Rolling Shutter vs Global Shutter - Camera Effects Explained

探讨滚动快门和全局快门对相机效果的影响

让我们深入了解滚动快门与全局快门如何影响相机的最终输出效果，并务必关注一些令人惊叹的滚动快门效果。

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大多数人在问到相机及其功能时，往往会认为它是一个可以捕捉瞬间的设备。但是，您的相机能捕捉多短的瞬间呢？是一秒？毫秒？还是纳秒？

与普遍的认知相反，您的相机以及大多数相机是无法捕捉单一的瞬间。实际上，您的相机实际上是捕捉多个瞬间并将它们拼接成一张完整的图像。通常情况下，您对此浑然不觉，但偶尔您可能会注意到照片中的某些细节有些不对劲。

(更多有趣的“意外”效果见下文。)

滚动快门的定义

滚动快门是手机和数字相机中最常见的快门类型，大多数视频相机也采用此技术。这些相机包含活动像素传感器（CMOS），通常使用滚动快门来捕捉图像。

正如之前提到的，传感器并不会在同一时刻完全曝光，而是以一种“滚动”的方式进行曝光。就好像一个缝隙在整个图像上以水平或垂直方式移动。这种现象发生在特定传感器的最高帧率下。例如，如果传感器的工作频率为30Hz（即每秒30帧），则滚动快门的曝光时间为1/30秒。如果传感器的工作频率仅为10帧/秒，则滚动快门的发生时间大约为1/10秒（0.1秒）。无论哪种情况，这意味着在短时间内捕获到多幅略有不同瞬间的图像。

虽然这一过程非常迅速，通常情况下传感器的目标物体不会快速移动，从而不会有太大影响，但有时这种图像捕捉的方式可能会显著影响摄影的结果。

滚动快门效应的介绍

滚动快门效应会在所拍摄的图像中产生失真。由于传感器以滚动方式曝光，因此实际上在不同的时间点捕捉到图像和光线，导致图像中可能出现一些小的差异或亮度变化。因此，在快速移动的图像或高对比度光线的场景中，最终的成品可能显得有些缺陷。以下是一些最常见的影响效果，以及一些令人惊叹的图像和视频。

摇晃效果

摇晃效应，也称为果冻效应，是当相机操作不稳或从快速移动的车内拍摄照片时产生的。滚动快门会导致图像变得模糊或扭曲。这就是为什么您试图通过火车窗拍摄美丽景色几乎不可能的原因。

倾斜效应

如果相机的移动方向与被拍摄对象的运动方向一致，那么图像会在某一方向上呈现出斜曲的效果。想象一下您试图拍摄世界上跑得最快的人——尤塞恩·博尔特（Usain Bolt）从您身边左移而过，您将得到一张他头部位于右侧、身体在中间而腿部却向左侧偏移的图片。最终，它看起来就像博尔特向右倾斜，尽管他实际上稍微向前倾斜（左侧）。

空间别名

这发生在最终的照片展示出的图像与肉眼所见有所不同。这个效应通常发生在物体以极快速度移动时，图像的某些部分会呈现错误。例如，当拍摄飞机的螺旋桨时，左侧的螺旋桨叶片可能会看起来更细，或者甚至似乎完全与螺旋桨脱节。

时间别名

由于传感器在不同时间点对图像进行曝光，因此可能会产生部分曝光，特别是在使用闪光灯时。闪光灯可能只在整个曝光的部分时间内被捕获，这样一来就错误地呈现多个亮度层。

滚动快门的利与弊

优点

虽然您可能认为滚动快门效应意味着这种传感器没有任何优点，但您会错误地认为。实际上，正是因为它具备许多有利的特性，使得它成为相机和各类摄影中最常见的传感器。

由于滚动快门的生产特性，它的经济可行性更强。直接将复杂的电子元件集成在CMOS传感器中相对容易，这使得它几乎在手机和数字相机中得到普遍使用。

此外，滚动快门的动态范围更广。动态范围描述了拍摄时光线强度的范围，宽广的动态范围意味着最终图像能更接近真实景象，几乎可以保留所有动态范围，即使在光线较强的环境下也减少“过曝”的风险。

另一个优点是，由于较高的原生灵敏度，滚动快门传感器具有较低的噪声水平。

在摄影中，噪声是一种极不理想的副作用，导致图像显得低品质。噪声的存在使得观众更关注模糊的区域，而忽视了图像中的其他重要元素。

这尤其在移动映射相机中表现得尤为明显，例如 Mosaic 51，这是一款设计用于各种环境之下，能在不同光线下产生出色图像结果的相机。

缺点

如前所述，最终图像的失真显然是一个显著的缺点。这在拍摄视觉特效、快速移动的物体，或者在强光瞬间（如闪光灯或雷电）下尤为明显。

滚动快门的其他应用

尽管您可能认为滚动快门仅存在于数字、手机和视频相机等消费品中，但实际上它在多个领域都有广泛的应用。

• 用于电子设备中的电路板对齐与检测，以及代码和文本的读取。
• 显微镜下的图像分析和文档记录。
• 机器人中的取放操作。
• 制药行业中对产品的代码读取及多重代码识别。

全球快门的定义

如您所猜测的，全球快门的工作方式就是大多数人对相机的想象。所有像素都会在同一时刻被捕捉。相机的传感器会在单一时刻接收光线，通常不过0.1秒（1/10秒）。

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这意味着传感器在一个时间点上捕捉全图像。而无滚动或扫描，正如您所想象的，这意味着滚动快门效应被彻底消除。没有模糊、没有倾斜，也没有空间或时间别名问题。

目前市场上大多数全局快门传感器都是CMOS传感器，曾几何时几乎使用的是电荷耦合器件（CCD）。它们通常出现在高端广播、天文学甚至一些移动映射相机中。

Mosaic X 和 Mosaic Viking 就是这类相机的两个示例。两者在高速公路上表现优异，以高分辨率收集图像数据，适合于3D建模、重建以及视觉特效等应用。

全球快门的利与弊

优点

一致性和准确性是全球快门与CCD传感器的结合，其图像展现出的高度优于滚动快门。摄影师可以确保全球快门的图像能够准确呈现所拍摄对象，而不会有“果冻效应”或目标分割的问题。

再者，全球快门相机通常无需快门叶片，这是一种相机常见的故障。使用全球快门大大降低了这一故障的风险，因为活动部件少意味着出错的几率较低。

缺点

全球快门的显著缺点是其价格昂贵。通常情况下，具有全球快门的相机价格可能是滚动快门对应产品的十倍之多。对于大多数业余摄影师、手机制造商乃至某些专业人士来说，全球快门并不值得花费。甚至一些制造商在发现它的优势不足以弥补成本后，也决定不再使用全球快门。

此外，全球快门的构建更为复杂，无法将电子元件直接集成到传感器上，导致生产难度较大，从而提高了价格。

全球快门的另一缺点是图像质量较差。尽管失真得以抵消，但整体的图像质量和动态范围下降。“过曝”的风险将大大增加。

由于图像读取速度的要求，全球快门的读取速度相对较慢，仅为1至40 MPS，而滚动快门则可达到100至400 MPS。

全球快门的其他应用

全球快门不仅限于高端相机和拍摄电影、运动赛事的视频设备，还有更多的技术应用：

• 交通管理，能够准确捕捉汽车牌照等重要信息。
• 天文学，观察瞬态事件，或限制大气湍流的影响。
• 计量学。
• 基础设施的检查与勘测
• 机器人检查。
• 农业。
• 智能交通系统。

滚动快门效应的示例展示

滚动快门效应意外地生成了一些令人叹为观止的图像，仿佛为互联网分享而生，请享受并分享这些视频。

这段视频展示了飞机窗外的螺旋桨，似乎螺旋桨的叶片正在从飞机上“旋转”下来，仿佛它们在掉落到地面上。

另一个视频很好地展示了CCD传感器（全球快门）和CMOS（滚动快门）之间的明显差异。从驾驶舱内观察，前方的螺旋桨用CCD传感器拍摄，展现出与肉眼所见一致的旋转效果，而另一半则显得像是条纹一般，而非坚固的叶片。

下一个片段展示了音乐家弹奏吉他时，从吉他内部拍摄的画面，吉他弦在他每次拨动时并未保持直线，而是形成了波动状。

未来的展望

正如前面提到的，有关滚动快门和全局快门的讨论仍然相对平衡。两者都有其优缺点，这使得许多人难以在成本与效果之间做出选择。

全球快门确实呈现出更为准确的图像，能够更真实地反映捕捉的场景。尽管其价格和制造难度让许多用户却步，但一些相机、摄影及360映射公司依然瞄准全球快门潜在市场。全球快门的日益普及将为相机行业增添新的深度和清晰度，并彻底改变游戏格局。敬请关注后续更新。

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