工業相機之卷簾快門與全局快門的區別

什么是快門

全局曝光和卷簾曝光是常見的相機曝光方式。一般來說，CCD相機是全局曝光，而CMOS相機則存在卷簾曝光。那么，這兩種方式孰優孰劣呢？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。

快門是照相機用來控制感光片有效曝光時長的組件，是照相機的重要組成部分，快門的結構/形式及功能是決定照相機檔次的一個重要因素。通常來說，快門的時間范圍越大越好。秒數低的適合拍攝運動的物體。當我們拍攝夜晚的車水馬龍，燈繪光繪的時候，快門時間就要拉長。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現的。在曝光開始的時候，傳感器逐行掃描逐行進行曝光，直至所有像素點都被曝光。所有的動作都在極短的時間內完成。不同行像元的曝光時間不同。

全局快門通過整幅場景在同一時間曝光實現的。傳感器（Sensor）所有像素點同時收集光線，同時曝光。在曝光開始的時候，傳感器開始收集光線。在曝光結束的時候，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，所有像元同時曝光。

對于相機廠家來說，卷簾快門可以達到更高的幀速，但當曝光錯誤或物體移動較快時，卷簾快門記錄到的和我們人眼所看到的就有所偏差。

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，制造成本及整體復雜性等問題。所以說，對于靜態拍照來說不是問題，但是在拍攝視頻時選擇哪一種快門就很重要了，特別是拍高速運動的物體時。

為何會出現這種現象

對于多數相機來說，快門的“卷簾”速度是1/30秒，大部分物體的運動變化不是很明顯。但當我們拍攝高速運動物體時，如飛機的螺旋槳，“拍攝效果”會非常的明顯。

但拍攝高速物體并不是唯一會出現的問題。但我們坐在高速行駛的汽車中，通過窗戶對外拍攝，也會出現卷簾快門效果。下面我們就模擬了一塊1010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有一點斜。

有趣的效果

其實卷簾快門并不是一種“缺點”。雖然大多數情況下我們并不希望看到“卷簾效應”，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，整個圖像芯片同時曝光。因此，曝光時間與機械的開關速度有關。既然與機械運動相關，所以，存在理論上的最小曝光時間

優點：所有像素點同時曝光

缺點：曝光時間存在局限，存在機械極限的最小曝光時間

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。此種曝光方式是當光圈打開后，還存在具有一定間隔的卷簾來控制傳感器的曝光時間。注意，如下圖所示，卷簾的方式是從左到右的。因此，曝光時間的長短完全取決于卷簾的開口大小與卷簾的運動速度。也就是說，卷簾運動得越快，卷簾間距越小，其傳感器的曝光時間越小。因此，卷簾曝光方式能夠具有更小的曝光時間。

其卷簾運動的方式由下圖所示：卷簾在運動時，其卷簾開口的傳感器來能接受光。

卷簾移動過程中的某個位置

卷簾在移動過程中的后一個位置

優點：具有更小的曝光時間

缺點：逐行曝光，存在拖影，不適合拍攝運動物體

拖影分析

專業描述：拖影是在曝光的時候，拍攝目標與攝像系統之間存在相對運動形成的，因為這種 相對運動導致芯片上形成的圖像一直在變化，各個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連續變化圖像空間內圖片的疊加。

關于曝光時間的問題，其實就是相機采集圖像過程包括的兩個部分，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據并傳送出去(Readout)。當相機正在1號點位置拍攝快速運動物體A時，如果相機的曝光時間過長（即采集1號點圖像的時間過長），此時物體A卻已發生了位移，因此采集所得圖像并非完全是1號點處的圖像，此時采集到的圖像是在運動過程中采集得到(稍稍偏離1號點圖像與1號點圖像的疊加)，由此產生拖影。

曝光時間越長，拍攝速度越慢，但是曝光時間越短，進光量就會變少，此時則需調大光圈，增加光照，才能保證圖像的亮度。所以，對于拍攝運動物體，曝光時間需設置合理，不能因圖像亮度效果需要就盲目將曝光時間設置過大，否則容易產生拖影，對于由曝光時間小而產生的圖像亮度不佳，此時應通過調大光圈和增加光照來進行調整。

逐行曝光

圖1 逐行曝光模式

逐行曝光sensor 實現如圖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，一個行周期之后第二行才開始曝光。依次類推，經過N-1 行后第N 行開始曝光。第一行曝光結束后開始讀出數據，讀出一行需要一行周期時間（含行消隱時間）。至第一行完全讀出后，第二行剛好開始讀出，依次類推，當第N-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 技術難度較全局曝光sensor 低，價格便宜，且分辨率較大，對于一些靜態圖像拍攝是不錯的選擇。

全局曝光

圖2?全局曝光模式

全局曝光 sensor實現如圖2所示， Sensor的所有行同時開始曝光，并同時結束曝光，在曝光結束后，Sensor將所有電子從感光區轉到存儲區，之后逐行地讀出像素數據。這樣曝光的好處是獲得圖像每一行的曝光時間比較一致，并且在拍攝運動物體時圖像不會出現偏移和歪斜。

注：電子快門曝光時間的變化，僅僅改變了CCD光敏像元對外來光的感應時間，并不會改變CCD內在的視頻讀出周期。

編輯：黃飛

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