摄像机全局快门与果冻效应

摄像机全局快门与果冻效应2015-03-1103BTE随着技术的不断发展，CMOS成像器件越来越多的应用于我们的摄像机中，而CMOS摄像机大多数采用了卷帘式电子快门，在95%的时间里，快门类型对拍摄视频并没有什么影响，但是另外5%的时间中它的影响却非常大。本文我们就来了解一下什么是卷帘快门，以及它如何影响我们的拍摄。卷帘快门和全局快门卷帘快门，通常用于CMOS传感器。使用这种快门，传感器在曝光时并不是所有像素同时感光的，而是每行像素按照顺序依次感光。全局快门的工作方式就像我们通常想象的那样，所有像素同时感光，在任意一个时间点，所有像素都接受相同的光量。想象一下有一道光从传感器上上方以一定速度运动到下方，滑过整个传感器。因此在任意一个时间点时，传感器上部和下部感受的光量是不同的。下面是卷帘快门和全局快门工作过程的示意图：一般来说，CCD传感器多用全局快门，CMOS传感器多用卷帘快门。制造商为传感器选择某一种快门需要考虑多种因素：处理速度、电耗、成本以及复杂性等等。对拍静态照片来说这并不是问题，但在拍摄视频时选择哪一种快门就变得很重要了，特别是在拍摄高速运动的物体时。用全局快门方式拍摄高速运动物体，假如曝光时间过长，照片会产生像糊现象。而用卷帘快门方式拍摄，逐行扫描速度不够(比运动物体速度慢)，拍摄结果就可能出现“倾斜”、“摇摆不定”或“部分曝光”等任一种情况。这种卷帘快门方式拍摄出现的现象，就定义为果冻效应(会产生像果冻一样的形变)下图是不同摄像机拍摄的效果，可以直观的比较出其效果果冻效应会在画面瞬间的“亮、暗”（类似闪光灯）切换时残留下明显的“亮、暗”区域的界限快速横移：横平竖直的画面变得歪斜快速旋转变形下面这段视频是用卷帘快门拍摄飞机螺旋桨的画面：下面是对这种现象的解释：何时会出现这种现象？对多数相机来说，快门的“卷帘”速度是1/30秒，大部分运动物体的变化都不是很明显。但是如果你拍摄的是高速运动的物体，比如飞机螺旋桨，这种效果就会非常明显。但拍摄高速物体并不是唯一会出问题的情况，想象一下你坐在高速行驶的汽车中，透过窗户对外拍摄照片，比如一个人，此时也会出现卷帘快门效果。下面有一个简单的示意图，模拟了一块10×10传感器在这种情况下会出现的情况：为何CMOS不做成全局快门CMOS实现全局快门的唯一方式就是在每个像素边加一个“电荷存储器”，通俗得说就是把电荷存储起来，然后“集体”控制曝光时间。电荷存储器是没有办法感光的，但又必须占用每个像素的“光敏二极管”的有效面积。这样一来，像素的实际感光的光敏二极管就小得多了。这就导致CMOS的灵敏度大幅度降低（不是降一点，而是大幅度降低）另一个问题，全局快门后，电菏的存储位置变了，以前滚动快门的时候，存储在最不易受电流干扰的区域，现在必须存储于相对敏感区域，这样特别容易受暗电流的干扰，始终受光线照射的CMOS，它是不可能完全靠电子快门去切断真正的光通路的（完全清零），总会有残留的暗电流，这个东西受干扰后会放大噪声，CMOS的灵敏度同样会大幅度降低。所以基于以上技术难点，“全域电子快门”在CMOS中（尤其在电影摄影机、相机中），技术上非常难搞！搞成“全局”不难，但要维持类似“滚动”那样的灵敏度和动态范围是极其困难的。并不全是坏事在本文结束前，我们并不希望你认为卷帘快门一无是处。尽管多数情况下这种效果不受欢迎，不过利用它也能拍到一些很有趣的画面。比如下面这段用iPhone从吉他内部拍摄的视频：