自动曝光Flicker现象分析

news2024/9/21 2:49:01

1、sensor Flicker现象

相机输出画面会出现频闪，尤其是对着日光灯管场景，画面中有水波纹渐变或者阴影纹路，如下图所示。

所展示的现象为：

1、同一帧的不同行的亮度各不相同，存在亮暗变化的条纹；

2、不同帧的相同行的亮度可能不相同，出现水波纹一样的纹路跳变。

二、帧曝光分析

2.1 交流电变化规律

交流电其实是一种正弦波，其频率有两种：50HZ和60HZ，中国、泰国、印度、大部分欧洲国家等地采用50HZ，美国、加拿大、墨西哥等地采用60HZ。

下面以50HZ为例进行解释，交流电以1/50s，即20ms的周期进行变化，其变化规律如图所示：

而对于能量来说，并没有正负之分，因此能量的周期是1/100s，即10ms。

因此，普通的以交流电为电源的白炽灯的亮度实际上在一直在以10ms为周期随着交流电变化而发生变化，只不过人眼感知不到画面亮度的变化罢了。

2.2 对同一帧内的不同行进行分析

曝光时间为10ms时

如图所示，假如第M行和第N行分别在tm和tn时刻开始曝光，曝光时间为都10ms，图中阴影部分的面积就表示该行的亮度

我们知道第M行的积分面积与第N行的积分面积是相同的，因为积分时间刚好是周期的整数倍，此时不同行的亮度是相同的，不会产生banding现象。

曝光时间为8ms时

如图所示，假如第M行和第N行分别在tm和tn时刻开始曝光，曝光时间为都8ms，图中阴影部分的面积就表示该行的亮度

我们可以知道看出来第M行的积分面积（跨越波峰）大于第N行的积分面积（跨越波谷），因此这两行的亮度就会有差异，在当前帧中就会出现不同行亮度不同的水波纹现象。

2.3 对不同帧的同一行进行分析

假设，第M帧的第N行在tm时刻开始曝光，第M+1帧的第N行会在tm+1开始曝光，如果此时的帧率为30FPS，每帧时间为为1/30s，即33ms。我们可以知道：

tm+1=tm+33ms

当曝光时间为8ms时

如图所示，第M帧的第N行的积分面积要大于第M+1帧的第N行的积分面积（经过谷底），此时不同帧的相同行亮度也会发生表现，加上上面的分析，我们可以得知，在30FPS情况下，以8ms进行曝光时不仅会出现水波纹，而且水波纹还会滚动，出现上面视频中的表现。

但是，如果此时以25FPS的帧率进行分析，每帧为1/25s，即40ms时，情况会变得不一样，此时：

tm+1=tm+40ms

如图所示，由于40ms为周期10ms的整数倍，因此这两行的起始时刻相位是相同的，所以两行的积分面积是相同的，因此此时不会出现画面闪烁。

三、sensor曝光模式

如果成像系统的曝光方式是“卷帘式曝光”（Rolling Shutter），由于每一行曝光时间不同，获得的曝光量也可能不同；那么在不同的感光面接收到的光能量不一样，从而产生了图像上的频闪条纹。

电子卷帘快门通过通电控制传感器，使其不同部分在不同时间下逐行进行曝光，直到所有的像素点被曝光。

但是全局曝光也不能幸免于时间调制的照明效果，它表现为一种曝光的“呼吸”，其中光脉冲可能与传感器的整合期同步（较亮），或与传感器的读出期同步（较暗）。具体现象是在视频中的帧之间会出现明暗闪烁的现象，同时这种闪烁的灯光现象也会混淆HDR多重曝光的图像融合。

3.1 全局曝光（Global Shutter）

全局曝光特点：

1、像素同时曝光；

2、适合拍摄运动物体，没有图像畸变

3、相同曝光时间，相比卷帘曝光会增加噪声读出

考虑到光源频闪的周期性，在一个周期内，光源亮度的累积值，应该是大体一致的。所以，如果控制曝光的时间是频闪周期的整倍数，那么每一帧图像的亮度就大体是一致的了，这样就可以有效地抑制呼吸闪对图像亮度的影响。

曝光时间= N ×（1/（工频×2）），N是非0正整数。比如工频是50HZ，N取2时，那么曝光时间 = 1/50，对应视频帧率就是50fps，N取4时，对应帧率是25fps。

3.2 卷帘曝光（Rolling Shutter）

卷帘曝光特点：

1、像素逐行曝光；

2、适合拍摄静态、低俗运动物体。拍摄动态物体容易图像畸变

3、帧率调节、噪声控制相对灵活

Rolling Shutter的曝光方式是逐行进行的，同一行Pixel的曝光时间是一样的，每行Pixel的曝光起始和结束的时间都是一样的。不同行之间，虽然每行的曝光时长是一样的，但时域上每行曝光的开始点是不同的，所以不同行之间pixel积聚的能量不一定相同。

以50HZ的交流电频率来说，解决频闪有两种办法：

1、控制Sensor每行的曝光时间为10ms的整数倍

2、每帧图片的时间是10ms的整数倍

四、小结

这里可以给出结论：

1、当曝光时间为光源能量周期的整数倍时，不会出现banding现象；

2、当曝光时间不为光源能量周期的整数倍时，一定会出现不同行之间的亮度差异，即水波纹一样现象；但是水波纹会不会上下滚动还要看帧率；

3、当每帧时间(1/fps)为光源能量周期的整数倍时，不同帧之间的相同行不会出现亮度变化，即哪怕有水波纹也不会滚动，反之水波纹会上下滚动；

五、LED灯情况分析

LED并不是是随着交流电的频率变化的而是自身控制的，LED灯的频率并不固定，一般来说在90HZ~200HZ，不同的LED灯有不同的频率，如图所示灯是90HZ，占空比为20%的LED亮暗示意图，当电平为高时LED灯亮起，当电平为低时，LED灯熄灭，因此这里我们也可以看到为什么LED会节能呢？因为它大部分时间都不亮。