本文主要是介绍计算摄像技术04 - 曝光的基本概念，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
一些计算摄像技术知识内容的整理：3A技术概述、曝光的基本概念。
目录
一、3A技术概述
二、曝光的基本概念
（1）曝光过程
（2）曝光调节
一、3A技术概述
在摄像机拍摄的过程中，需要调节的参数包括了光圈、焦距、曝光时间（快门）、感光度ISO、白平衡等。这些参数众多，为了调节好这些参数拍摄出各种精美的艺术效果，摄影师需要掌握摄像机工作的基本原理及相应的摄影技术技巧。
但是这并不是一件容易的事，往往需要多年的摄影经验积累，包括摄影理论及实际拍摄技巧两方面。普通摄影者通常不会有丰富的摄影经验，甚至对摄影理论一无所知。因此，“傻瓜摄像机”应运而生。它结构简单，使用方便，即使不懂摄影的人，只要装上电池，打开镜头盖，正确取景，按下快门，也能获得一张不错的照片。
一方面，自动化的调节，大大方便了用户的使用。当然，某些特殊的艺术效果仍然需要摄影师手动调节，但是目前看来，傻瓜摄像机的自动调节功能己经能够满足用户的普通摄影需求。另一方面，对于视频拍摄，如监控摄像、无人驾驶感知、航拍摄影等，用户需要拍摄一段时间内的连续影像。在这段时间内，拍摄场景的距离、光照、色温等都可能发生变化。这时需要人参与手动调节参数的摄像机己不再适用，因为可能拍摄者还没有调节好摄像机参数，目标就己经消失了。此时，自动调节的重要性就凸显出来了。目前的自动调节功能通常能够在数秒甚至更短的时间内调节到位，其调节速度是手动调节不可比拟的。目前，拍摄固定场景时可以预先设置好摄像机参数，其他情况下，几乎所有的视频拍摄都使用自动调节功能。
区别摄像机是否“傻瓜”的关键点，就是真正的傻瓜相机应该具有自动曝光、自动白平衡、自动聚焦等自动调节参数功能。摄像机的 3A 技术指的就是自动曝光 (auto exposure, AE)、自动白平衡 （auto white balance, AWB)、自动聚焦（auto focus, AF）技术。在曝光、白平衡和聚焦这些概念的基础上，发展起来很多自动化的调节方法。
我们依次来了解这三个概念。
二、曝光的基本概念
（1）曝光过程
什么是曝光？
摄影中的曝光可以理解为被拍摄物体发出的光线，通过摄像机镜头投射到图像传感器CCD 或 CMOS 上，形成原始图像的过程。有关CCD和CMOS 的数字感光器件介绍，以及感光度参数ISO的介绍等内容，可以参考之前的文章：
计算摄像技术03 - 数字感光器件
曝光的过程类似于人们睁开眼睛，光线通过瞳孔进入眼球，在视网膜上成像的过程。在拍照时，按下快门按钮，快门打开，过一段时间再关上，在这段时间内，光线从镜头进入摄像机，照在感光器件上，感光器件上的感光像素记录照射到它上面的光。于是就形成了一张照片，这就是一次曝光过程。其中，快门控制镜头的开闭，快门从开启到闭合的时间就是曝光时间。光通过镜头的孔径大小由光圈大小决定：
- 曝光时间越长，光圈越大，则进光量越大，图像越明亮。
有时，在低照度条件下，即使镜头的光圈完全打开，仍然无法得到明亮的图像。此时需要增大胶片或传感器的感光度ISO。感光度越高，相同的曝光量得到的相片亮度越高，即感光材料对光线越敏感，感光能力越强。例如，ISO 200 的胶片感光速度是ISO 100 的两倍；ISO 400 大概是ISO 200的两倍。常用的还有ISO 800 以及 ISO 1600 的高感光度胶片。传统的胶片感光度通过改变胶片的化学成分来改变其对光线的敏感度。而数码摄像机的感光器件是不变的，它采用电子信号放大增益技术实现感光度的调整。感光度越高，增益越大。通常以 ISO 100 为标准值，对应一倍增益，即不放大信号。而感光度为 ISO 200 时，感光度提高一倍，需要提高增益幅度。具体增益幅度，需要通过不同的传感器由厂家测定并给出其对应关系。
总结来说，曝光是一个与光圈、曝光时间、感光度密切相关的综合过程。曝光的控制会影响最终获得图片的各种细节。
- 曝光正常的照片画面明暗适当
- 过曝的照片，画面很亮
- 欠曝的照片，画面很暗
（2）曝光调节
那么究竟该如何调节与曝光相关的因素呢？是不是光圈越大越好，曝光时间越长越好，感光度越大越好呢？答案是否定的。因为这三个参数不仅与曝光相关，而且与图像质量的其他方面也密切相关。
光圈与景深密切相关。光圈越大，最深越小。关于这部分的详细内容，可以参考之前的文章：
计算摄像技术01 - 摄像技术基础知识
在景深范围内的物体可以清晰聚焦。景深小意味着能清晰聚焦的距离范围很窄。有时候为了突出前景，需要小景深，则设置大光圈；有时候需要看清全局，也需要大景深，则设置小光圈。所以光圈的大小不能随意设置，并不是越大越好。
曝光时间除了与图像亮度相关外，还与图像的运动模糊程度相关。当摄像机曝光时，运动物体会在传感器上留下一串影像。曝光时间越长，积累的影像就越妥，就越模糊。除了运动模糊外，使用手持式摄像机时，长时间曝光还容易引起抖动模糊。因此，曝光时间不宜设置过长。当然追求特殊艺术效果的应用除外。
感光度 ISO 除了与图像亮度相关外，还与图像的噪声密切相关。由于数码摄像机通过加大增益幅度的方式实现感光度的增加，所以它在放大图像信号的同时，也放大了噪声信号。感光度越高，噪声越大。因此，感光度不是越大越好。
既然光圈、曝光时间、感光度 ISO 三者都与图像质量的其他方面相关，那么在调节曝光时，应遵循什么样的原则呢？
首先，应该根据用户需要拍摄的效果进行调节。例如：
- 当拍摄前景突出的图像时，需要使用大光圈，此时应适当调小曝光时间与 ISO
- 当拍摄高速运动的物体时，需要使用短的曝光时间，此时应适当增大光圈与 ISO
- 当拍摄灯光流动效果时，需要使用尽量长的曝光时间，此时应适当调小光圈与 ISO
- 当拍摄视频时，曝光时间受到帧速率的约束，一般连续视频需要达到每秒 24 帧，即每帧图像曝光时间至多为(1/24）s，约 41.7ms，而在没有特殊需求时，人们总是希望得到清晰、无噪声的图像，即光圈不能太大，曝光时间不能太长，ISO 也不能太高
其次，应该根据实际拍摄的场景与期望的艺术效果进行调节。但不管怎么调节，都需要得到正常曝光的图像，既不能曝光过度，也不能曝光不足。
为了使用户能够简便地使用摄像机，自动曝光诞生了。它代替了人的操作，由摄像机根据人类的视觉特点，自动对所拍摄场景进行曝光，获得具有正常亮度的图像。自动曝光首先会估计当前场景的亮度，然后调节摄像机的光圈、曝光时问和感光度，使得到图像的亮度与预设的目标亮度一致。在摄像机参数调节策略上，自动曝光一般不会优先调节感光度ISO，因为增大它，将带来噪声。
而对于光圈与曝光时间（即快门速度)，主要有三种方式：光圈优先方式、快门优先方式，或者为不同亮度等级设定固定的光圈快门组合方式。
- 当对运动模糊要求较高时，通常选择光圈优先方式，即优先调节光圈，然后调节曝光时间，最后调节感光度ISO
- 当对景深要求高时，通常选择快门优先方式，即优先调节曝光时间，然后调节光圈，最后调节感光度ISO
- 光圈快门组合方式则是二者的折中
当然有些自动曝光策略也会将感光度ISO 与曝光时间综合考虑，一方面曝光时间过长导致的运动模糊是难以忍受的；另一方面过高的感光度 ISO 带来的噪声也是难以忍受的，所以需要对二者综合考虑。然而究竟采取哪种方式，目前并没有一个固定的标淮，需要根据用户的拍摄需求确定。但是无论采取什么样的策略，自动曝光的目标都是使画面正常曝光，不过曝，也不欠曝。
对于自动曝光调节参数的方式，一般摄像机都会提供一种默认方式和数种可选方式，用户可以根据自己的需求进行选择。但是无论采取哪种方式，自动曝光也只能满足大多数的日常拍摄需求。在面对一些特殊的拍摄需求时，自动曝光就显得无能为力。
以高速摄影为例，要拍摄运动的火车，曝光时间需要在（1/1000）s 以内，此时就只能限制曝光时 间，当曝光量不够时，就必须增大光圈。而如果恰好又需要大景深，则光圈的大小也必须限制，那么就只能调节感光度 ISO。虽然调节ISO 会带来噪声，但这也比拍摄到一张黑暗的图像好。显然，自动曝光无法知道它面对的是不是一个高速运动的物体，也不会知道拍摄者是否一定要拍摄清晣的运动物体，或者只需要背景清晰。要完成这样的工作，就只能依靠手动调节完成。
自动曝光一方面简化了普通用户拍摄的难度；另一方面，在视频拍摄时，面对亮度变化的场景，自动曝光则是必不可少的功能之一。
下篇文章中，将解析自动曝光技术。
这篇关于计算摄像技术04 - 曝光的基本概念的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！
