進階科普｜用動畫徹底搞懂“相機快門”!

此刻你正身處一個黑暗的房間 一扇門打開 光照了進來 光線進入你的眼睛 穿過腳模 瞳孔 之後由晶狀體折射 彙集到視網膜上 視網膜上的視錐細胞和視感細胞 作爲光感受器 將光子轉化成電信號 視覺神經將這些電信號 傳輸至大腦的視覺中樞 經處理之後 便形成了圖像 這也是爲什麼此刻屏幕前的你 能看到畫面 而接下來我們要講的 還得從打開的那扇門說起 還記得這扇門是如何打開的嗎 沒錯 門從右向左打開 光也是從右側先照進房間 我們先看到右邊的飛機 再看到人 最後看到左邊的籃球 此時關上門 不能發現一個問題 由於門是單側開合 這就導致左右兩側的光線 進入的時長有差別 我們看到飛機的時間多於籃球 如何平衡兩側的光線 讓它們進入的時長一致呢 這倒也不難 再增加一扇門 通過兩扇門交替開合 只要控制好速度 兩扇光線進入的時長 就能做到一致 但這樣的開門方式 不僅會佔用太多空間 看上去還有點陰間 不如換成推拉門試試 這樣就正常多了 當然還可以進一步優化 換成多片堆疊的方式 就像兩個捲簾門 現在換個角度看一下 這就是相機裏最常見的 機械捲簾快門 也被稱之爲膠屏面快門 而它最大的作用 就是掌控曝光時間 目前大多數機械快門 採用的都是 縱置前後雙目聯的結構 不同相機的目聯運動次序 會有差別 通常先打開 讓傳感器感光的叫做前聯 之後關閉 接觸感光的叫做後聯 當按下快門後 前聯落下 相機清空SIMS中的電荷 並開始感光 之後前聯抬起 傳感器從下至上 依次接觸光線 到達設定時間後 後聯抬起 此時SIMS仍處在感光狀態 等所有信號逐航讀出完畢 後聯復位 依次拍攝完成 我們常說的 一百分之一秒 千分之一秒等等的快門速度 慣性思維會讓一些人誤以爲 指的是機械目聯門的運動速度 這聽上去很合理 實則不然 通常爲了方便控制曝光時長 機械目聯門的運動速度 大多是恆定的 一般爲二百五十分之一秒 也就是四毫秒 所以準確來說 快門速度通常指的是曝光時長 而非機械快門的運動速度 既然目聯門的運動速度恆定 那它如何做到精確控制曝光呢 很簡單 間隔 爲了更直觀的呈現 我們先建立一個圖表 X軸爲SIMS的像素列 Y軸爲像素行 既然是依次逐航曝光 再增加一個時間軸 Z軸 來記錄不同快門下 每行像素的曝光時長 以及它們是如何開始和結束的 不難看出 前後目聯開合的間隔越大 SIMS接收光線的時間也就越長 其他參數不變 整體金光量也就越多 畫面更亮 反之 目聯開合間隔越小 SIMS接收光線的時間也就越短 金光量更少 因此畫面也就越暗 由於機械快門是依靠 目聯的開合遮擋來控制曝光 目聯的運動速度恆定爲四毫秒 這就意味着 當曝光時間小於這個值 目聯門會以夾縫的形態滾動 SIMS也就沒有機會同時露出 當曝光時間大於或等於四毫秒時 SIMS則會有一定的時間同時露出 而在這個時間內 外界所施加的光 就能被整個SIMS均勻捕獲 這也是爲什麼 多數閃光燈同步速度上限爲 250分之一秒的原因 細心的朋友可能會發現一個問題 無論快門如何調整 SIMS上下行的兩端 都會有四毫秒的時間差 而這個時間差 在電子快門中尤爲明顯 可以想象 SIMS的每個像素都有個開關 打開可以接收光線 關閉則重置 當按下快門後 SIMS清空電荷信息 並開始接收光線 光子進入到傳感器 被光電二極管轉化成電子 再由電容轉化成電壓 之後通過PGA放大電路放大 再經由魔獸轉換器ADC轉化成數字信號 從電壓到數字信號的整個讀出過程 只能依次逐航進行 而絕大多數的SIMS 由於性能的制約 讀出速度受限 動輒二三十毫秒 以二十毫秒的讀出速度爲例 對應到每行像素 在圖表上是這樣一條線 想要做到每行像素曝光結束時 可以同步讀出 電子快門就只能嚴格按照這條斜線 也就是讀出速度 來控制每行像素的開啓 無論快門如何調整 時間差都是二十毫秒 遠大於機械快門的四毫秒 較高的時間差 會出現一個嚴重的問題 活動效應 由於每行像素記錄的時間不同 存在時差 從而導致運動物體 在空間位移中發生形變 直的變成斜的 旋轉的變扭曲 以這個3300萬像素的SIMS來看 拍攝一張照片 需要讀出4672行 按照二十毫秒的讀出速度計算 那麼每行像素的時間差 約等於4.3微秒 這聽上去幾乎不可感知 但對於拍攝高速運動的物體來說 這個時間差 足以讓畫面產生明顯的變形 面對高速運動的物體 使用機械快門 同樣會出現活動效應 只是相比電子快門要好很多 控制活動效應只有兩種方法 一個是減少相對運動 一個是提高讀出速度 可能會有人疑問 同樣需要讀出 爲什麼機械快門不受影響 機械目連的物理結構 決定了SIMS可以先曝光 後主行讀出 而中間這部分讀出空檔 由於後目連的遮蓋 SIMS雖然處在感光狀態 但不會有光線進入 因此不受影響 實際上電子快門 可以做到同時開啓並感光 但這樣會導致 後讀出的像素 因爲感光時間更長 從而導致畫面整體曝光不均勻 那同時曝光之後 同時關閉呢 答案自然也是不行 關閉後 意味着沒有被讀出的信息 都會被重製 那有沒有辦法 可以做到同時曝光呢 有 全域快門 可以同時控制電路開啓 曝光之後 把電子先轉移到存儲單元 之後再讀出數據 這樣就不存在曝光時間差 也就能完全避免活動效應 代價就是 由於給每個像素 增加了額外的存儲單元 會降低像素接收光線的能力 進而對信噪比和畫質產生影響 當然最大的影響還是 貴 在瞭解了不同種類的快門後 我們不妨深入思考一下 按下快門的那一刻 相機記錄的到底是什麼 首先焦距決定了視場 也就是能記錄多大的空間 快門則決定了 記錄這個空間所需要的時間 在相對完全靜止的拍攝中 按下快門後 場景中所有物體反射的光線 會由鏡頭進入相機的傳感器 並在固定的位置累積 這樣就能得到一張清晰的畫面 而一旦空間內有運動產生 運動物體反射的光 會隨之發生位移 得到的便是帶有運動軌跡的 模糊畫面 這種由相對運動位移產生的模糊 就是動態模糊 影響動態模糊最大的兩個因素 一個是曝光時長 一個是相對運動 不管是被攝物體的運動 或者是相機本身的抖動 在大部分的拍攝中 我們很難改變被攝物體的運動 只能通過改變快門 來控制這種模糊 在運動恆定的情況下 曝光時間越短 運動物體的空間位移就越小 畫面越清晰 反之曝光時間越長 位移就越大 圖像也就更模糊 實際上動態模糊並不是成像缺陷 很多人還會利用這個特性 來創作有意思的內容 比如光繪 當然在平面攝影中 多數情況下還是會規避這種模糊 來獲得一張清晰的圖像 然而在視頻拍攝中 卻有那麼一點點不一樣 爲了符合人眼 對於運動的視覺特性 多數情況下 在視頻拍攝中 並不會把每一幀畫面都拍得非常清晰 反而會適當地保留一部分動態模糊 從而增強觀看的流暢感 我們都知道視頻實際上 是連續播放的鏡幀序列 一幀就是一張圖片 以這個線性運動的小球爲例 不同的幀率決定了 在一秒鐘內 小球運動路徑上 會有多少個畫面產生 把這些畫面放到一起 連續播放的鏡幀 就成了視頻了 顯然在幀率較低的情況下 物體每幀之間的運動跨度很大 此時過於清晰的畫面 會使人一眼產生明顯的卡頓 而加入適當的動態模糊 實際上就是增加了運動軌跡的記錄 畫面看上去 自然也就更連貫流暢了 但是這種模糊太大的話 同樣也會影響觀看體驗 除非你能拍成這樣 幀率決定了寬門速度的上限 在視頻拍攝中 寬門速度最大 也就只能是幀率的倒數 以每秒25幀爲例 這是一秒鐘時長 想要在這個時間內 記錄25幀的畫面 那麼平均到每一幀的時間 最長也就只有25分之一秒 用一個圓形分佈來對應的話 打開360度 也就是100%曝光 爲單幀畫面的曝光上限 25分之一秒 如果時間減半 則變爲50%的曝光量 也就是50分之一秒 角度爲180度 每幀畫面曝光一半的時長 所產生的動態模糊 是一個比較符合人眼視覺感知的數值 這種以角度來控制曝光的快門 早期曾擁有在膠片攝影機中 一個金屬圓盤 其轉速匹配幀率 通過控制打開角度 讓光線穿過 從而改變每幀膠片的曝光時長 快門角度大小決定了 每幀畫面曝光的多少 通常說的180度 對應的就是 單幀畫面一半的曝光時長 也就是幀率倒數的一半 如今一些電影機 還會沿用這個快門角度的標註 如果你看到170 就是50分之一秒的快門速度 而144度 對應的則是 24分之一秒的40% 也就是60分之一秒的快門速度 之所以使用50分之一秒 和60分之一秒的快門速度 是爲了匹配不同國家 和地區的交流電頻率 從而來避免一個很大的問題 頻閃 頻閃通常是因爲 快門速度的設定 與人造光源的交流電頻率 不匹配快門爲48分之一秒 這就會導致 每一幀畫面記錄的電壓週期 不一致 畫面亮度也會不同 連續播放起來 就有可能出現閃爍 而使用50分之一秒的快門 則能與週期匹配 做到亮度一致 從而來避免出現頻閃 講了這麼多快門類型 還有幾個相信大家也並不陌生 電子前聯快門 也就是電子加機械的組合 開啓時用電子快門 關閉時使用機械後母聯門 由於機械後聯的介入 這種曝光方式 也可以不受讀出速度的影響 同時還能避免 前聯開合產生的震動 有優點自然也少不了缺點 由於機械母聯門 與控制電子快門的CMOS 不在一個平面上 快門速度過高時 會出現曝光不均勻的現象 最常見的就是 焦外的光斑被裁切 原理就是 高速快門 使得曝光間隔變小 兩種快門又不在一個平面上 焦外的迷散源 被機械快門遮擋後 導致後面CMOS無法均勻曝光 因此會出現前景的光斑 上半部分被裁切 而後景的光斑 下半部分被裁切的現象 機械快門顧名思義 在鏡頭中間 光圈旁 其結構和光圈也有些相似 由於其在鏡頭內部 開合的過程中 CMOS可以整體感光 不存在時間差 因此也就不會產生果凍效應 其開合速度通常也更快 缺點就是會對 進光量和景深有影響 對硬件的要求也很高 更換複雜 所以這種快門的應用並不常見 其實所有類型的快門 本質上都是一個開關 一個控制時間的開關 其目的就是讓相機 更精確的還原 我們按下快門的那一刻 這個世界最真實的模樣 或許 這也是我們唯一 最接近掌控時間的方法 再次回到這個房間 這一次 你希望這扇門 會以什麼樣的方式開啓 又將如何去見證 門外的時光