卷帘快门相机是否可以无失真地对移动物体进行图像捕捉?

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如果使用“全局重置”功能,答案为“是的,但……”

在上一篇博客中我们提到了JAI最新的GO-X系列相机,该系列相机配备了使用“卷帘快门”技术的CMOS芯片。如前所述,该技术的优点是易于生产且易于实现更小的像元尺寸,使卷帘快门相机比全局快门相机更具成本优势,从而对价格敏感型视觉系统更有吸引力

但是,正如我们之前所说,这个方法节约了成本但也带来了风险。由于卷帘快门相机采用逐行曝光形式进行图像捕捉,行与行之间稍有延迟,因此拍摄移动物体的图像可能出现“果冻效应”,如同在镜头中向后倾斜一样(请见下文)。

卷帘快门造成的图像失真(果冻效应)

卷帘快门造成的图像失真

通过“全局重置”解决该问题
为解决这一问题, GO-X系列卷帘快门相机的传感器具备“全局重置”模式,可用于捕捉连续移动物体的图像。

通过全局重置,传感器中的所有像素行将在每一帧开始时同时“复位”,以类似全局快门相机的方式开始曝光。但是,由于卷帘快门传感器的设计比较简单,像素行在曝光完成后需要立即读出(没有存储节点),因此必须逐行结束曝光以确保每行可以正常读出。这就导致了队列中的最后一行的曝光时间比第一行更长。

这样一来,由于当物体处于同一位置时所有像素行同时开始曝光,全局重置模式消除了“果冻效应”问题。遗憾的是由于逐行曝光时间的增加,图像的底部将比顶部更亮,而且由于运动模糊也可能降低其清晰度(请见下文)。

全局重置下的卷帘快门
顶部的曝光偏暗,底部由于运动而更加模糊

全局重置下的卷帘快门

解决方法:使用闪光灯的全局重置
使用卷帘快门相机拍摄连续运动的物体,想要同时消除果冻效应、曝光的渐变和锐度下降,唯一的解决之道是将全局重置模式与闪光灯相结合。为获得最佳效果,必须同时确保环境光得到严格控制。

工作原理是这样的。将卷帘快门设置为全局重置模式然后触发以捕捉快速经过物体的图像。理想情况是目标视野置于遮光罩之下,使得所有环境光被遮挡。闪光被触发后,所有像素行将同时开始曝光,闪光灯的闪光时间固定,可以为图像提供适当的曝光。相机的曝光时间必须设定为第一行像素的“激活”时间大于或等于闪光时间。其余像素行都将有更长的激活时间,但是由于环境光被遮光罩遮挡,所有像素行的曝光都将来自于同样的闪光灯。

闪光灯下的全局重置

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利弊权衡
通过该方法视觉系统可以使用价格较低的卷帘快门相机,并避免了该技术的最大缺点,即移动物体的空间失真。但由于需要使用遮光罩和闪光灯,与在视觉系统中使用全局快门相机相比,该方法的成本和复杂程度可能抵消原本的优势。

某些应用场合对曝光均匀性的要求不高,此时可能不需要遮光罩。使用高亮度的闪光就能将环境光带来的影响降至可接受的水平,因此更具价格优势的卷帘快门相机成为更优的方案,特别是在成本效应更为突出的多相机系统中。

综上所述,对无需考虑目标物体运动造成空间失真的时停时走型应用而言,卷帘快门相机拥有极具吸引力的成本优势。对连续移动型应用而言,仅在具备“全局重置”模式以及与使用全局快门相机相比闪光和环境光控制的成本和复杂程度相对合理的情况下,可以考虑使用卷帘快门相机。

更多关于Go-X系列卷帘快门相机的信息请访问: https://news.jai.com/cn/jai-expands-its-go-x-series-with-new-rolling-shutter-cameras

关于Go-X全系列相机的完整清单,请访问 https://www.jai.com/cn/go-x-series获取的产品页链接并下载数据表和其他信息。

 

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