工业相机之全局曝光与卷帘曝光

曝光方式包括两种:

  1. 全局曝光(global shutter)
  2. 卷帘曝光(rolling shutter)

CCD相机都是全局曝光,CMOS相机既有全局曝光也有卷帘曝光

 

  • 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。

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