快門由來與發(fā)展

　　在了解電子快門的原理之前，有必要首先明白快門(Shutter)的由來和歷史演進(jìn)?？扉T的概念來自照相機(jī)。早期的攝影感光材料感光度很低，拍照時需要曝光很長一段時間，故無所謂快門存在與否，因此在1870年以前，大部分相機(jī)都還是以鏡頭蓋作為控制曝光量的工具。到1884年，美國人首次提出反射鏡快門專利，開啟了快門技術(shù)研發(fā)的先河。伴隨著感光材料的同步提升，1900年快門在結(jié)構(gòu)上逐漸分成了鏡間快門，又稱葉片式快門(Leaf Shutter)和焦平面式快門(focal-plane Shutter)兩種形式，同時隨著機(jī)械技術(shù)的進(jìn)步，快門結(jié)構(gòu)逐漸由光孔式演變?yōu)榻蛊矫姘鍫钍?。時至今日，電子快門已經(jīng)取代了部分機(jī)械快門，并進(jìn)一步細(xì)分為電子式機(jī)械快門和純電子時間計(jì)量快門兩大類。其中電子時間計(jì)量快門，使得快門時間(Shutter Speed)得以大幅超越機(jī)械式快門對速度的控制，甚至已可達(dá)到 1/10000 秒的“神速”境界。

　　到1914年快門機(jī)構(gòu)終于進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用，著名的德國相機(jī) Ur-Lieca(萊卡)首次安裝了幕簾平面快門，然而早期的快門設(shè)計(jì)存在較大缺陷，拍完卷片時還需要手動蓋上鏡頭蓋以避免曝光。到了1935年，快門機(jī)構(gòu)終于可與測光系統(tǒng)聯(lián)動，當(dāng)時的Contax Ⅲ型相機(jī)首創(chuàng)縱走式平面快門，讓快門速度突破到1/1000秒，加上其精確的測光能力，由此建立了CONTAX的名聲。接著在1960年，Copal發(fā)明了世界上第一個可裝配的鋼片幕簾快門，為后來的電子式機(jī)械快門打下了根基，隨即前后簾幕式快門被設(shè)計(jì)出來，快門速度也不斷提高。

　　快門的意義

　　快門開啟時間的長短，直接控制入光量的多寡。在攝影領(lǐng)域，快門數(shù)字的設(shè)定和顯示，是以幾分之一秒鐘為單位，不論是膠卷機(jī)還是數(shù)碼相機(jī)，這種顯示方式至今沒變。

　　照相機(jī)內(nèi)部的快門大都是具體的機(jī)械快門，控制方式已由早期的手動控制發(fā)展到現(xiàn)今的電子控制，可無論控制方式如何演進(jìn)，照相機(jī)的原理不變。簡單說來，是外界光線通過鏡頭進(jìn)入相機(jī)內(nèi)部，在膠卷等感光部件上感應(yīng)出相應(yīng)的畫面，而此過程中，進(jìn)入相機(jī)內(nèi)的光線數(shù)量決定了成像的明暗程度。故此若想控制成像的明暗，就必須控制相機(jī)的進(jìn)光量。調(diào)節(jié)鏡頭的光圈是一個辦法，但是當(dāng)光圈大小固定后，調(diào)節(jié)進(jìn)光量最合適的辦法就是在鏡頭后面設(shè)一道開合速度可以精確控制的閘門也就是快門，由此能精確控制進(jìn)光量。

　　電子快門原理

　　監(jiān)控工程中使用的攝像機(jī)也要控制獲取圖像的亮度，所以攝像機(jī)內(nèi)部也需要有快門。但是攝像機(jī)的成像原理不同于傳統(tǒng)照相機(jī)，更接近現(xiàn)在的數(shù)碼照相機(jī)。其成像器件不再是感光底片，而是CCD電荷耦合器件。并且和照相機(jī)所用的機(jī)械快門不同，攝像機(jī)采用電子快門，通過直接控制CCD圖像傳感器的感光時間，來改變目標(biāo)物體成像的亮度。

　　攝像機(jī)的工作原理簡單地說，就是CCD根據(jù)通過鏡頭匯聚于其上的光線強(qiáng)弱感應(yīng)出相應(yīng)的電荷，并經(jīng)由周期性放電，產(chǎn)生出一幅幅畫面的電信號，再經(jīng)過濾波、放大處理，最終通過輸出端輸出一個標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合視頻信號。對于PAL制式來說，每秒鐘這樣的畫面有25幅，即幀率是25幀/秒，也就是說，每秒鐘在CCD上有25次這樣電荷積累的重復(fù)過程。每個周期內(nèi)，只有部分時間給CCD感光，其余時間則用于信號處理放大和輸出，而CCD的實(shí)際感光時間決定了輸出畫面的明暗程度，亦即實(shí)際感光時間越長，則CCD上積累的電荷數(shù)量就越多，最終輸出的信號強(qiáng)度就大，直觀畫面效果愈明亮。反之，如果CCD的實(shí)際感光時間短，那么電荷積累得就少，畫面就暗。

　　說到底，CCD的感光實(shí)質(zhì)是信號電荷的積累，感光時間越長，信號電荷的積累時間就越長，輸出信號的電流幅值也就越大。所以，通過調(diào)節(jié)進(jìn)光時長來調(diào)控進(jìn)光量大小，也即調(diào)控感光電荷的積累時間。對于攝像機(jī)是通過調(diào)整特定時鐘脈沖的寬度，來實(shí)現(xiàn)控制CCD的感光時間，從而決定輸出圖像的亮暗，即是通過DSP控制CCD感光時間的方式來實(shí)現(xiàn)畫面亮度的控制，所以把這種技術(shù)稱之為電子快門(Electronic Shutter)。

　　電子快門應(yīng)用現(xiàn)狀及其他

　　對于隔行掃描系統(tǒng)來說，每一幅完整的畫面都分別由奇數(shù)場和偶數(shù)場2幅畫面組合而成，亦即每秒鐘內(nèi)一共有25個奇數(shù)場和25個偶數(shù)場，也就是50副畫面，每一場CCD上都會累計(jì)電荷，如果能暫停若干場電荷的轉(zhuǎn)移處理，使其光敏原件內(nèi)部的電荷得以暫存，直到對某個場景進(jìn)行多次感光后再進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移，由于這期間，電荷累積到較多的數(shù)量，無疑可以提高信號的強(qiáng)度進(jìn)而提高畫面亮度，但是這樣做的后果是降低了攝像機(jī)的幀率，造成丟幀，所以，市面上以這種多場積累電荷方式提高照度的攝像機(jī)，通常只適合監(jiān)控靜止場景或者非運(yùn)動場景，這樣即使丟幀也基本看不出來。

　　高速電子快門

　　高速電子快門可以讓攝像機(jī)清晰地拍攝高速運(yùn)動的物體。普通攝像機(jī)在拍攝高速或者快速運(yùn)動物體時會產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象，這是因?yàn)?，普通攝像機(jī)的電子快門速度不夠快，即一個周期內(nèi)CCD的感光時間太長，在DSP控制下使CCD上積聚電荷的這段時間內(nèi)，物體在CCD上不同的感光位置都已經(jīng)成了像，于是我們看到的畫面就是模糊并伴有拖尾現(xiàn)象的物體。如何避免拖尾現(xiàn)象呢?在了解了拖尾產(chǎn)生的原因后，我們就很清楚，只要攝像機(jī)的電子快門的速度足夠的快，以至于在每個周期的CCD的感光時間內(nèi)(注意，周期不變，仍然是1/50秒)，物體只會在CCD的一個位置感光，那么隨后輸出的這一幀圖像上，物體就會成像在一個位置，如果每個成像周期內(nèi)CCD的實(shí)際感光時間都是這么短，那么在輸出的連續(xù)畫面上，物體的運(yùn)動就是清晰的。一般來說，只要每秒鐘幀率達(dá)到15以上，圖像的感覺就是連續(xù)的，一般PAL制式的幀率是25 ，所以圖像的連續(xù)性可以得到保證。聯(lián)系到現(xiàn)實(shí)生活中，我們經(jīng)常能在電視上看到關(guān)于子彈或者導(dǎo)彈飛行的畫面，這些畫面的拍攝就是采用高速攝像機(jī)，子彈的飛行軌跡相當(dāng)清晰，攝像機(jī)的高速快門起到了重要的作用，普通電子快門與高速電子快門的成像周期對比如圖1所示。[nextpage]

　　補(bǔ)光輔助

　　電子快門速度的加快，導(dǎo)致CCD的感光時間大大縮短，后果就是電荷積累量嚴(yán)重不足，造成畫面變暗，這幾乎是個不可調(diào)和的矛盾，如果要解決的話，只能采取補(bǔ)光的辦法，交通卡口的原理就是如此。

　　交通卡口所使用的攝像機(jī)具有高速電子快門功能，此功能保證拍攝高速行進(jìn)的車輛時，由于電子快門速度足夠的快，每一時間車輛都只在CCD的一個位置成像，所以車輛運(yùn)動軌跡是清晰的但是較為暗淡，同時，當(dāng)?shù)孛娴碾姶啪€圈感受到車輛超速時，把此信號反饋給補(bǔ)光燈，補(bǔ)光燈瞬間點(diǎn)亮，CCD在允許的感光時間內(nèi)接受到大量的物體反光，積累的電荷數(shù)迅速增加，那么補(bǔ)光燈點(diǎn)亮的那一幀畫面中，車牌就是清晰可見的，這就是我們在路口經(jīng)?？梢钥吹接行羲查g閃爍的原因，當(dāng)然補(bǔ)光燈何時閃爍完全可以由控制終端的軟件控制，車輛不超速的時候也可以補(bǔ)光，在任何需要的時候攝取明亮清晰的車輛照片。

　　所以，拍攝高速或快速運(yùn)動的物體時，一般傾向選用高速電子快門攝像機(jī)，其可以清晰地顯示出物體的運(yùn)動過程，非常適于拍攝人員跑步或者車輛行進(jìn)畫面。

　　自動光圈效果

　　自動電子快門還能實(shí)現(xiàn)自動光圈的效果，光圈如果開得比較小，自動電子快門就會自動調(diào)節(jié)到慢速狀態(tài)，增加CCD感光時間從而增加畫面的亮度，但是不可避免地會造成圖像拖影現(xiàn)象;相應(yīng)的如果光圈開得過大，進(jìn)光量過多，造成畫面很亮，那么自動電子快門就會自動調(diào)節(jié)到快速狀態(tài)，減少CCD的實(shí)際感光時間，減少CCD上的電荷積聚量，平衡畫面的亮度。

　　寬動態(tài)攝像機(jī)

　　目前市面上成熟的寬動態(tài)攝像機(jī)通常使用CCD二次或多次感光的方式成像，在明暗對比強(qiáng)烈的場合，攝像機(jī)首先用正?？扉T速度對場景曝光。這時，由于正?？扉T速度較慢，畫面中較暗的物體將會正常成像，但是由于感光時間較長，場景中明亮的物體將顯得亮度偏大，然后，攝像機(jī)用較快的快門再曝光一次，此時CCD感光時間不足，明亮物體的成像比較合適，但是原場景中較暗的物體將更暗，借助攝像機(jī)的DSP功能會把二副畫面切割后組合起來，最終形成一幅原場景中明暗各部分物體亮度都比較合適的圖像輸出。

　　由于寬動態(tài)攝像機(jī)不可避免地使用到正常速度的電子快門，所以在拍攝快速物體時就會產(chǎn)生拖尾，因此，不適合當(dāng)作交通卡口攝像機(jī)使用，只適合用在小區(qū)門口等場合，這類場合車輛行進(jìn)速度不快，同時由于夜間車燈和車牌的明暗對比相當(dāng)強(qiáng)烈，而這恰恰正是寬動態(tài)攝像機(jī)適宜的應(yīng)用場合。