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小议摄像机电子快门

在了解电子快门的原理之前,有必要首先明白快门(Shutter)的由来和历史演进。快门的概念来自照相机。早期的摄影感光材料感光度很低,拍照时需要曝光很长一段时间,故无所谓快门存在与否...
资讯频道文章B

  快门由来与发展

  在了解电子快门的原理之前,有必要首先明白快门(Shutter)的由来和历史演进。快门的概念来自照相机。早期的摄影感光材料感光度很低,拍照时需要曝光很长一段时间,故无所谓快门存在与否,因此在1870年以前,大部分相机都还是以镜头盖作为控制曝光量的工具。到1884年,美国人首次提出反射镜快门专利,开启了快门技术研发的先河。伴随着感光材料的同步提升,1900年快门在结构上逐渐分成了镜间快门,又称叶片式快门(Leaf Shutter)和焦平面式快门(focal-plane Shutter)两种形式,同时随着机械技术的进步,快门结构逐渐由光孔式演变为焦平面板状式。时至今日,电子快门已经取代了部分机械快门,并进一步细分为电子式机械快门和纯电子时间计量快门两大类。其中电子时间计量快门,使得快门时间(Shutter Speed)得以大幅超越机械式快门对速度的控制,甚至已可达到 1/10000 秒的“神速”境界。

  到1914年快门机构终于进入了实际应用,著名的德国相机 Ur-Lieca(莱卡)首次安装了幕帘平面快门,然而早期的快门设计存在较大缺陷,拍完卷片时还需要手动盖上镜头盖以避免曝光。到了1935年,快门机构终于可与测光系统联动,当时的Contax Ⅲ型相机首创纵走式平面快门,让快门速度突破到1/1000秒,加上其精确的测光能力,由此建立了CONTAX的名声。接着在1960年,Copal发明了世界上第一个可装配的钢片幕帘快门,为后来的电子式机械快门打下了根基,随即前后帘幕式快门被设计出来,快门速度也不断提高。

  快门的意义

  快门开启时间的长短,直接控制入光量的多寡。在摄影领域,快门数字的设定和显示,是以几分之一秒钟为单位,不论是胶卷机还是数码相机,这种显示方式至今没变。

  照相机内部的快门大都是具体的机械快门,控制方式已由早期的手动控制发展到现今的电子控制,可无论控制方式如何演进,照相机的原理不变。简单说来,是外界光线通过镜头进入相机内部,在胶卷等感光部件上感应出相应的画面,而此过程中,进入相机内的光线数量决定了成像的明暗程度。故此若想控制成像的明暗,就必须控制相机的进光量。调节镜头的光圈是一个办法,但是当光圈大小固定后,调节进光量最合适的办法就是在镜头后面设一道开合速度可以精确控制的闸门也就是快门,由此能精确控制进光量。

  电子快门原理

  监控工程中使用的摄像机也要控制获取图像的亮度,所以摄像机内部也需要有快门。但是摄像机的成像原理不同于传统照相机,更接近现在的数码照相机。其成像器件不再是感光底片,而是CCD电荷耦合器件。并且和照相机所用的机械快门不同,摄像机采用电子快门,通过直接控制CCD图像传感器的感光时间,来改变目标物体成像的亮度。

  摄像机的工作原理简单地说,就是CCD根据通过镜头汇聚于其上的光线强弱感应出相应的电荷,并经由周期性放电,产生出一幅幅画面的电信号,再经过滤波、放大处理,最终通过输出端输出一个标准的复合视频信号。对于PAL制式来说,每秒钟这样的画面有25幅,即帧率是25帧/秒,也就是说,每秒钟在CCD上有25次这样电荷积累的重复过程。每个周期内,只有部分时间给CCD感光,其余时间则用于信号处理放大和输出,而CCD的实际感光时间决定了输出画面的明暗程度,亦即实际感光时间越长,则CCD上积累的电荷数量就越多,最终输出的信号强度就大,直观画面效果愈明亮。反之,如果CCD的实际感光时间短,那么电荷积累得就少,画面就暗。

  说到底,CCD的感光实质是信号电荷的积累,感光时间越长,信号电荷的积累时间就越长,输出信号的电流幅值也就越大。所以,通过调节进光时长来调控进光量大小,也即调控感光电荷的积累时间。对于摄像机是通过调整特定时钟脉冲的宽度,来实现控制CCD的感光时间,从而决定输出图像的亮暗,即是通过DSP控制CCD感光时间的方式来实现画面亮度的控制,所以把这种技术称之为电子快门(Electronic Shutter)。

  电子快门应用现状及其他

  对于隔行扫描系统来说,每一幅完整的画面都分别由奇数场和偶数场2幅画面组合而成,亦即每秒钟内一共有25个奇数场和25个偶数场,也就是50副画面,每一场CCD上都会累计电荷,如果能暂停若干场电荷的转移处理,使其光敏原件内部的电荷得以暂存,直到对某个场景进行多次感光后再进行电荷转移,由于这期间,电荷累积到较多的数量,无疑可以提高信号的强度进而提高画面亮度,但是这样做的后果是降低了摄像机的帧率,造成丢帧,所以,市面上以这种多场积累电荷方式提高照度的摄像机,通常只适合监控静止场景或者非运动场景,这样即使丢帧也基本看不出来。

  高速电子快门

  高速电子快门可以让摄像机清晰地拍摄高速运动的物体。普通摄像机在拍摄高速或者快速运动物体时会产生拖尾现象,这是因为,普通摄像机的电子快门速度不够快,即一个周期内CCD的感光时间太长,在DSP控制下使CCD上积聚电荷的这段时间内,物体在CCD上不同的感光位置都已经成了像,于是我们看到的画面就是模糊并伴有拖尾现象的物体。如何避免拖尾现象呢?在了解了拖尾产生的原因后,我们就很清楚,只要摄像机的电子快门的速度足够的快,以至于在每个周期的CCD的感光时间内(注意,周期不变,仍然是1/50秒),物体只会在CCD的一个位置感光,那么随后输出的这一帧图像上,物体就会成像在一个位置,如果每个成像周期内CCD的实际感光时间都是这么短,那么在输出的连续画面上,物体的运动就是清晰的。一般来说,只要每秒钟帧率达到15以上,图像的感觉就是连续的,一般PAL制式的帧率是25 ,所以图像的连续性可以得到保证。联系到现实生活中,我们经常能在电视上看到关于子弹或者导弹飞行的画面,这些画面的拍摄就是采用高速摄像机,子弹的飞行轨迹相当清晰,摄像机的高速快门起到了重要的作用,普通电子快门与高速电子快门的成像周期对比如图1所示。[nextpage]


  补光辅助

  电子快门速度的加快,导致CCD的感光时间大大缩短,后果就是电荷积累量严重不足,造成画面变暗,这几乎是个不可调和的矛盾,如果要解决的话,只能采取补光的办法,交通卡口的原理就是如此。

  交通卡口所使用的摄像机具有高速电子快门功能,此功能保证拍摄高速行进的车辆时,由于电子快门速度足够的快,每一时间车辆都只在CCD的一个位置成像,所以车辆运动轨迹是清晰的但是较为暗淡,同时,当地面的电磁线圈感受到车辆超速时,把此信号反馈给补光灯,补光灯瞬间点亮,CCD在允许的感光时间内接受到大量的物体反光,积累的电荷数迅速增加,那么补光灯点亮的那一帧画面中,车牌就是清晰可见的,这就是我们在路口经常可以看到有些灯瞬间闪烁的原因,当然补光灯何时闪烁完全可以由控制终端的软件控制,车辆不超速的时候也可以补光,在任何需要的时候摄取明亮清晰的车辆照片。

  所以,拍摄高速或快速运动的物体时,一般倾向选用高速电子快门摄像机,其可以清晰地显示出物体的运动过程,非常适于拍摄人员跑步或者车辆行进画面。

  自动光圈效果

  自动电子快门还能实现自动光圈的效果,光圈如果开得比较小,自动电子快门就会自动调节到慢速状态,增加CCD感光时间从而增加画面的亮度,但是不可避免地会造成图像拖影现象;相应的如果光圈开得过大,进光量过多,造成画面很亮,那么自动电子快门就会自动调节到快速状态,减少CCD的实际感光时间,减少CCD上的电荷积聚量,平衡画面的亮度。

  宽动态摄像机

  目前市面上成熟的宽动态摄像机通常使用CCD二次或多次感光的方式成像,在明暗对比强烈的场合,摄像机首先用正常快门速度对场景曝光。这时,由于正常快门速度较慢,画面中较暗的物体将会正常成像,但是由于感光时间较长,场景中明亮的物体将显得亮度偏大,然后,摄像机用较快的快门再曝光一次,此时CCD感光时间不足,明亮物体的成像比较合适,但是原场景中较暗的物体将更暗,借助摄像机的DSP功能会把二副画面切割后组合起来,最终形成一幅原场景中明暗各部分物体亮度都比较合适的图像输出。

  由于宽动态摄像机不可避免地使用到正常速度的电子快门,所以在拍摄快速物体时就会产生拖尾,因此,不适合当作交通卡口摄像机使用,只适合用在小区门口等场合,这类场合车辆行进速度不快,同时由于夜间车灯和车牌的明暗对比相当强烈,而这恰恰正是宽动态摄像机适宜的应用场合。

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