CameraX 曝光补偿 API 入门指南

在移动端发展的过程中，相机设备对于推动移动设备创新起到了举足轻重的作用，而相机曝光则是能够拍摄出非凡品质照片的关键要素。在本文中，我将为大家详解移动端开发者在处理相机曝光时所遇到的挑战。之后我会为大家介绍新的 CameraX 曝光补偿 (Exposure Compensation) API 如何帮助开发者应对这些挑战，使快速拍摄高品质照片变得更加简单。最后，我将为大家展示如何在您的应用中使用该 API。

背景

在摄影中，曝光是决定最终相机所呈现图像的最重要因素之一，因此大多数摄影师都极力将曝光调至最佳。自动曝光 (AE) 模式在大多数常见拍摄场景下的效果都不错，比如自动快速拍照。然而在某些特定条件下，AE 模式会为了照片的整体质量而做出一些妥协，而这些妥协有时并不是您想要的。其中一个例子就是逆光，例如，在室内朝向窗户或者其它光源的位置拍摄，或者在室外拍摄，拍摄对象的后方刚好是太阳。在这些拍摄场景中，AE 模式会因为明亮的背景 (照片中高亮的区域) 而对照片进行适当曝光，但是处于黑暗前景中的主体就会变得过于昏暗或者成为剪影效果。图 1 展示的是在相同条件 (室内逆光) 下使用不同曝光进行拍摄的三张照片。

AE 对于照片的整体质量控制得很好，但是更高的曝光确实能够捕获到 Android 公仔的更多画面细节。

传统操作中，摄影师通过调整如下三个参数来达到满意的曝光:

• 光圈: 镜片的打开程度，它控制相机的进光量

• 快门速度: 照片曝光的持续时间

• ISO (国际标准化组织): 相机感光元件对捕获光线的敏感程度

每个参数对于图像都有特殊的作用: 光圈可以调整景深效果，快门速度可以虚化运动的过程或者定格运动的瞬间，而更高的 ISO 会增加图像噪点。其中用到相当精准的数学计算，但是这些参数设置的不同组合可以获得相同的整体曝光效果，以及在这个过程中获得高水准的完美曝光数值。为了辅助补偿曝光，CameraX 实现了曝光补偿 API。

实现曝光补偿 API

曝光补偿 API 根据生成的自动曝光值，通过曝光补偿指数调整曝光补偿度。曝光补偿指数可以为正值 (用于提高照片亮度) 或者负值 (降低照片亮度)。它将整体曝光范围映射到补偿指数的取值区间，并将曝光总量映射到 EV 步长。相机设备内部会根据曝光指数改变曝光，减少控制其它参数的操作并且达到同一效果。

以图 1 为例，相机的默认配置无法为我们希望对焦的主体提供足够的亮度，所以我们可以使用正值指数的曝光补偿配置来获得两倍或者四倍的曝光，从而突出主体。通过改变曝光补偿指数，相机内部会控制快门速度、光圈和 ISO 以获得合适的曝光。

要获得补偿指数，CameraX 实现了以下内容:

1. CameraControl::setExposureCompensationIndex，用于设置新的曝光补偿指数。
   https://developer.android.google.cn/reference/kotlin/androidx/camera/core/CameraControl#setexposurecompensationindex
2. ExposureState 用于曝光补偿性能和当前配置，包括:
   https://developer.android.google.cn/reference/kotlin/androidx/camera/core/ExposureState
1. 支持调整补偿
2. 所支持的补偿范围
3. 所支持的补偿步长
4. 当前补偿指数值

我们来看看在 CameraX 应用中如何使用 API 来创建曝光合适的照片。

使用曝光补偿 API

要在应用中使用曝光补偿 API，您需要完成如下工作:

• 查询曝光补偿范围
• 设置新的曝光补偿指数
• 当 CameraX 确认后继续后续操作

查询曝光补偿指数的范围

曝光补偿值的范围依赖相机设备的配置和硬件级别；应用可以通过 ExposureState 接口查询所支持的取值范围:

https://developer.android.google.cn/reference/android/hardware/camera2/CameraCharacteristics#INFO_SUPPORTED_HARDWARE_LEVEL

val camera = cameraProvider.bindToLifecycle( … )
val range = camera.cameraInfo.exposureState.exposureCompensationRange

设置新的曝光补偿指数

如果照片显得较暗，在相机原本的修正曝光基础上设置一个正值的曝光补偿指数来提高亮度；同理，如果照片显得过亮，则设置一个负值。这可以通过 setExposureCompensationIndex() 来实现:

interface CameraControl {
    fun setExposureCompensationIndex(value: Int): ListenableFuture<Int!>
}

默认情况下，曝光补偿指数的值从 "0" 开始，新的指数值必须在相机设备所支持的范围内变化。否则 CameraX 会抛出 IllegalArgument 错误。请注意如果相机设备不支持曝光补偿调节，CameraX 所返回支持的取值范围是 [0,0]。

举个例子，下述代码中当用户点击了 UI 中的按钮会提高曝光补偿指数直到曝光指数达到所支持的最大值为止:

var exposureIndex = 0
val camera = cameraProvider.bindToLifecycle(
    lifecycleOwner,
    getCameraSelector(),
    preview,
    imageCapture,
)

evButton.setOnClickListener {
    val range = camera.cameraInfo.exposureState.exposureCompensationRange
    if (range.contains(exposureIndex + 1)) {
        camera.cameraControl.setExposureCompensationIndex(++exposureIndex)
        val ev = camera.cameraInfo.exposureState.exposureCompensationStep.toFloat() * exposureIndex
        Log.i("CameraXLog", "EV: $ev")
    }
}

setExposureCompensationIndex() 是 async 函数，每个相机只能响应一个未处理的请求。如果应用在之前的调用未被响应之前再次调用 setExposureCompensationIndex()，新的调用请求就会替代之前的请求，而之前的请求会被取消并抛出 OperationCanceledException。通常，新的指数值会被迅速启用，输出流的曝光会随着绑定用例变化。如果应用需要知道特定请求的准确执行时间和结果，可以在函数返回的 ListenableFuture<Int> 之上注册监听器。

• 绑定用例
  https://developer.android.google.cn/training/camerax/architecture#combine-use-cases

• ListenableFuture<Int>
  https://developer.android.google.cn/reference/androidx/camera/core/CameraControl#setExposureCompensationIndex(int)

关联补偿指数和曝光值 (EV)

曝光值 (EV) 是一个用于表示曝光补偿的光照度差异的度量单位。+1 EV 表示两倍光照，+2 EV 是四倍光照，依此类推。应用可以将相同的曝光值应用到各种相机，甚至不同的设备，来获得相似的曝光，但是应用不应该针对相同的目标效果直接使用相同的指数值，因为每个指数值是相机的专属值。

补偿 API 中，曝光值是通过如下公式进行计算的:

曝光值 (EV) = exposure_compensation_index * compensation_step

上述公式中提到的 compensation_step 是曝光值可被修改的最小单位。请注意 compensation_step 也依赖相机设备。应用可以通过 ExposureState 查询相机的 compensation_step，并且可以按照下面所示计算曝光值:

val camera = cameraProvider.bindToLifecycle( … )
val exposureValue = camera.cameraInfo.exposureState.exposureCompensationStep.toFloat() * exposureIndex

例如: exposure_compensation_index 等于 6，compensation_step 等于 ⅓，那么曝光补偿计算为 +2 EV，也就是两倍的默认曝光值。

compensation_step 的 step_size 取值通常为 ⅓ 或者 ½，较少情况下，有些设备可能会支持 1 或者甚至 ¼。所能支持的最大曝光值一般是 2 EV 或者 3 EV。

CameraX 曝光补偿 API 的可用性

曝光补偿 API 是在 android.camera:camera-core:1.0.0-beta09 中首次以实验方式发布。

该 API 在版本 android.camera:camera-core:1.1.0-alpha06 中完成了实验阶段，成为正式版本 CameraX API 的一部分。 

要获得最新的发布版本，请查阅官方 CameraX 版本说明:

https://developer.android.google.cn/jetpack/androidx/releases/camera

总结

在 GitHub 上可以找到 CameraX 曝光补偿的示例代码。结合 CameraX API 的其它部分，曝光补偿 API 可以帮助开发者实现富有创意的 Android 相机应用，并在移动应用的海洋中脱颖而出。如果您有兴趣了解更多关于 CameraX 的内容，请参阅官方文档，如果希望能够持续获得 CameraX 的最新进展，可以加入 CameraX 讨论组。欢迎大家提出宝贵意见，可以在 CameraX 讨论组中和我们交流，或者创建 CameraX issues 提交您遇到的问题。

• GitHub
  https://github.com/wenhungwww/android-camerax-ev-sample

• 官方文档
  https://developer.android.google.cn/training/camerax

• CameraX 讨论组
  https://groups.google.com/a/android.com/g/camerax-developers

• CameraX issues
  https://issuetracker.google.com/issues/new?component=618491&template=1257717

相关阅读

• setExposureCompensationIndex API

  https://developer.android.google.cn/reference/androidx/camera/core/CameraControl#setExposureCompensationIndex(int)
• ExposureState API
  https://developer.android.google.cn/reference/androidx/camera/core/ExposureState
• CameraX 版本说明
  https://developer.android.google.cn/jetpack/androidx/releases/camera
• Codelab: 上手使用 CameraX
  https://developer.android.google.cn/codelabs/camerax-getting-started
• GitHub 示例
  https://github.com/android/camera-samples

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