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工业相机的全局曝光与卷帘曝光

发布时间：2020年08月15日

曝光方式包括两种：

全局曝光（global shutter）
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。

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
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
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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