工業相機之全局曝光與卷簾曝光

曝光方式包括兩種:

  1. 全局曝光(global shutter)
  2. 卷簾曝光(rolling shutter)

CCD相機都是全局曝光,CMOS相機既有全局曝光也有卷簾曝光

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  • 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

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  • 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

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卷簾在移動過程中的后一個位置

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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

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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。

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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。

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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。

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