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[动态] 机器视觉中的滚动快门和全局快门对比

随着机器视觉在工业自动化和自动驾驶等领域的普及，摄像头的图像质量和准确性需求不断提升。智能制造、自动驾驶、安防监控等应用对图像精度和实时性要求极高，推动了摄像头技术的发展。

摄像头传感器（Camera Sensor）是机器实现视觉识别的“眼睛”，其成像效果受到多种参数影响，曝光时间和快门速度尤为关键。快门速度控制曝光时间，快门时间越短，越能捕捉高速物体；时间越长，越适合低光环境。

目前有两种主要的快门技术：滚动快门（Rolling Shutter）和全局快门（Global Shutter）。本文将主要介绍滚动快门（Rolling Shutter）和全局快门（Global Shutter）两种主要的曝光技术，重点讨论它们的工作原理、优势和适用场景，为用户选择合适的摄像头类型提供参考。

滚动快门是什么

卷帘快门通过逐行扫描的方式从上到下捕获图像，而不是一次性捕获所有像素。这意味着每一行像素的曝光存在微小的时间差。当相机或物体高速移动时，这种逐行扫描可能导致图像失真，形成“果冻效应”（Jello Effect）或“拖影”现象。果冻效应是一种常见的图像失真现象，表现为画面中物体扭曲或倾斜，看起来像果冻一样波动。尽管如此，卷帘快门的高分辨率和相对较低的成本，使其在一些需要高分辨率但对动态性能要求不高的应用中非常适用，如静态图像捕捉或家用监控。

工作原理

数字卷帘快门的工作原理类似于传统胶片相机中的机械卷帘快门。就像胶片相机中逐步旋转的金属圆盘会依次打开每一部分，以让光线逐渐进入一样，数字卷帘快门的图像传感器逐行曝光，逐步完成图像的捕获。因为每行像素的曝光时间存在差异，这种逐行扫描在高速动态场景中容易导致失真。

以下图示展示了卷帘快门的逐步曝光过程。开始时，快门逐渐揭开胶片（或图像传感器）的一部分，使该部分逐步暴露在光线下。随着快门的逐步开启，整个画面依次完成曝光，直到最后快门关闭。这样的逐行曝光方式可以帮助我们更好地理解数字卷帘快门逐步捕获图像的原理。

图：滚动快门曝光过程

在卷帘快门中，每一行像素依次开始曝光，因此从画面顶部到底部的读取时间不同。这个“行时间”（row time）取决于传感器的设计参数，包括传感器的最大帧率（fps）、图像分辨率和配置。例如，使用 8 Megapixels USB Camera with Microphone进行对象识别时，行时间影响了图像的准确性，尤其在对象快速移动的情况下。行时间可以通过以下公式估算：

rowtime = 1 / (maxFps rows)

这款摄像头的分辨率为1920×1080，帧率为30fps，则行时间约为：

rowtime=1/(30×1080)≈30.86μs

Tips：1μs等于百万分之一秒（10的负6次方秒）。

行时间越大，图像从顶部到底部的捕获时间差越大，意味着每一行像素的曝光时间差越大，导致高速运动的物体在画面中出现更明显的变形。行时间越小，图像失真越少，整体效果更接近真实场景。

果冻效应的影响因素

卷帘快门导致的果冻效应，其显著程度主要取决于以下几个因素：

物体的移动速度：移动速度越快，失真越明显。
物体的大小：大尺寸物体在画面中的扭曲更加明显。
分辨率：更高的分辨率在相同帧率下行时间更短，相对可以减少失真。

如下图中展示了果冻效应的典型表现：由于相机逐行捕捉画面，旋转的风扇叶片和移动的汽车在图像中出现了倾斜和弯曲。这种失真特别明显在快速移动的物体上，源于每一行像素的微小时间差。

图：卷帘门中的果冻效果

全局快门是什么

全局快门（Global Shutter）是一种图像传感器技术，其核心在于能够同时捕获画面中所有像素的信息。与逐行扫描的滚动快门不同，全局快门的所有像素在同一时间曝光，然后一起读取数据，这种同步曝光方式使其在高速运动场景中能够有效消除图像失真现象，如“果冻效应”（rolling shutter effect）。可以将其比作拍照时快门在一瞬间“拍下”整个画面，而非逐行扫描捕捉，确保每一部分都与真实场景一致。

工作原理

全局快门传感器通过在感光器件上集成快门机制，使所有像素可以同时打开和关闭。这种技术在捕捉快速移动的物体或复杂的动态场景时尤为关键，可以避免画面中的物体因逐行曝光而产生的扭曲或拖影，保证了图像的完整性。通过全局快门的同步曝光，物体在图像中始终保持原本的形状和位置。

如下图所示，全局快门的每一帧都是在同一瞬间捕捉整个画面（曝光阶段），然后再依次读取数据。这种方式能有效减少动态场景下的失真，因为所有像素在同一时间点曝光，而不是逐行扫描。

图：全局快门定时-每帧的同步曝光和顺序数据读出

滚动快门与全局快门对比

在介绍了全局快门和滚动快门的原理后，我们将进一步探讨两者在成像效果、动态表现以及适用场景中的差异。了解这些区别可以帮助工程师和用户在具体应用中选择最合适的摄像头类型，从而实现最佳的图像质量和成本效益。

1. 曝光方式对比

全局快门通过同步曝光，使所有像素在同一时间捕获图像。这意味着无论画面中的物体是否在高速运动，传感器都能将其精准记录，从而保证了图像的完整性。而滚动快门则是逐行扫描曝光，每一行像素依次捕获信息。尽管这种方式有助于降低传感器成本，但在高速场景下，滚动快门容易出现“果冻效应”或“拖影”，导致图像失真。

图：滚动快门逐行读取；全局快门同时捕获整个帧

2. 动态场景中的图像失真

在处理高速动态场景时，全局快门的优势尤为显著。由于其同步曝光方式，动态物体在画面中不会出现扭曲或模糊，非常适合需要高精度成像的应用场景，例如工业机器视觉、无人机导航和自动驾驶等。滚动快门在静态或低速场景中表现良好，但在捕捉高速运动物体时，因逐行曝光的延迟，物体会在画面中产生拉伸或扭曲，这对于一些要求画面一致性的应用可能产生不利影响。

图：快速动作捕捉中的运动失真

3. 两者的特点对比

我们进一步总结了两者的核心特性和优缺点，以便帮助您更直观地对比它们的适用性和选择依据。

如何选择适合的快门类型

全局快门能够同时曝光整个场景，是捕捉高速运动的理想选择。它们通常用于需要保持一致图像质量的应用，例如体育赛事、交通监控和需要精确捕捉快速移动动作的科学研究。在这些场景中，图像稳定性和准确性至关重要，因为任何形式的运动模糊或失真都会损害所捕获场景的完整性。全局快门可确保整个画面的均匀曝光，即使在动态条件下也能提供稳定可靠的图像。

在工业环境中，特别是在机器视觉系统中，全局快门通常是首选。这些系统用于检查生产线上的高速物体、进行自动检查和执行质量控制任务。即使是轻微的图像失真也会影响检测精度，因此全局快门提供的一致性至关重要。全局快门在高速设置下捕捉无失真图像的能力对于准确表示画面内物体的形状和位置至关重要。这种精度水平对于工业检测系统的可靠性和准确性至关重要，因为它可以在检测缺陷或不规则性方面提供一致的性能。因此，全局快门在需要高精度成像的复杂动态环境中更受青睐，使这些系统能够保持现代工业所需的高标准。

相比之下，滚动快门由于其逐行扫描方法而广泛应用于 CMOS 传感器，这种方法允许更高的帧速率和更低的功耗。这些特性使它们非常适合日常成像和静态场景，例如风景或静物摄影，其中物体运动极少。在这些应用中，相对缺乏快速运动意味着滚动快门效应不会显著影响图像质量。此外，滚动快门的低成本和低功率要求使其成为消费级成像设备和精确定时和运动精度不太重要的应用的经济选择。

结论

全局快门和滚动快门作为图像传感器中的两种主要技术，各自满足了不同应用场景的成像需求。在需要精准、高速动态成像的领域，如工业自动化、自动驾驶和专业监控，全局快门凭借其同步曝光的特性，显著减少了图像失真，成为不可或缺的选择。而滚动快门则因其较低的成本和较高的分辨率，广泛应用于静态或低动态需求的场景，为消费级和预算敏感型项目提供了理想的解决方案。

随着市场对高质量成像和智能化需求的不断增长，全局快门的应用趋势将持续增强，尤其是在需要捕捉快速移动物体的行业中。未来，随着技术进步和生产成本的降低，更多的应用将逐步过渡到全局快门技术，以提升系统的可靠性和图像质量。然而，在成本优先且动态需求较低的场景中，滚动快门仍将保持竞争力。

综上所述，理解全局快门和滚动快门的关键差异和适用场景，有助于用户在实际应用中做出更明智的摄像头选型决策，实现性能和成本的最佳平衡。

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