工业相机之全局曝光与卷帘曝光

曝光简介

曝光是相机中用来控制感光元件接收光线时长的重要过程，其结构和功能对相机的性能和档次有着直接的影响。通常，曝光的时间范围越大，相机的适应性越好。在拍摄快速运动的物体时，需要使用较短的曝光时间，而在拍摄夜景或进行光绘时，则需要使用较长的曝光时间。

全局曝光与卷帘曝光

全局曝光

全局曝光（Global Shutter）是指相机传感器上的所有像素在同一时间开始和结束曝光。这种方式的优势在于能够保证整个画面在同一时间被捕捉，从而避免由于物体移动而产生的图像畸变和拖影。全局曝光通常应用在CCD传感器中，这类传感器的所有像素同时曝光并收集光线，曝光结束后传感器读出数据形成完整的图像。

优点：

所有像素点同时曝光，避免了图像的畸变和拖影。

在拍摄高速运动的物体时表现更佳。

缺点：

曝光时间受限于机械开关速度，存在理论上的最小曝光时间。

机械结构复杂，成本较高。

卷帘曝光

卷帘曝光（Rolling Shutter）是指相机传感器逐行进行曝光，从第一行开始依次进行，直到最后一行完成曝光。这种方式通常应用在CMOS传感器中。由于各行像素的曝光时间不同，因此在拍摄高速运动物体时，容易出现图像畸变，即“卷帘效应”。

优点：

能够实现更高的帧速率，适合高帧率视频拍摄。

传感器制造成本较低，结构相对简单。

缺点：

在拍摄高速运动物体时，容易出现图像畸变和拖影。

曝光时间的不一致会导致图像出现扭曲和失真。

卷帘效应的实例和分析

在日常拍摄中，卷帘效应通常在拍摄高速运动物体时更为明显。例如，当我们拍摄飞机的螺旋桨时，螺旋桨的叶片可能会在图像中出现弯曲的现象。这是因为在曝光过程中，螺旋桨的位置不断变化，而逐行曝光的方式无法同时捕捉到螺旋桨的每个位置。

此外，坐在高速行驶的汽车或火车中拍摄窗外的景象时，也会出现类似的效果，树木或建筑物可能会在图像中显得倾斜。

拖影现象

拖影是由于拍摄目标与相机之间存在相对运动而导致的。当相机的曝光时间较长，而拍摄物体在曝光过程中移动，图像上的不同像素点会在不同时间接受到光线，最终形成的图像是运动轨迹的叠加。

在拍摄运动物体时，曝光时间需合理设置，不能过长，否则容易产生拖影。曝光时间过短则会导致进光量不足，需要通过调大光圈或增加光照来补偿。

曝光模式对比

逐行曝光

逐行曝光（Line-by-Line Exposure）是卷帘曝光的一种具体实现方式。传感器从第一行开始逐行进行曝光，一个行周期之后下一行才开始曝光，直到最后一行。这种方式适用于静态图像的拍摄，成本较低，但在拍摄高速运动物体时容易出现拖影和图像畸变。

全局曝光

全局曝光（Global Exposure）则是在同一时间内对所有像素进行曝光，曝光结束后传感器同时读取数据。由于所有像素点在同一时间段内捕捉光线，因此可以避免图像的偏移和歪斜。这种方式在拍摄运动物体时表现更佳，但机械结构较复杂，制造成本较高。

结论

全局曝光和卷帘曝光各有优劣，选择何种曝光方式取决于具体的应用场景和需求。在拍摄静态图像时，卷帘曝光能够提供更高的帧速率和较低的制造成本，而在拍摄高速运动物体时，全局曝光则能更好地避免图像畸变和拖影。因此，在选择相机和传感器时，需要综合考虑处理速度、电池消耗、制造成本及整体复杂性等因素。