工业相机之全局曝光与卷帘曝光

什么是快门

全局曝光和卷帘曝光是常见的相机曝光方式。一般来说，CCD相机是全局曝光，而CMOS相机则存在卷帘曝光。那么，这两种方式孰优孰劣呢？或者说，他们两者的差别在哪里呢？那么，先从两者的定义说起。

快门是照相机用来控制感光片有效曝光时长的组件，是照相机的重要组成部分，快门的结构/形式及功能是决定照相机档次的一个重要因素。通常来说，快门的时间范围越大越好。秒数低的适合拍摄运动的物体。当我们拍摄夜晚的车水马龙，灯绘光绘的时候，快门时间就要拉长。同理，照片中常见的丝绸般的流水也是选择慢速快门才能够拍摄出来。

卷帘快门与全局快门

卷帘快门，通常用于CMOS传感器逐行曝光的方式实现的。在曝光开始的时候，传感器逐行扫描逐行进行曝光，直至所有像素点都被曝光。所有的动作都在极短的时间内完成。不同行像元的曝光时间不同。

全局快门通过整幅场景在同一时间曝光实现的。传感器（Sensor）所有像素点同时收集光线，同时曝光。在曝光开始的时候，传感器开始收集光线。在曝光结束的时候，光线收集电路被切断。然后传感器读出为一幅照片。CCD就是使用全局快门工作方式，所有像元同时曝光。

对于相机厂家来说，卷帘快门可以达到更高的帧速，但当曝光错误或物体移动较快时，卷帘快门记录到的和我们人眼所看到的就有所偏差。

一般来说，CCD传感器多用全局快门，CMOS传感器多用卷帘快门。厂商为传感器选择某一种快门速度需要考虑多种因素，如：处理速度，电池消耗，制造成本及整体复杂性等问题。所以说，对于静态拍照来说不是问题，但是在拍摄视频时选择哪一种快门就很重要了，特别是拍高速运动的物体时。

为何会出现这种现象

对于多数相机来说，快门的“卷帘”速度是1/30秒，大部分物体的运动变化不是很明显。但当我们拍摄高速运动物体时，如飞机的螺旋桨，“拍摄效果”会非常的明显。

但拍摄高速物体并不是唯一会出现的问题。但我们坐在高速行驶的汽车中，通过窗户对外拍摄，也会出现卷帘快门效果。下面我们就模拟了一块10✖️10传感器的效果。

这也就解释了，我们坐在高铁上拍摄外面的树为什么会有一点斜。

有趣的效果

其实卷帘快门并不是一种“缺点”。虽然大多数情况下我们并不希望看到“卷帘效应”，不过我们还是可以利用它拍摄到一些有趣的画面。

全局曝光

全局曝光的方式比较简单。也就是说光圈打开后，整个图像芯片同时曝光。因此，曝光时间与机械的开关速度有关。既然与机械运动相关，所以，存在理论上的最小曝光时间

优点：所有像素点同时曝光

缺点：曝光时间存在局限，存在机械极限的最小曝光时间

卷帘曝光

顾名思义，卷帘曝光的方式可能与卷帘的概念相关。此种曝光方式是当光圈打开后，还存在具有一定间隔的卷帘来控制传感器的曝光时间。注意，如下图所示，卷帘的方式是从左到右的。因此，曝光时间的长短完全取决于卷帘的开口大小与卷帘的运动速度。也就是说，卷帘运动得越快，卷帘间距越小，其传感器的曝光时间越小。因此，卷帘曝光方式能够具有更小的曝光时间。

其卷帘运动的方式由下图所示：卷帘在运动时，其卷帘开口的传感器来能接受光。

卷帘移动过程中的某个位置

卷帘在移动过程中的后一个位置

优点：具有更小的曝光时间

缺点：逐行曝光，存在拖影，不适合拍摄运动物体

拖影分析

专业描述：拖影是在曝光的时候，拍摄目标与摄像系统之间存在相对运动形成的，因为这种 相对运动导致芯片上形成的图像一直在变化，各个部位的像元在曝光的过程中受到来自物体不同位置成像的影响，最终形成的图片是一个连续变化图像空间内图片的叠加。

关于曝光时间的问题，其实就是相机采集图像过程包括的两个部分，第一部分是曝光(exposure)，第二部分是曝光完成后，从传感器的寄存器中读出数据并传送出去(Readout)。当相机正在1号点位置拍摄快速运动物体A时，如果相机的曝光时间过长（即采集1号点图像的时间过长），此时物体A却已发生了位移，因此采集所得图像并非完全是1号点处的图像，此时采集到的图像是在运动过程中采集得到(稍稍偏离1号点图像与1号点图像的叠加)，由此产生拖影。

曝光时间越长，拍摄速度越慢，但是曝光时间越短，进光量就会变少，此时则需调大光圈，增加光照，才能保证图像的亮度。所以，对于拍摄运动物体，曝光时间需设置合理，不能因图像亮度效果需要就盲目将曝光时间设置过大，否则容易产生拖影，对于由曝光时间小而产生的图像亮度不佳，此时应通过调大光圈和增加光照来进行调整。

逐行曝光

 图1 逐行曝光模式

逐行曝光sensor 实现如图1逐行曝光模式所示。与全局曝光不同，逐行曝光从第一行开始曝光，一个行周期之后第二行才开始曝光。依次类推，经过N-1 行后第N 行开始曝光。第一行曝光结束后开始读出数据，读出一行需要一行周期时间（含行消隐时间）。至第一行完全读出后，第二行刚好开始读出，依次类推，当第N-1 行读完后，第N 行开始读出，直到整幅图像完全读出。逐行曝光的sensor 技术难度较全局曝光sensor 低，价格便宜，且分辨率较大，对于一些静态图像拍摄是不错的选择。

全局曝光

图2 全局曝光模式

全局曝光 sensor实现如图2所示， Sensor的所有行同时开始曝光，并同时结束曝光，在曝光结束后，Sensor将所有电子从感光区转到存储区，之后逐行地读出像素数据。这样曝光的好处是获得图像每一行的曝光时间比较一致，并且在拍摄运动物体时图像不会出现偏移和歪斜。

注：电子快门曝光时间的变化，仅仅改变了CCD光敏像元对外来光的感应时间，并不会改变CCD内在的视频读出周期。