單元 10 · 曝光與自動曝光（AE）

10.1 曝光三要素（含位元級）

for r in 0x3501 0x3502 0x3503; do
  h=${r:2:2}; l=${r:4:2}
  printf "%s: " "$r"; sudo i2ctransfer -y 22 w2@0x36 0x$h 0x$l r1
done

10.2 Worked Example：從 register 算出曝光

0x3501 = 0x01   # 高位
0x3502 = 0xE4   # 中位
0x3503 = 0x10   # 低位（僅 bit[7:4] 有效）

# 曝光行數（依位元布局）
exposure = (0x01 << 12) | (0xE4 << 4) | (0x10 >> 4)
         = 4096 + 3648 + 1
         = 7745 行

# 實際時間 = 行數 × row_time
# row_time ≈ 影像行週期（由 PLL/時序決定，datasheet 可查）

這是理解「曝光 register」的練習；正式流程由 libcamera 以 µs 為單位控制（下一節）。

10.3 用 libcamera/picamera2 控制（正確方式）

picam2.set_controls({
    "AeEnable": False,              # 關自動
    "ExposureTime": 20000,          # 快門 µs（與 AnalogueGain 併用）
    "AnalogueGain": 2.0,
    "AeMeteringMode": 1,            # 1=矩陣 2=中心加權 3=點測光
    "ExposureCompensation": 0.0,    # EV 補償
    "AeConstraintMode": 0,          # 約束（正常/高光優先）
})

10.4 banding：50/60Hz 與曝光

成因：室內光源（日光燈/LED）以市電頻率閃爍（50Hz 或 60Hz）。曝光若不是「半週期的整數倍」，各列累積的光量不同 → 明暗條紋。

# 固定曝光時，選 50/60Hz 的整數倍
# 50Hz: 10ms 半週期 → ExposureTime=10000/20000...
# 60Hz: 8.33ms → ExposureTime=8333/16666...
picam2.set_controls({"ExposureTime": 20000})   # 50Hz 整數倍

10.5 AE 收斂與除錯

rpicam-still --info -o /dev/null | grep -E "Exposure|Gain|Colour"

10.6 深入：測光模式的實務差異

10.7 Worked Example：banding 的曝光計算

# 市電 50Hz → 半週期 10ms
曝光 = 10000 * N  µs    (N = 1,2,3...)
  例如 10000 / 20000 / 30000 µs

# 若設 15000µs（非整數倍）→ 出現 banding
# libcamera 有 banding 支援；手動固定曝光時要自己算

10.8 練習

1. 在日光燈下拍一張，觀察是否有 banding。
2. 固定曝光為 50Hz 整數倍，再拍一張比較。
3. 用 --info 觀察 AE 收斂的曝光/增益值。

進階真實情境 Worked Example：在日光燈下拍攝並分析 banding 的精確週期

場景：你在室內日光燈環境下拍攝，畫面出現明顯的水平明暗條紋。需要確認是 50Hz 還是 60Hz 的 banding，並計算正確的曝光值。

# 1. 用不同曝光拍攝，觀察條紋變化
for EXP in 8000 8333 10000 16666 20000 33333; do
  rpicam-still --raw --shutter $EXP --gain 1 \
    --awb off --awbgains 1,1 -o band_${EXP}us.dng 2>/dev/null
done

# 2. 分析各曝光下的亮度週期性
python3 - <<'EOF'
import rawpy, numpy as np
for exp in [8000,8333,10000,16666,20000,33333]:
    raw = rawpy.imread(f'band_{exp}us.dng').raw_image
    roi = raw[900:1100, 500:2000]  # 橫向 ROI
    row_means = roi.mean(axis=1)
    std = row_means.std()
    print(f"曝光{exp}µs: 行間亮度標準差={std:.2f} (越大=banding越嚴重)")
EOF

深入原理擴充：OV5647 的 AEC 暫存器與行曝光時序

OV5647 的曝光是行級（line-based）的，不是微秒級的：

• 曝光行數：由 0x3501（高 8 位）和 0x3502（低 8 位）控制，共 16 位。實際曝光時間 = 曝光行數 × row_time。
• row_time：取決於 PLL 配置和像素時鐘。2592×1944@30fps 時，row_time ≈ 11.6µs。所以 libcamera 的 ExposureTime=20000µs 換算成行數約 20000/11.6 ≈ 1724 行。
• frame length（VTS）：2592×1944 模式下 VTS ≈ 1968 行。若曝光行數 > VTS，感測器會「卡在曝光」→ 幀率下降或全黑。
• 曝光與行同步：每行的曝光起點由 Timing Generator 控制，行與行之間的曝光起點差為 1 row_time。這就是 Rolling Shutter 的「行間時間差」。

診斷式疑難排解表

進階挑戰題

1. 用示波器量測 OV5647 的 frame sync 訊號（若可接觸），驗證 row_time 是否與 PLL 配置一致。
2. 設計一個「自動 banding 偵測」腳本：拍一張 RAW，分析行間亮度的週期性，自動判斷光源是 50Hz/60Hz/DC。
3. 若場景中同時有 50Hz 日光燈和 60Hz LED 燈，會出現什麼症狀？如何處理？

延伸閱讀

• 下一篇：單元 11 · 白平衡與色彩。
• libcamera IPA（AE）
• 學習路線：複習全站

專案級端到端 Worked Example：多場景曝光策略專案

場景：監控攝影機要在室內日光燈、室外日光、夜晚低光三種場景自動切換曝光策略，並避免 banding。本專案整合單元 10（AE/banding）、2（SNR）、13（雜訊）、14（回歸）知識，建立一套可驗證的曝光策略表。

from picamera2 import Picamera2

# 場景定義：增益上限、快門上限、banding 頻率
SCENES = {
    "indoor_fluorescent": dict(max_gain=8.0, max_shutter=30000, banding=50),
    "outdoor_day":        dict(max_gain=2.0, max_shutter=8000,  banding=None),
    "night_lowlight":     dict(max_gain=12.0,max_shutter=66000, banding=50),
}

def apply(picam2, scene):
    s = SCENES[scene]
    ctrl = {
        "AeEnable": True,
        "AeConstraintMode": 0,
        "ExposureCompensation": 0.0,
        "AnalogueGain": s["max_gain"] / 2,
    }
    # 若設 banding：曝光以半週期整數倍為準
    picam2.set_controls(ctrl)

picam2 = Picamera2()
picam2.configure(picam2.create_still_configuration())
apply(picam2, "indoor_fluorescent")

# 在日光燈下拍兩張：20000µs（50Hz OK）vs 15000µs（非整數倍）
rpicam-still --raw --shutter 20000 --gain 2 -o ok50.dng
rpicam-still --raw --shutter 15000 --gain 2 -o bad15.dng
python3 - <<'EOF'
import rawpy, numpy as np
for f in ['ok50.dng','bad15.dng']:
    roi = rawpy.imread(f).raw_image[900:1100, 500:2000]
    print(f, "行間σ =", round(roi.mean(axis=1).std(),2))
EOF
# 預期：ok50 行間σ 明顯小於 bad15（banding 消除）

量測/驗證 SOP：AE 與 banding 驗證

1. 在目標光源下跑 AE，用 --info 記錄收斂後的曝光/增益。
2. 檢查收斂時間：換場景後 AE 應在 <2 秒內穩定。
3. 用行間 σ 量測確認 banding 消失（<閾值）。
4. 檢查高光：逆光場景高光不爆（用 AeConstraintMode=高光優先）。
5. 在低光確認增益未超過 SNR 決定的上限。
6. 三場景各錄一輪，存 log。

平台間對照：曝光控制

互動式檢核清單

• - [ ] 能從 register 算出曝光行數（0x3501-0x3503）。
• - [ ] 已建立並驗證三場景曝光策略表。
• - [ ] 能用行間 σ 定量驗證 banding。
• - [ ] 能說出 50Hz/60Hz 的曝光整數倍。
• - [ ] 能判斷 AE 是否「受限」並採取正確行動。
• - [ ] 已記錄各場景的 AE 收斂 log。

第 3 輪深度加深

① Register 位元級完整工作流：OV5647 手動曝光設定與驗證

② 多層疑難排解決策樹

決策樹 A：AE 收斂過慢或震盪

AE 異常
├─ 檢查 A：AE target brightness 是否合理
│  ├─ 太高(>200) → 曝光拉到最大仍不夠 → 降低 target
│  └─ 太低(<50) → 曝光壓到最低仍太亮 → 提高 target
├─ 檢查 B：AE convergance speed 設定
│  ├─ 太快 → 震盪 → 降低 step size
│  └─ 太慢 → 逐步增加 step size
├─ 檢查 C：場景是否有大量高動態範圍
│  ├─ 是 → AE 加權區域設定問題 → 調整 metering mode
│  └─ 否 → 繼續
└─ 檢查 D：50Hz/60Hz banding 是否造成行間差異
   ├─ 是 → 曝光行數非整數倍 → 調整為 100/120 的整數倍
   └─ 否 → AE 算法本身問題

③ 量測驗證完整 SOP：AE 收斂時間量測

1. 方法：LED 切換光源亮度 + 影像亮度 log
2. 步驟：
   a. LED 亮度 Level 1 → 等 AE 收斂 → 記錄穩定 brightness
   b. 切換到 Level 2（突變）
   c. 每幀記錄 brightness，直到收斂（±5% 以内）
3. 量測條件：3 個亮度等級（暗/中/亮），每次切換測 5 回
4. 統計：平均收斂幀數、最差收斂幀數
5. 判讀：收斂 <30 幀 @30fps = <1s 正常；>60 幀 = 需優化 AE 參數
6. 常見偏差：開場景 histogram 分佈極端 → AE target 誤判

④ 四平台終極對照

⑤ 完整 Bring-up 專案 Checklist

• - [ ] 確認 sensor 曝光暫存器可讀寫
• - [ ] 手動設定曝光並驗證影像亮度變化
• - [ ] 啟用 AE 並驗證自動收斂
• - [ ] 測試暗→亮→暗場景的 AE 收斂時間
• - [ ] 測試 50Hz/60Hz 下的 banding 行為
• - [ ] 調整 AE target brightness 並記錄效果
• - [ ] 測試 metering 模式切換
• - [ ] 記錄 AE 參數表存入 tuning 文件