摄像机开发调试时遇到的问题

Question

问题遇到的现象和发生背景

ax620q摄像机方案，低光下原厂代码照度低于0.001lx时上电后很长时间不出图，所以传感器上电初始给了强制曝光，虽然能及时出图了，但是白天高光时出现了闪烁现象，初步判断是AE控制出现振荡，未能收敛。ps：采用ISPtuning工具调图时，没有不出图或图像闪烁的现象。

操作环境、软件版本等信息

VM虚拟机，sdk版本AX620E_SDK_V3.0.0_20241120230136_NO1951。自己画的电路板，sensor型号：os04a10

尝试过的解决方法

上电传感器强制曝光后，设置了180帧的“软启动”过程，该过程中限制了AE时每帧调节最大步长和最大调整增益，企图增大控制环节的阻尼系数，以抑制振荡。
实际测试发现效果不佳。在增加阻尼的思路上，继续优化参数？
还是思路错了，是其它原因？
或者是，前面解决低光下不出图的方法错了，不应该用强制曝光的方法？

我想要达到的结果

希望有经验的过来人指点一下，非常感谢!

Answer 1

下午好🌅🌅🌅
本答案参考通义千问

你描述的这个问题是典型的嵌入式摄像机开发中，低光环境下图像无法及时输出、高光下出现闪烁的问题。这种现象通常与自动曝光（AE）控制算法的稳定性密切相关。

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一、问题分析

1. 低光下不出图的原因

• 当环境照度低于0.001 lx时，传感器可能因光照过弱而无法采集到足够的信号。
• 原厂代码未对这种情况做特殊处理，导致AE算法进入死循环或未正确初始化。
• 为解决此问题，你尝试了强制曝光，虽然解决了“不出图”的问题，但引入了高光下的闪烁现象。

2. 高光下闪烁的可能原因

• 强制曝光后，AE控制逻辑在白天高光条件下频繁调整增益或快门时间，导致曝光值振荡。
• 这种振荡可能是由于：
  • AE控制环路的阻尼系数不足，导致系统不稳定；
  • 增益/快门步长过大，导致每次调整幅度太大，超出稳定范围；
  • AE算法逻辑设计不合理，如没有设置合理的最小/最大曝光值限制。

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二、解决方案建议

1. 重新评估“强制曝光”策略

重点：强制曝光可能导致AE控制失衡，需谨慎使用。

• 问题点：强制曝光可能会破坏AE算法的正常工作流程，尤其是在高光环境下，容易引发震荡。
• 替代方案：
  • 在低光下，可以采用动态增益补偿，而非强制曝光；
  • 或者通过预设曝光参数（如手动设定一个较低的增益），让AE在合理范围内进行微调。

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2. 优化AE控制算法，增强系统稳定性

重点：提高AE控制系统的阻尼系数，防止振荡。

具体措施如下：

1. 降低AE每帧的最大调节步长

   • 减小增益和快门时间的调整幅度，避免一次调整过大。
   • 示例代码片段（伪代码）：

     // 设置AE最大增益变化步长
     ae_set_gain_step(0.5f);  // 原值可能为1.0，现在减小到0.5
     
     // 设置AE最大快门时间变化步长
     ae_set_shutter_step(5);  // 原值可能为10，现在减小到5
     

2. 增加AE控制的“积分项”权重

   • 增加对历史误差的累积，使系统更平滑地收敛。
   • 可以参考PID控制中的积分增益，适当增加其比例。

3. 设置曝光值上下限

   • 避免AE在极端情况下过度调整。
   • 示例代码：

     ae_set_min_gain(1.0f);
     ae_set_max_gain(8.0f);
     
     ae_set_min_shutter(100);  // 最小快门时间（单位：microsecond）
     ae_set_max_shutter(10000); // 最大快门时间
     

4. 加入“曝光锁定”机制

   • 在某些场景下（如高光区域），暂时禁用AE，改用固定曝光参数。

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3. 调试工具辅助分析

重点：使用ISPtuning等工具进行数据采集和分析。

• 使用ISPtuning工具，实时监控AE的增益、快门时间、目标亮度等参数变化；
• 分析是否在高光下出现AE频繁跳变，从而判断是否是算法本身的问题。

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4. 测试验证与迭代优化

重点：持续测试并逐步优化参数。

• 在不同光照条件下（低光、中光、高光）进行测试；
• 记录AE的响应曲线，观察是否有振荡、超调、收敛慢等问题；
• 根据测试结果，逐步调整增益步长、快门步长、积分增益等参数。

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三、推荐修改后的代码结构（示例）

// 初始化AE模块
void init_ae() {
    ae_set_gain_step(0.5f);       // 降低增益步长
    ae_set_shutter_step(5);        // 降低快门步长
    ae_set_min_gain(1.0f);         // 设置增益下限
    ae_set_max_gain(8.0f);         // 设置增益上限
    ae_set_min_shutter(100);       // 设置快门时间下限
    ae_set_max_shutter(10000);     // 设置快门时间上限
    ae_set_integration_gain(0.9f); // 增加积分增益，提升稳定性
}

// AE主循环
void ae_loop() {
    float current_brightness = get_current_brightness();
    float target_brightness = 128; // 目标亮度（根据传感器特性设定）

    float error = target_brightness - current_brightness;
    float gain = ae_get_gain();
    float shutter = ae_get_shutter();

    // 根据误差计算增益和快门调整量
    float gain_adjust = calculate_gain_adjust(error);
    float shutter_adjust = calculate_shutter_adjust(error);

    // 应用调整（确保不超过限制）
    gain += gain_adjust;
    if (gain > ae_get_max_gain()) gain = ae_get_max_gain();
    if (gain < ae_get_min_gain()) gain = ae_get_min_gain();

    shutter += shutter_adjust;
    if (shutter > ae_get_max_shutter()) shutter = ae_get_max_shutter();
    if (shutter < ae_get_min_shutter()) shutter = ae_get_min_shutter();

    // 更新AE参数
    ae_set_gain(gain);
    ae_set_shutter(shutter);
}

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四、总结建议

| 问题 | 解决思路 | |------|----------| | 低光不出图 | 考虑使用动态增益补偿，而非强制曝光 | | 高光闪烁 | 优化AE控制算法，降低步长、增加积分增益 | | 振荡问题 | 加入曝光值上下限，防止极端调整 | | 算法调试 | 使用ISPtuning等工具进行实时监测 |

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如果你愿意提供部分代码或更详细的AE控制逻辑，我可以进一步帮你分析具体问题所在。希望这些建议对你有帮助！