工業(yè)相機(jī)之全局曝光與卷簾曝光

什么是快門

全局曝光和卷簾曝光是常見的相機(jī)曝光方式。一般來說，CCD相機(jī)是全局曝光，而CMOS相機(jī)則存在卷簾曝光。那么，這兩種方式孰優(yōu)孰劣呢？或者說，他們兩者的差別在哪里呢？那么，先從兩者的定義說起。

快門是照相機(jī)用來控制感光片有效曝光時(shí)長的組件，是照相機(jī)的重要組成部分，快門的結(jié)構(gòu)/形式及功能是決定照相機(jī)檔次的一個(gè)重要因素。通常來說，快門的時(shí)間范圍越大越好。秒數(shù)低的適合拍攝運(yùn)動(dòng)的物體。當(dāng)我們拍攝夜晚的車水馬龍，燈繪光繪的時(shí)候，快門時(shí)間就要拉長。同理，照片中常見的絲綢般的流水也是選擇慢速快門才能夠拍攝出來。

卷簾快門與全局快門

卷簾快門，通常用于CMOS傳感器逐行曝光的方式實(shí)現(xiàn)的。在曝光開始的時(shí)候，傳感器逐行掃描逐行進(jìn)行曝光，直至所有像素點(diǎn)都被曝光。所有的動(dòng)作都在極短的時(shí)間內(nèi)完成。不同行像元的曝光時(shí)間不同。

全局快門通過整幅場景在同一時(shí)間曝光實(shí)現(xiàn)的。傳感器（Sensor）所有像素點(diǎn)同時(shí)收集光線，同時(shí)曝光。在曝光開始的時(shí)候，傳感器開始收集光線。在曝光結(jié)束的時(shí)候，光線收集電路被切斷。然后傳感器讀出為一幅照片。CCD就是使用全局快門工作方式，所有像元同時(shí)曝光。

對(duì)于相機(jī)廠家來說，卷簾快門可以達(dá)到更高的幀速，但當(dāng)曝光錯(cuò)誤或物體移動(dòng)較快時(shí)，卷簾快門記錄到的和我們?nèi)搜鬯吹降木陀兴睢?/p>

一般來說，CCD傳感器多用全局快門，CMOS傳感器多用卷簾快門。廠商為傳感器選擇某一種快門速度需要考慮多種因素，如：處理速度，電池消耗，制造成本及整體復(fù)雜性等問題。所以說，對(duì)于靜態(tài)拍照來說不是問題，但是在拍攝視頻時(shí)選擇哪一種快門就很重要了，特別是拍高速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)。

為何會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象

對(duì)于多數(shù)相機(jī)來說，快門的“卷簾”速度是1/30秒，大部分物體的運(yùn)動(dòng)變化不是很明顯。但當(dāng)我們拍攝高速運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，如飛機(jī)的螺旋槳，“拍攝效果”會(huì)非常的明顯。

但拍攝高速物體并不是唯一會(huì)出現(xiàn)的問題。但我們坐在高速行駛的汽車中，通過窗戶對(duì)外拍攝，也會(huì)出現(xiàn)卷簾快門效果。下面我們就模擬了一塊10??10傳感器的效果。

這也就解釋了，我們坐在高鐵上拍攝外面的樹為什么會(huì)有一點(diǎn)斜。

有趣的效果

其實(shí)卷簾快門并不是一種“缺點(diǎn)”。雖然大多數(shù)情況下我們并不希望看到“卷簾效應(yīng)”，不過我們還是可以利用它拍攝到一些有趣的畫面。

全局曝光

全局曝光的方式比較簡單。也就是說光圈打開后，整個(gè)圖像芯片同時(shí)曝光。因此，曝光時(shí)間與機(jī)械的開關(guān)速度有關(guān)。既然與機(jī)械運(yùn)動(dòng)相關(guān)，所以，存在理論上的最小曝光時(shí)間

優(yōu)點(diǎn)：所有像素點(diǎn)同時(shí)曝光

缺點(diǎn)：曝光時(shí)間存在局限，存在機(jī)械極限的最小曝光時(shí)間

卷簾曝光

顧名思義，卷簾曝光的方式可能與卷簾的概念相關(guān)。此種曝光方式是當(dāng)光圈打開后，還存在具有一定間隔的卷簾來控制傳感器的曝光時(shí)間。注意，如下圖所示，卷簾的方式是從左到右的。因此，曝光時(shí)間的長短完全取決于卷簾的開口大小與卷簾的運(yùn)動(dòng)速度。也就是說，卷簾運(yùn)動(dòng)得越快，卷簾間距越小，其傳感器的曝光時(shí)間越小。因此，卷簾曝光方式能夠具有更小的曝光時(shí)間。

其卷簾運(yùn)動(dòng)的方式由下圖所示：卷簾在運(yùn)動(dòng)時(shí)，其卷簾開口的傳感器來能接受光。

卷簾移動(dòng)過程中的某個(gè)位置

卷簾在移動(dòng)過程中的后一個(gè)位置

優(yōu)點(diǎn)：具有更小的曝光時(shí)間

缺點(diǎn)：逐行曝光，存在拖影，不適合拍攝運(yùn)動(dòng)物體

拖影分析

專業(yè)描述：拖影是在曝光的時(shí)候，拍攝目標(biāo)與攝像系統(tǒng)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的，因?yàn)檫@種 相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致芯片上形成的圖像一直在變化，各個(gè)部位的像元在曝光的過程中受到來自物體不同位置成像的影響，最終形成的圖片是一個(gè)連續(xù)變化圖像空間內(nèi)圖片的疊加。

關(guān)于曝光時(shí)間的問題，其實(shí)就是相機(jī)采集圖像過程包括的兩個(gè)部分，第一部分是曝光(exposure)，第二部分是曝光完成后，從傳感器的寄存器中讀出數(shù)據(jù)并傳送出去(Readout)。當(dāng)相機(jī)正在1號(hào)點(diǎn)位置拍攝快速運(yùn)動(dòng)物體A時(shí)，如果相機(jī)的曝光時(shí)間過長（即采集1號(hào)點(diǎn)圖像的時(shí)間過長），此時(shí)物體A卻已發(fā)生了位移，因此采集所得圖像并非完全是1號(hào)點(diǎn)處的圖像，此時(shí)采集到的圖像是在運(yùn)動(dòng)過程中采集得到(稍稍偏離1號(hào)點(diǎn)圖像與1號(hào)點(diǎn)圖像的疊加)，由此產(chǎn)生拖影。

曝光時(shí)間越長，拍攝速度越慢，但是曝光時(shí)間越短，進(jìn)光量就會(huì)變少，此時(shí)則需調(diào)大光圈，增加光照，才能保證圖像的亮度。所以，對(duì)于拍攝運(yùn)動(dòng)物體，曝光時(shí)間需設(shè)置合理，不能因圖像亮度效果需要就盲目將曝光時(shí)間設(shè)置過大，否則容易產(chǎn)生拖影，對(duì)于由曝光時(shí)間小而產(chǎn)生的圖像亮度不佳，此時(shí)應(yīng)通過調(diào)大光圈和增加光照來進(jìn)行調(diào)整。

逐行曝光

?圖1 逐行曝光模式

逐行曝光sensor 實(shí)現(xiàn)如圖1逐行曝光模式所示。與全局曝光不同，逐行曝光從第一行開始曝光，一個(gè)行周期之后第二行才開始曝光。依次類推，經(jīng)過N-1 行后第N 行開始曝光。第一行曝光結(jié)束后開始讀出數(shù)據(jù)，讀出一行需要一行周期時(shí)間（含行消隱時(shí)間）。至第一行完全讀出后，第二行剛好開始讀出，依次類推，當(dāng)?shù)贜-1 行讀完后，第N 行開始讀出，直到整幅圖像完全讀出。逐行曝光的sensor 技術(shù)難度較全局曝光sensor 低，價(jià)格便宜，且分辨率較大，對(duì)于一些靜態(tài)圖像拍攝是不錯(cuò)的選擇。

全局曝光

圖2?全局曝光模式

全局曝光 sensor實(shí)現(xiàn)如圖2所示， Sensor的所有行同時(shí)開始曝光，并同時(shí)結(jié)束曝光，在曝光結(jié)束后，Sensor將所有電子從感光區(qū)轉(zhuǎn)到存儲(chǔ)區(qū)，之后逐行地讀出像素?cái)?shù)據(jù)。這樣曝光的好處是獲得圖像每一行的曝光時(shí)間比較一致，并且在拍攝運(yùn)動(dòng)物體時(shí)圖像不會(huì)出現(xiàn)偏移和歪斜。

注：電子快門曝光時(shí)間的變化，僅僅改變了CCD光敏像元對(duì)外來光的感應(yīng)時(shí)間，并不會(huì)改變CCD內(nèi)在的視頻讀出周期。