Глава 14: Ручная экспозиция в Camera2

Вооружившись теорией фотографии из главы 13, пришло время перевести концепции в код. В этой главе вы узнаете, как полностью взять на себя управление системой автоэкспозиции (AE) камеры и установить ISO и выдержку вручную с помощью API Camera2.

Приложение Android Camera Parameters демонстрирует все методы из этой главы — вы можете следить за процессом в реальном времени, переключившись в режим Manual в приложении и настраивая ползунки ISO и Shutter.

Главный переключатель: из AUTO в MANUAL

По умолчанию каждый отправляемый вами CaptureRequest выполняется под управлением встроенного в камеру автоконвейера 3A (Auto Exposure, Auto Focus, Auto White Balance). Чтобы перейти в ручной режим, вы должны явно отключить этот конвейер.

Существует два уровня переопределения:

Уровень	Настройка	Что происходит
1. Отключить только AE	`CONTROL_AE_MODE = OFF`	ISO + выдержка становятся ручными; AF и AWB всё еще работают в авторежиме
2. Отключить весь 3A	`CONTROL_MODE = OFF`	Все алгоритмы 3A останавливаются; каждый параметр 3A должен быть установлен вручную

Для надежной ручной экспозиции установите оба значения. Отключение только CONTROL_AE_MODE на некоторых устройствах всё равно оставляет «помогающую» постобработку производителя. Установка CONTROL_MODE = OFF — это самый чистый и предсказуемый путь.

Задержка перехода: когда вы отправляете запрос на захват с ручными настройками, новые значения ISO/выдержки не появятся на следующем кадре. У CMOS-сенсоров есть задержка конвейера — текущий кадр уже экспонируется со старыми настройками. Ожидайте 3–5 кадров перехода, прежде чем значения стабилизируются. Приложение Android Camera Parameters явно ждет CaptureResult, чтобы подтвердить соответствие запрошенных значений примененным, прежде чем сообщить об успешной блокировке.

Ручное управление в API Camera2

SENSOR_SENSITIVITY (ISO)

Camera2 выражает ISO как CaptureRequest.SENSOR_SENSITIVITY — целое число, которое напрямую соответствует арифметической шкале ISO. На большинстве устройств это прямое сопоставление:

ISO фотографа	Значение SENSOR_SENSITIVITY
100	100
400	400
3200	3200
6400	6400

Всегда запрашивайте допустимый диапазон. Не прописывайте значения жестко:

val sensorSensitivityRange = characteristics.get(
    CameraCharacteristics.SENSOR_INFO_SENSITIVITY_RANGE
)
val minIso = sensorSensitivityRange?.lower ?: 100
val maxIso = sensorSensitivityRange?.upper ?: 6400

Некоторые премиальные телефоны сообщают о диапазоне 50–12800, в то время как бюджетные устройства могут ограничить вас диапазоном 100–3200. Значения вне диапазона обрезаются HAL, что сводит на нет смысл ручного управления.

SENSOR_EXPOSURE_TIME (Выдержка в наносекундах)

Вот первая ловушка, в которую попадает каждый новый разработчик Camera2: время выдержки хранится в наносекундах (нс), а не в секундах. Люди думают значениями типа 1/60 с; HAL думает значением 16 666 666 нс.

Конвертация между ними — это простая арифметика:

// Секунды → Наносекунды (умножить на 1 000 000 000)
fun secondsToNs(seconds: Double): Long = (seconds * 1_000_000_000.0).toLong()

// Наносекунды → Секунды для отображения пользователю
fun nsToSeconds(ns: Long): Double = ns.toDouble() / 1_000_000_000.0

// Форматтер для человека (например, "1/60s" или "2.5s")
fun formatShutter(ns: Long): String {
    val seconds = nsToSeconds(ns)
    return when {
        seconds >= 1.0 -> String.format("%.1fs", seconds)
        else -> {
            val fraction = (1.0 / seconds).toInt()
            "1/${fraction}s"
        }
    }
}

Общие преобразования для справки:

Выдержка в привычном виде	Наносекунды (нс)
1/8000 с	125 000
1/1000 с	1 000 000
1/500 с	2 000 000
1/120 с (24fps правило 180°)	8 333 333
1/60 с	16 666 666
1/30 с	33 333 333
1/15 с	66 666 666
1 с	1 000 000 000
2 с	2 000 000 000
10 с	10 000 000 000
30 с	30 000 000 000

И снова, запрашивайте аппаратный диапазон:

val exposureTimeRange = characteristics.get(
    CameraCharacteristics.SENSOR_INFO_EXPOSURE_TIME_RANGE
)
val minShutterNs = exposureTimeRange?.lower ?: 1_000_000L   // порог 1/1000 с
val maxShutterNs = exposureTimeRange?.upper ?: 10_000_000_000L  // потолок 10 с

На устройствах, поддерживающих сверхдлинную выдержку (например, некоторые модели Sony Xperia и Google Pixel), SENSOR_INFO_EXPOSURE_TIME_RANGE.upper может превышать 30 000 000 000 нс (30 с). Соблюдайте этот лимит — запросы сверх максимума молча обрезаются.

⚠️ Критично: ухудшение качества в ручном режиме

Это самое важное предупреждение в главе. Не пропускайте его.

Когда вы устанавливаете CONTROL_MODE = OFF (полное ручное переопределение), вы не просто отключаете алгоритмы AE/AF/AWB — на почти всех устройствах Android вы также отключаете проприетарную вычислительную постобработку производителя, которая обычно работает внутри конвейера 3A.

В частности, исследования и анализ HAL3 показывают, что отключение 3A обычно выключает:

Этап обработки	Режим AUTO	Режим MANUAL (CONTROL_MODE = OFF)
Многокадровое шумоподавление	✓ Активно — чистый вывод	✗ ВЫКЛ — виден сырой шум сенсора
Адаптивная тональная компрессия / HDR	✓ Активно — детали в светах и тенях	✗ ВЫКЛ — только кривая одного кадра
Локальное повышение контраста	✓ Зависит от сцены	✗ Плоская стандартная кривая
Замер по лицам / детекция сцен	✓ Приоритет экспозиции на лица	✗ Игнорируется
Коррекция виньетирования	✓ Калибровано для каждой линзы	✗ Часто снижена или выключена

Результат: фото в ручном режиме при ISO 3200 и 1/15 с будет выглядеть заметно хуже (больше шума, плоский контраст), чем тот же снимок в режиме AUTO с идентичными ISO и выдержкой, выбранными HAL.

Что можно сделать? Два реальных варианта:

Обрабатывать самостоятельно. Раз уж вы отключили обработку производителя, вы можете применить собственные алгоритмы шумоподавления (например, билатеральный фильтр OpenCV, шумоподавитель MediaPipe или кастомную нейросеть) в своем конвейере. Захват RAW (см. следующие главы) + самостоятельная проявка RAW дают максимальный художественный контроль.
Использовать переопределения AE вместо CONTROL_MODE = OFF. Если вам нужно только зафиксировать определенные значения, сохраняя обработку производителя, попробуйте установить CONTROL_AE_MODE = ON, но жестко задать SENSOR_SENSITIVITY и SENSOR_EXPOSURE_TIME для каждого запроса. Поддержка такого смешанного режима зависит от устройства — тщательно тестируйте.

В приложении Android Camera Parameters есть переключатель в панели Manual, который позволяет переключаться между обоими подходами и визуально сравнить разницу в качестве.

Полный пример 1: Фиксированная экспозиция для таймлапса

Классический случай использования ручной экспозиции — таймлапс-съемка. В режиме AUTO камера постоянно подстраивает экспозицию по мере движения облаков или изменения света. В результате видео ужасно мерцает. Фиксация ISO + выдержки устраняет эту проблему.

Цель: ISO 100, 1/60 с (16 666 666 нс) — зафиксировано для каждого кадра.

class TimelapseManualExposure(
    private val characteristics: CameraCharacteristics,
    private val captureSession: CameraCaptureSession,
    private val imageReaderSurface: Surface,
    private val previewSurface: Surface
) {
    companion object {
        private const val TARGET_ISO = 100
        private const val TARGET_SHUTTER_NS = 16_666_666L // 1/60s
    }

    fun captureTimelapseFrame(frameCallback: ImageReader.OnImageAvailableListener) {
        try {
            // ---- ШАГ 1: Проверка допустимости значений для железа ----
            val isoRange = characteristics.get(
                CameraCharacteristics.SENSOR_INFO_SENSITIVITY_RANGE
            )
            val shutterRange = characteristics.get(
                CameraCharacteristics.SENSOR_INFO_EXPOSURE_TIME_RANGE
            )

            val clampedIso = isoRange?.let {
                TARGET_ISO.coerceIn(it.lower, it.upper)
            } ?: TARGET_ISO

            val clampedShutter = shutterRange?.let {
                TARGET_SHUTTER_NS.coerceIn(it.lower, it.upper)
            } ?: TARGET_SHUTTER_NS

            // ---- ШАГ 2: Создание CaptureRequest с ручной экспозицией ----
            val requestBuilder = captureSession.device.createCaptureRequest(
                CameraDevice.TEMPLATE_STILL_CAPTURE
            ).apply {
                addTarget(previewSurface)
                addTarget(imageReaderSurface)

                // --- КЛЮЧЕВЫЕ СТРОКИ: Отключаем 3A и фиксируем значения ---
                set(CaptureRequest.CONTROL_MODE, CameraMetadata.CONTROL_MODE_OFF)
                set(CaptureRequest.CONTROL_AE_MODE, CameraMetadata.CONTROL_AE_MODE_OFF)
                set(CaptureRequest.SENSOR_SENSITIVITY, clampedIso)
                set(CaptureRequest.SENSOR_EXPOSURE_TIME, clampedShutter)

                // Опционально: Фиксируем AWB на Daylight для стабильности цвета
                set(CaptureRequest.CONTROL_AWB_MODE, CameraMetadata.CONTROL_AWB_MODE_DAYLIGHT)

                // Качество JPEG для захвата
                set(CaptureRequest.JPEG_QUALITY, 95)
            }

            // ---- ШАГ 3: Отправка запроса на захват ----
            captureSession.capture(
                requestBuilder.build(),
                object : CameraCaptureSession.CaptureCallback() {
                    override fun onCaptureCompleted(
                        session: CameraCaptureSession,
                        request: CaptureRequest,
                        result: TotalCaptureResult
                    ) {
                        // Проверяем, применил ли HAL наши значения (он может их обрезать!)
                        val appliedIso = result.get(CaptureResult.SENSOR_SENSITIVITY)
                        val appliedShutter = result.get(CaptureResult.SENSOR_EXPOSURE_TIME)
                        Log.d("Timelapse", "Применено: ISO=$appliedIso, Shutter=${formatShutter(appliedShutter!!)}")
                    }
                },
                null // Запуск на Handler текущего потока
            )

        } catch (e: CameraAccessException) {
            Log.e("Timelapse", "Ошибка ручного захвата", e)
        }
    }
}

Ключевые моменты:

Всегда используйте coerceIn() относительно аппаратных диапазонов. Если минимальное ISO бюджетного телефона — 120, ваш запрос на 100 превратится в 120. onCaptureCompleted() подтвердит то, что было применено на самом деле.
Для таймлапса отправляйте этот запрос каждые N секунд (например, каждые 5 с для 300-кратного ускорения при выводе 30 кадров в секунду).
Фиксация CONTROL_AWB_MODE_DAYLIGHT необязательна, но рекомендуется для таймлапсов — иначе баланс белого может немного «гулять» между кадрами даже при фиксированной экспозиции.

Полный пример 2: Длинная выдержка для ночной съемки

Цель: ISO 3200, 2 секунды (2 000 000 000 нс) — плавные шлейфы воды, яркое ночное небо.

Критическое аппаратное требование: устройство должно поддерживать SENSOR_INFO_EXPOSURE_TIME_RANGE.upper >= 2 000 000 000 нс. Многие телефоны среднего класса ограничены значениями от 1/8 с до 1 с.

class NightLongExposure(
    private val characteristics: CameraCharacteristics,
    private val captureSession: CameraCaptureSession,
    private val previewSurface: Surface,
    private val jpegReaderSurface: Surface,
    private val rawReaderSurface: Surface? // Опционально захват RAW
) {
    fun shootLongExposure(onPhotoSaved: (path: String) -> Unit) {
        val shutterNs = 2_000_000_000L  // 2 секунды
        val targetIso = 3200

        // --- Проверяем, способно ли железо на это ---
        val shutterRange = characteristics.get(
            CameraCharacteristics.SENSOR_INFO_EXPOSURE_TIME_RANGE
        )
        if (shutterRange == null || shutterRange.upper < shutterNs) {
            throw UnsupportedOperationException(
                "Устройство не поддерживает выдержку 2с. Максимум = " +
                "${shutterRange?.upper?.let { nsToSeconds(it) } ?: "неизвестно"}с"
            )
        }

        val requestBuilder = captureSession.device.createCaptureRequest(
            CameraDevice.TEMPLATE_STILL_CAPTURE
        ).apply {
            addTarget(previewSurface)
            addTarget(jpegReaderSurface)
            // Если вы ранее настроили OutputConfiguration с поддержкой RAW:
            rawReaderSurface?.let { addTarget(it) }

            // Ручное переопределение экспозиции
            set(CaptureRequest.CONTROL_MODE, CameraMetadata.CONTROL_MODE_OFF)
            set(CaptureRequest.CONTROL_AE_MODE, CameraMetadata.CONTROL_AE_MODE_OFF)
            set(CaptureRequest.SENSOR_SENSITIVITY, targetIso)
            set(CaptureRequest.SENSOR_EXPOSURE_TIME, shutterNs)

            // --- Критично для длинных выдержек ---
            // Отключаем оптическую/цифровую стабилизацию (они конфликтуют при выдержке >1с)
            set(CaptureRequest.LENS_OPTICAL_STABILIZATION_MODE,
                CameraMetadata.LENS_OPTICAL_STABILIZATION_MODE_OFF)
            // Без вспышки для снимков с длинной выдержкой
            set(CaptureRequest.CONTROL_AE_MODE, CameraMetadata.CONTROL_AE_MODE_OFF)
        }

        captureSession.capture(
            requestBuilder.build(),
            object : CameraCaptureSession.CaptureCallback() {
                override fun onCaptureStarted(
                    session: CameraCaptureSession,
                    request: CaptureRequest,
                    timestamp: Long
                ) {
                    super.onCaptureStarted(session, request, timestamp)
                    // Уведомление UI: "Экспозиция началась — держитесь неподвижно 2 секунды"
                    Log.d("LongExposure", "Экспозиция началась @ $timestamp")
                }

                override fun onCaptureCompleted(
                    session: CameraCaptureSession,
                    request: CaptureRequest,
                    result: TotalCaptureResult
                ) {
                    // OnImageAvailableListener в ImageReader сработает отдельно для сохранения JPEG
                    Log.d("LongExposure", "Захват с длинной выдержкой завершен")
                }
            },
            null
        )
    }
}

Советы по длинной выдержке:

Выключайте OIS. Оптическая стабилизация в большинстве объективов пытается компенсировать дрожание камеры во время экспозиции. При выдержках более 0,5 с приводы OIS могут перенасыщаться и вызывать видимый дрейф. Отключите ее и используйте штатив.
Ожидайте «замирания». Камера не будет выдавать кадры предпросмотра, пока идет 2-секундная экспозиция. Ваш интерфейс должен показывать явный индикатор «ИДЕТ ЭКСПОНИРОВАНИЕ…».
RAW лучше. Высокое ISO (3200) + длинная выдержка создают тепловой шум (сенсор нагревается). Сохраните кадр в RAW и используйте настольный проявитель RAW с усреднением кадров — или реализуйте собственную длинную выдержку, усредняя 8 кадров по 0,25 с вместо одного кадра в 2 с (это резко снижает тепловой шум).

Полный пример 3: Брекетинг экспозиции из 3 кадров

Цель: одно и то же ISO, 3 разные выдержки: −1 EV, 0 EV, +1 EV. Пользователь позже объединит их в HDR-фото.

Из главы 13 мы знаем, что каждый шаг EV удваивает или уменьшает свет вдвое. При фиксированном ISO каждый шаг EV — это умножение или деление выдержки на 2.

class ExposureBracketing(
    private val characteristics: CameraCharacteristics,
    private val captureSession: CameraCaptureSession,
    private val previewSurface: Surface,
    private val jpegReaderSurface: Surface
) {
    data class BracketFrame(
        val label: String,
        val evShift: Double,  // -1.0, 0.0, +1.0
        val shutterNs: Long,
        val iso: Int
    )

    fun captureBracketSeries(baseIso: Int, baseShutterNs: Long) {
        val isoRange = characteristics.get(
            CameraCharacteristics.SENSOR_INFO_SENSITIVITY_RANGE
        )
        val shutterRange = characteristics.get(
            CameraCharacteristics.SENSOR_INFO_EXPOSURE_TIME_RANGE
        )

        // Планирование серии: умножаем выдержку на 2^(evStep)
        val frames = listOf(-1.0, 0.0, +1.0).map { ev ->
            val multiplier = Math.pow(2.0, ev)
            val rawShutter = (baseShutterNs.toDouble() * multiplier).toLong()
            val clampedShutter = shutterRange?.let {
                rawShutter.coerceIn(it.lower, it.upper)
            } ?: rawShutter
            val clampedIso = isoRange?.let {
                baseIso.coerceIn(it.lower, it.upper)
            } ?: baseIso
            BracketFrame("EV${if (ev > 0) "+" else ""}${ev.toInt()}", ev, clampedShutter, clampedIso)
        }

        Log.d("Bracket", "План: ${frames.map { "${it.label} ISO${it.iso} ${formatShutter(it.shutterNs)}" }}")

        // Отправляем каждый кадр как серию (burst) для атомарности
        val requestList = frames.map { frame ->
            captureSession.device.createCaptureRequest(
                CameraDevice.TEMPLATE_STILL_CAPTURE
            ).apply {
                addTarget(previewSurface)
                addTarget(jpegReaderSurface)

                set(CaptureRequest.CONTROL_MODE, CameraMetadata.CONTROL_MODE_OFF)
                set(CaptureRequest.CONTROL_AE_MODE, CameraMetadata.CONTROL_AE_MODE_OFF)
                set(CaptureRequest.SENSOR_SENSITIVITY, frame.iso)
                set(CaptureRequest.SENSOR_EXPOSURE_TIME, frame.shutterNs)

                // Помечаем каждый запрос тегом, чтобы различать кадры в обратном вызове
                setTag(frame.label)
            }.build()
        }

        captureSession.captureBurst(
            requestList,
            object : CameraCaptureSession.CaptureCallback() {
                override fun onCaptureCompleted(
                    session: CameraCaptureSession,
                    request: CaptureRequest,
                    result: TotalCaptureResult
                ) {
                    val tag = request.tag as? String ?: "?"
                    Log.d("Bracket", "$tag завершен — готов к HDR слиянию")
                }
            },
            null
        )
    }
}

Почему captureBurst() вместо трех отдельных вызовов capture()? captureBurst() отправляет весь список атомарно. HAL гарантирует, что никакие другие кадры предпросмотра не вклинятся между ними, а состояние фокуса и баланса белого не изменится между кадрами.

Хотите 5 или 7 кадров? Просто измените список listOf(-2.0, -1.0, 0.0, +1.0, +2.0) — математика масштабируется. Многие профессиональные HDR-приложения снимают серию из 9 кадров для сцен с экстремальным динамическим диапазоном.

Этап слияния: как только у вас будут три JPEG (или RAW) кадра, вы можете объединить их, используя:

Встроенный в Android конвейер HDR через CameraExtensionSession (см. главу об HDR).
Стороннюю библиотеку, например createMergeDebevec() / createMergeRobertson() из OpenCV для истинного объединения экспозиций.
Библиотеку Google Photo Sphere HDR.

Устранение распространенных ошибок

Проблема	Вероятная причина	Исправление
Ручные значения игнорируются, всё выглядит как авто	`CONTROL_MODE` не установлен в OFF, или значения обрезаны	Установите и CONTROL_MODE, и CONTROL_AE_MODE в OFF; проверьте примененные значения в `onCaptureCompleted()`
Запрос на длинную выдержку 2с сразу выдает ошибку	Устройство не может делать выдержку 2с	Проверьте `SENSOR_INFO_EXPOSURE_TIME_RANGE.upper`; уменьшите время или поднимите ISO
Предпросмотр заикается или лагает при переключении в ручной режим	Слишком много вызовов `setRepeatingRequest()`	Используйте ограничение частоты (throttle) для слушателя слайдера (каждые 30–50 мс); обновляйте только повторяющийся запрос
Фото с длинной выдержкой полностью черное при ISO 100 2с	Сцене нужно больше света при ISO 100	Поднимите ISO или увеличьте выдержку; 2с при ISO 100 — это база EV 0, а не «ночная яркость»
Ручные снимки шумнее автоматических при том же ISO	Шумоподавление производителя отключено через CONTROL_MODE = OFF	Это ожидаемое поведение! См. раздел «Ухудшение качества в ручном режиме». Обрабатывайте сами или используйте блокировку AE_LOCK

Резюме

Теперь у вас есть инструменты, чтобы полностью забрать управление экспозицией у Camera2 HAL:

Отключайте конвейер 3A с помощью CONTROL_MODE = OFF + CONTROL_AE_MODE = OFF для полного ручного контроля.
Сопоставляйте ISO с SENSOR_SENSITIVITY (прямое сопоставление на большинстве устройств; всегда запрашивайте диапазон).
Сопоставляйте секунды с наносекундами для SENSOR_EXPOSURE_TIME простым умножением на 10⁹.
Блокировка таймлапса: фиксированное ISO 100 + 1/60 с для каждого кадра = отсутствие мерцания.
Ночная длинная выдержка: ISO 3200 + 2 с с отключенным OIS = яркая плавная ночная сцена (на поддерживаемом железе).
Брекетинг экспозиции: одно и то же ISO, выдержка ×0,5 / ×1 / ×2 через captureBurst() = готовый вход для HDR-слияния.
⚠️ Компромисс качества: отключение 3A отключает шумоподавление и тональное отображение производителя — ручные фото часто выглядят хуже, чем автоматические при том же ISO. Планируйте постобработку.

Что дальше

Экспозиция управляет яркостью. Фокусировка управляет резкостью. В главе 15: Фокусировка мы разберем:

Состояния и режимы автофокуса (AF) — как работает пассивное сканирование, разница между режимами для фото и видео.
Ручную фокусировку с помощью LENS_FOCUS_DISTANCE в диоптриях (0.0 = бесконечность, 10D = 0,1 м).
Код на Kotlin для последовательности запуска AF и захвата, а также слайдер SeekBar для ручной фокусировки.
Конечный автомат AF — когда на самом деле срабатывает CONTROL_AF_STATE_FOCUSED_LOCKED и как его дождаться.

Размытие прекращается здесь.

Главный переключатель: из AUTO в MANUAL​

Ручное управление в API Camera2​

SENSOR_SENSITIVITY (ISO)​

SENSOR_EXPOSURE_TIME (Выдержка в наносекундах)​

⚠️ Критично: ухудшение качества в ручном режиме​

Полный пример 1: Фиксированная экспозиция для таймлапса​

Полный пример 2: Длинная выдержка для ночной съемки​

Полный пример 3: Брекетинг экспозиции из 3 кадров​

Устранение распространенных ошибок​

Резюме​

Что дальше​