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GW5_AE

曝光收敛、HDR 曝光、AE target、ROI、抗频闪联动、亮度映射前置条件

wiki/modules/GW5_AE.md

页面属性

类型
平台模块
厂家
GEO Semiconductor
平台
GW5
模块
Auto Exposure / AE
场景
曝光收敛、HDR 曝光、AE target、ROI、抗频闪联动、亮度映射前置条件
适用范围
指定平台

GW5_AE

GW5 Auto Exposure（AE）模块整理，用于记录 GEO GW5 ISP 中自动曝光目标、统计模式、手动曝光、HDR 曝光比例、PID 收敛和 Phase 分阶段调试方法。

页面属性

  • 类型：平台模块
  • 厂家：GEO Semiconductor
  • 平台：GW5
  • 模块：Auto Exposure / AE
  • 场景：曝光收敛、HDR 曝光、AE target、ROI、抗频闪联动、亮度映射前置条件
  • 适用范围：指定平台

模块作用

  • AE 用于调整曝光时间与 gain，使相机系统动态范围尽量匹配场景动态范围，并让画面亮度接近设定目标。
  • GW5 中 AE 在 Phase One 通常关闭，使用手动曝光辅助其他模块标定；Phase Two 在实验室静态场景中定核心参数；Phase Three 面向真实静态 / 动态场景细调。
  • AE target 会影响 GW5_Gamma 与 GW5_LTM 的调试基准；HDR 场景中还会影响高光余量、暗部噪声和后级 tone mapping 可调空间。

关键参数

Firmware 参数

参数 作用
target AE 平均亮度目标，归一化到 0–100%；例如 128 表示把 18% 灰目标曝光到长曝光 50% 左右。
hist_source AE target 统计模式：0 multi-cam，1 linear，2 HDR（sensor gain only），3 general HDR，4 reserved。
manual_exposure_control 关闭 AE 并启用手动曝光控制。
manual_sensor_gain AE 关闭时使用的 sensor analog / digital gain。
manual_sensor_integration_lines 手动曝光时使用的 sensor integration lines。
manual_isp_gain_enable 是否启用手动 ISP digital gain。
manual_isp_gain AE 关闭时使用的 ISP digital gain。

Static calibration 参数

参数 作用
max_sensor_gain AE 允许的最大 sensor gain。
max_isp_gain AE 允许的最大 ISP digital gain。
min_sensor_gain AE 允许的最小 sensor gain；某些 sensor mode 可设为非 1.0，但必须小于最大 sensor gain。
init_sensor_gain 启动时 sensor gain 初值。
min_sensor_integration_lines AE 允许的最小 integration lines。
max_sensor_integration_lines AE 允许的最大 integration lines。
init_sensor_integration_lines 启动时 integration lines 初值。
power_line_frequency 抗频闪用电源频率，通常为 50Hz / 60Hz。
fstep_divider integration lines 的 frequency step divider。
zone_weight AE 分区权重。
nodes_vertical AE stats 垂直方向 active zones 数量。
nodes_horizontal AE stats 水平方向 active zones 数量。
long_medium_exposure_ratio HDR 中 long / medium 曝光比例手动控制。
medium_short_exposure_ratio HDR 中 medium / short 曝光比例手动控制。
short_very_short_exposure_ratio HDR 中 short / very short 曝光比例手动控制。

Dynamic calibration 参数

参数 作用
proportional_gain PID 中比例项，主要影响 AE 收敛速度。
integral_gain PID 中积分项，通常不优先调整。
derivative_gain PID 中微分项，用于改善收敛振荡。
dead_band AE 收敛误差 dead band 半宽。
dead_band_hyst 触发 AE 调整用 dead band hysteresis。
quick_converge_threshold 误差超过该阈值时加快 AE 收敛。
frame_rate_switch_enable 启用低照 frame rate switching。
frame_rate_switch_thresh_ev 触发 frame rate switching 的 EV 阈值。
frame_rate_switch_thresh_hysteresis EV 阈值滞回，避免阈值附近反复切换。

Phase One：手动曝光辅助早期模块

  • Phase One 中 AE 通常关闭，使用手动曝光让黑电平、AWB 等早期模块在合理亮度下标定。
  • 手动曝光常用参数：
    • manual_exposure_control = 1
    • manual_sensor_gain
    • manual_sensor_integration_lines
    • manual_isp_gain
  • 手动曝光不是最终亮度策略，只用于在 sensor / ISP 早期链路尚未稳定时给各模块提供可观察、可标定的输入。

Phase Two：实验室 AE 主调

前置条件

前置项 要求
GW5_Black_Offset 已调定
GW5_LSC 已调定
GW5_LTM 关闭
Initial Gamma 已设置初值
Initial target 已按客观 / 主观目标选择初值

ColorChecker 验证

  1. 使用 1500 lux 以上照明拍摄 ColorChecker，使图卡约占画面 1/3 到 1/2。
  2. 用 Imatest ColorChecker 或 Photoshop / ImageJ / GIMP 分析灰阶 patch。
  3. 若使用 Imatest，曝光误差在 -0.25 到 +0.25 f-stop 可接受，资料建议略欠曝，约 -0.1 到 0 f-stop。
  4. 若使用图像软件，逐个选取灰阶 patch ROI，用 luminance / intensity histogram 读取均值。
  5. 调整 target 后必须重新抓图并复测；降低 target 会降低曝光，提高 target 会提高曝光。

ColorChecker 灰阶目标值

Patch Ideal pixel value Min Max
19 236 226 246
20 195 185 205
21 157 147 167
22 119 109 99
23 83 73 93
24 52 42 62
  • 原文表格对 patch 22 给出 119 / 109 / 99，与“ideal ±10”的文字说明不一致；使用时应回到原 PDF 或实际标定规范复核。
  • 总体要求是测得均值落在 ideal 附近 ±10，且资料倾向轻微欠曝，但不低于 ideal -5 太多。

HDR AE target

  • HDR 系统中 ColorChecker 灰阶值可能受 LTM 影响，单独 ColorChecker 不一定足以决定 AE target。
  • 建议搭建 backlit black tunnel 或 bright background + black trap box 这类实验室 HDR 场景。
  • AE target 应让场景各部分尽量同时满足最小过曝和最小欠曝，而不是只追求平均亮度好看。

Phase Three：全场景 fine tuning

实验室场景

  • 在高照度 3000+ lux、中照度 100–3000 lux、低照度 0–100 lux 下拍摄多组图像。
  • 场景应覆盖 charts、objects、textures、colors，并继续使用 Phase Two 的 Imatest / ROI 均值方法评估。
  • 每个 lux 点如果 AE 已满足规格，不需要强行做 modulation；只对超出目标范围的场景调整。

低照 detail / noise 平衡

  • 若应用要求低照下保留更多客观细节，可额外做低 lux tuning。
  • 原文建议先把照度降到 0 lux，并限制最大 gain 得到最暗图；再升到 5 lux，调整 max gain 模拟人眼观感；重复直到 detail 与 noise 平衡满足客户偏好。
  • 某些应用可接受比人眼更亮的低照曝光以保留细节，但完成后必须回到 1500 lux 验证 AE 未受影响。

真实场景

  • 实验室调完后，需要在真实使用场景中验证，包括不同天气、光照、颜色和纹理。
  • 建议每个场景同时用参考相机拍摄，参考设备可作为最低可接受质量基线。
  • 若真实场景出现曝光差、噪声过大或主观亮度不佳，再回调前述 AE 参数。

收敛、分区与帧率

Dynamic Range vs Noise

  • 如果图像仍然偏噪，可适当提高 AE target，让动态范围向 clipping 方向移动，以换取更好的暗部信噪比。
  • 如果动态范围优先，应保留高光余量，并通过 GW5_LTM 补偿阴影亮度。

AE convergence speed

  • GW5 AE 使用 PID feedback control loop 控制收敛速度和稳定性。
  • 测试方法：对准可快速改变亮度的 lightbox，在亮 / 暗之间快速切换并记录 AE settling time 与振荡。
  • 调参顺序：
    1. 先调 proportional_gain 到目标收敛速度；增大通常加快收敛，减小会放慢。
    2. 若有振荡，再调 derivative_gain 改善；若仍无法改善，降低 proportional_gain 后重复。
    3. 不建议优先调 integral_gain；若前两步找不到稳定值，可能是 AE 控制环之外的问题。

Frame rate switching

  • 支持的配置可在低照时将帧率降半，以换取更长曝光或更好低照表现。
  • 设置 ae.frame_rate_switch_enable = 1 启用，用 ae.frame_rate_switch_thresh_ev 设置切换 EV 阈值。
  • 用 ae.frame_rate_switch_thresh_hysteresis 设置滞回，避免 EV 阈值附近来回切换。
  • 设置 ae.frame_rate_switch_enable = 0 可关闭该功能。

Zone weights

  • AE 使用 per-zone stats 判断当前场景亮度。
  • ae.nodes_vertical 和 ae.nodes_horizontal 决定统计分区数量，zone 大小由 ISP 输入分辨率决定且等间隔分布。
  • ae.zone_weight 决定每个 zone 的统计权重，范围 0–15：0 表示忽略该 zone，15 表示最高权重。
  • 所有 zone weight 都设为 0 会禁用统计收集，从而禁用 AE。

与其他模块的关系

  • GW5_Black_Offset 和 GW5_LSC 应在 Phase Two AE 主调前完成，否则 AE 统计会受暗场和镜头阴影影响。
  • AE target 应先与 GW5_Gamma 调成一致的亮度基线，再进入 GW5_LTM 主调试。
  • 如果 RAW 或线性输入本身曝光落点不对，优先处理 AE，而不是直接用 LTM 或 Gamma 补救。
  • GW5_AFD 通常在其他模块定稿后调试，但最终会通过电源频率判断影响曝光时间约束。

常见问题入口

  • 整体过亮 / 过暗：先检查 target、曝光上下限、gain 上下限和 zone_weight。
  • 高光过曝：先确认 AE 是否已经给高光留出余量，再查 LTM 的 white_level、strength 和高光 LUT。
  • 暗部噪声大：检查 AE 是否进入高 gain，再评估 LTM 暗部增强和 NR。
  • 收敛慢或振荡：检查 PID 参数、dead_band、quick_converge_threshold 和场景亮度切换条件。
  • 频闪条纹：最后阶段联查 AFD 与曝光时间是否覆盖照明电源周期。

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