即自动曝光，自动曝光的是为了使感光器件获得合适的曝光量，曝光量是指光线强度乘以光线到达sensor所作用的时间，曝光量以E表示，单位勒克斯(Lux)。
曝光强度的控制要素可以简化理解为如下：
曝光强度 = 曝光时间 * 光圈大小 * ISO感光度
其中，ISO包含了sensor的增益(模拟增益和数字增益)和数字ISP数字增益，数字增益的调节容易引入量化噪声。
相机AE过程是可以看作一个伺服系统，主要调控对象一般是光圈、sensor积分时间、sensor增益、ISP数字增益这四个参数。下图简单示意了相机自动曝光过程，本质上就是一基于负反馈的闭环控制系统，如下图所示，
图1
自动曝光流程：
- 首先通过测光，统计当前画面亮度。常用测光方法有：平均测光、中央点测光、多点测光、局部测光、分区式测光、ROI等。
- 根据统计到的亮度计算是否落在目标值范围，如果超出，触发AE算法根据差异采取光圈/快门/增益优先之一的策略，对上面提到三要素按照查表的步长对相机进行迭代控制。
- 待调控后继续统计新的图像亮度，继续重复开始步骤，直到收敛到目标区间内。
图2
sensor的曝光时间和增益通常是非连续的，依赖从sensor 寄存器中直接读取，因此，很可能调控输出的值与AE算法输出的目标参数并不相同。如下图，是曝光时间优先策略，按照步长进行调节收敛，
图3
同时当计算出正确参数后，一般并不会让其立刻在下一帧图像就生效。这是因为如果增益变化较大，图像就会产生闪烁。通常人们更喜欢画面平滑过渡，因此每帧图像的增益变化不宜过大。需要通过平滑方法，使其缓慢地向新参数过渡。用数学公式描述就是：
其中，代表当前的亮度，
为上一次亮度，target为目标亮度，s为调节率。
2. Camera2自动曝光
2.1 Camera2 AE测光CaptureRequest请求
(1) AE支持的模式
CONTROL_AE_MODE用于设置自动测光模式。
| CONTROL_AE_MODE | 说明 |
|---|---|
| CONTROL_AE_MODE_OFF | 手动曝光,通过CaptureRequest.SENSOR_EXPOSURE_TIME, CaptureRequest.SENSOR_SENSITIVITY, CaptureRequest.SENSOR_FRAME_DURATION控制曝光 |
| CONTROL_AE_MODE_ON | 自动曝光模式,手动参数会被覆盖 |
| CONTROL_AE_MODE_ON_AUTO_FLASH | 自动曝光模式,暗环境下会控制闪光灯打闪 |
| CONTROL_AE_MODE_ON_ALWAYS_FLASH | 自动曝光模式,闪光灯常开 |
| CONTROL_AE_MODE_ON_AUTO_FLASH_REDEYE | 自动曝光模式,消除红眼 |
| CCONTROL_AE_MODE_ON_EXTERNAL_FLASHF | 通知Camera外部闪光灯已经打开 |
(2) Camera2采集前测光
CONTROL_AE_PRECAPTURE_TRIGGER用于拍照前触发一次测光行为。
| CONTROL_AE_STATE | 说明 |
|---|---|
| CONTROL_AE_PRECAPTURE_TRIGGER_IDLE | 没有触发AE preCapture |
| CONTROL_AE_PRECAPTURE_TRIGGER_START | 触发AE preCapture测光操作 |
| CONTROL_AE_PRECAPTURE_TRIGGER_CANCEL | 取消AE preCapture测光，回到AE初始状态 |
(3) Camera2曝光补偿
CONTROL_AE_EXPOSURE_COMPENSATION设置曝光补偿调节图像亮度。
- 补偿值依赖：
- CameraCharacteristics.CONTROL_AE_COMPENSATION_RANGE
- CameraCharacteristics.CONTROL_AE_COMPENSATION_STEP
其中Range为空时表示不支持。
- 曝光值(Ev)范围：
。
- 只有在android.control.aeMode != OFF时才生效。
- 修改曝光补偿后，AE算法可能需要重新收敛，多帧后才能完成曝光补偿动作
(4) Camera2曝光锁定
CONTROL_AE_LOCK用于标识是否将AE参数锁定在参数上。
- 需要读取CameraCharacteristics.CONTROL_AE_LOCK_AVAILABLE判断是否支持。
- 该动作不能锁住曝光补偿CaptureRequest.CONTROL_AE_EXPOSURE_COMPENSATION。
- 该动作不能锁住Flash。
- AE Lock后，AE preCapture trigger START/CANCEL是没有效果的。
(5) Camera2自动测光区域
CONTROL_AE_REGIONS用于标识自动曝光一串区域列表。
- android.control.maxRegionsAe为0代表不支持。
- 测光区域有权重参数，权重必须在[0，1000]以内，而且代表的是这个区域中每个像素的权重。
更大权重的mertring area比较小的区域有更多影响。 - android.scaler.cropRegion区域外的设置会无效。
- 当预览画面与cropRegion比例不一致时，AE regions需要按照裁剪后的区域重新计算。
- 从API 30开始activeArraySize坐标系代表zoom缩放后的区域，而不是缩放前原始的区域，意味着相同的AE regions在不同缩放比例下代表不同大小的区域。
(6) Camera2手动测光灵敏度
SENSOR_SENSITIVITY用于标识ISO/灵敏度。
- 通过CameraCharacteristics.SENSOR_INFO_SENSITIVITY_RANGE 进行范围查询。
- 只有在CaptureRequest.CONTROL_AE_MODE 或者 CaptureRequest.CONTROL_MODE为OFF时才有效。
(7) Camera2手动测光时长
SENSOR_EXPOSURE_TIME用于标识快门/曝光时间。
- 通过 CameraCharacteristics.SENSOR_INFO_EXPOSURE_TIME_RANGE查询范围。
- 只有在CaptureRequest.CONTROL_AE_MODE 或者 CaptureRequest.CONTROL_MODE为OFF时才有效。
2.2 Camera2 AE状态
| CONTROL_AE_STATE | 说明 |
|---|---|
| CONTROL_AE_STATE_INACTIVE | AE算法未激活状态，每次切换AE模式/CONTROL_MODE/CONTROL_SCENE_MODE时，AE状态都会重置到CONTROL_AE_STATE_INACTIVE，CaptureResult中不一定能看到这种状态 |
| CONTROL_AE_STATE_SEARCHING | AE算法正在调整曝光参数收敛过程中，CaptureResult中不一定能看到这种状态 |
| CONTROL_AE_STATE_CONVERGED | AE算法收敛完成 |
| CONTROL_AE_STATE_LOCKED | 当前的AE参数被锁住了，由CONTROL_AE_LOCK来控制的 |
| CONTROL_AE_STATE_FLASH_REQUIRED | AE算法已收敛，拍照时最好打开闪光灯以获得更好的图像亮度 |
| CONTROL_AE_STATE_PRECAPTURE | AE算法进入precapture状态，可以将CONTROL_AE_PRECAPTURE_TRIGGER设置为START来触发 |
参考文献：
[1]3A+ISP之AE篇
[2]Understanding Auto Exposure Control
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