白加黑减说AE
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玩单反摄影的朋友在控制曝光上有一个很重要的经验：白加黑减 。
这张图是单反相机的曝光表，我们拍照时，半按快门，相机就会进行测光，中间红色的小箭头会指示出相机当前的曝光，我们让小箭头落在0处，一般的情况，这就是合适的曝光。
根据白加黑减的原则 ： 在拍白色为主的场景时，要加一些曝光，也就是让小箭头往右一点；
反之，在拍黑色为主的场景时要减一些曝光，让小箭头往左一点。
这样操作才能得到曝光合适的照片。这就是所谓的『白加黑减』。
那么为什么要做这种操作呢？那就得从自动曝光（AE）的基本原理说起。
在单反相机里，主流的自动曝光演算法是均值法，这是由于专业相机要通过各种标准测试，必须符合计量科学的种种标准的约束，在这方面，只有均值法比较合适。除了均值自动曝光法还有直方图法，以及各种混合法控制曝光。
均值法，就是通过控制图像的平均亮度达到合适曝光的方法。
问题1： 什么是曝光？
sensor的亮度也就是sensor的曝光。
曝光 = ISO X 光圈 x 曝光时间 ；
如果以ISP的角度来看：
Total exposure = analog_gain x digital_gain_sensor x Exposure_time_sensor x
Isp_digital_gain这里的isp_digital_gain 包括了white balance gain等会增加图像亮度的运算操作。
问题2： 什么是测光？
测光就是测量出当前图像的曝光，相机是如何测量出图像的亮度的呢？
这是一个ISP的基本流程图，在demosaic前的位置，或者demosaic后紧挨著的位置，会计算出图像的亮度均值。
摄影时候调整光圈，快门，感光度，让AE metering的值达到一个目标值，这就是曝光控制的过程。
问题3：这个AE的目标值是怎么确定的呢？
那就得先说成像系统的目标是什么？成像系统的目标就是存储或者显示人的视觉感知。为了达到这个目的，人类研究了几百年，各路科学家或者科研组织都研究出自己的一套标准，比如CIE：国际照明组织有一套标准。ITU：国际电联，又有一套标准。每一套标准都对应著成像系统最终存储或者显示的图像的色彩和亮度的目标值，人们给这个目标值起了很费解的名字，色彩空间——color space。所以当你调节专业显示器的时候，你会发现一个选项列表，什么adobe RGB ，CIE RGB, sRGB，其中sRGB是微软提出的标准，也是使用最广泛的一个标准，很多成像系统都是先把图像输出为sRGB色彩空间，然后再按需要转换到别的色彩空间上。
那么按照sRGB色彩空间，Gamma = 2.2，如果拍一个color checker，成像的目标就是把图像处理成这样的数值：
对于这样一个典型场景，整个图像的平均反射率是18%，也就Neutral 5这个patch的反射率，那么从曝光的角度，就是使图像的平均亮度达到Neutral 5这个patch的亮度122。
从成像的pipe line上看，曝光的控制是在gamma运算之前进行的，那么就得把gamma运算进行逆运算，
Gamma 计算的公式是：
Output = 255（Input/ 255)1/gamma
那么做逆运算就是：
Input = 255 x (Output/255)gamma
把122 代入进去，结果是约等于50.
也就是说AE的目标就是把图像的平均亮度在gamma前调整到50。
问题４：为什么要白加黑减呢？
说到这里，已经把曝光的原理说得很明白了，成像系统统计处当前的图像的平均亮度，调整曝光时间，感光度，光圈，数字增益等等，让图像的平均亮度达到５０。但是，所有这些都是基于一个前提：图像的平均反射率是１８％。也就是上边所说的典型场景。当平均反射率大于１８％的时候，比如白色为主的场景，那么这个假设就不成立，所以需要提高曝光，这样才能使图像和实际一致，否则图像就会发暗。同理，当平均反射率低于１８％的时候，比如黑色为主的场景，就要降低曝光，否则图像就显得太亮了。这就是所谓的『白加黑减』的原理。
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