首先来看一下什么叫快门:
快门是照相机用来控制感光元件有效曝光时间的装置。可以理解为光线要想打到相机传感器上必经的一道门。如果快门关着,那么光线进不去,感光元件就无法曝光;门开了,光线进来了,感光元件开始曝光,开始成像。
从结构上来划分,快门可以分为机械快门和电子快门。
机械快门在单反上用的比较多,就是挡在感光元件前面的幕帘。如下图所示
与机械快门相对的是电子快门,也称电磁式快门。电子快门实际上并没有需要通过机械动作来开关的“门”,而是利用了传感器感光系统不通电不工作的原理,在传感器不通电的情况下,尽管像场窗口仍然“大敞开”,但是并不能产生图像。只有在按下快门钮时,使用电子时间电路使传感器通电工作,在指定的时间长度内,产生“瞬间打开”的效果。
以前的数码单反相机,几乎都只有机械快门,没有电子快门。而手机和车载领域用的基本都是电子快门。本文的重点也是讲解电子快门。
与机械快门不同,电子快门是通过对感光元件通电与否来控制曝光。感光元件一通电就开始曝光,一下电就结束曝光。常见的感光元件有两种:CCD和CMOS
感光元件示意图如下:
这个图主要是说感光元件是由一行一行的感光单元组成的。比如一个1080分辨率的感觉元件,它的感光单元的排布就是19201080,即有1080行,每行1920个感光单元。.
现在开始讲感光元件的曝光方式,主要有两种。还是以1080分辨率为例,如果19201080(2073600)个感光单元同时同时上电曝光,也就是2073600个感光单元同时曝光,就叫Global Shutter全局曝光。如果是一行一行的开始曝光,比如1080行挨行开始曝光,可能每行开始曝光的时间都不一样,就叫作Rolling Shutter卷帘快门。
下面对这两种曝光形式进行详细讲解
Global Shutter
全局曝光是通过整幅场景在同一时间曝光实现的。Sensor所有像素点同时收集光线,同时曝光。即在曝光开始的时候,Sensor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Sensor值读出即为一幅照片。CCD就是Global shutter工作方式。所有感光单元同时曝光。
Global Shutter整幅图像在同一时间点拍摄,这在拍摄快速移动的物体的时候非常有用。
虽然这种快门模式在图像上没有时间差,但 CCD 在图像采集速度和帧率方面存在先天劣势,因为传感器只有一个模数转换器 (ADC) ,Global Shutter的最终速度受到单个像素可以传输和数字化的速率的限制。传感器上要传输的像素越多,帧率就越慢,即使可以一次捕获整个帧。
Rolling Shutter
CMOS 传感器为每列像素配备一个 ADC,从而显著缩短转换时间,使 CMOS 相机能够有更快的速度。
为了进一步最大化速度和帧率,传感器上的每一行像素在完成前一帧的读出后开始下一帧的曝光。这就是Rolling Shutter,它使 CMOS 相机的速度非常快,但每行图像之间的时间有小的延迟,使得图像帧之间有重叠曝光。
由于Rolling Shutter每行曝光的曝光起始时间不一样,拍摄移动物体会导致变形,会有明显的拖拽,因此不适合拍摄移动物体
rolling shutter | global shutter |
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像素点一行一行曝光 ,像素通常更高 | 所有像素点同时曝光 |
适合拍摄静止和慢速移动物体 | 适合拍摄高速物体 |
拍摄高速移动物体会有畸变 | 没有畸变 |