全局快门与滚动快门

注:本文原文转载自《GLOBAL & ROLLING SHUTTERS》,原作者为 RED 101 TEAM <learn@red.com> 。 感谢 Mario Calvo 提供文章封面。 译者 Gavin Foo <fuxiaopang@gmail.com>。

相机的快门决定了每次曝光时,光线被记录下来的方式以及时间。在这篇文章中,我们将会一同探讨从早期摄影机到现代数字摄影机中存在的各种快门机制。

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背景介绍

在胶片时代,快门就仅仅是一个介于镜头与胶片之间的旋转片。在快门的上面会有一个开口,每次曝光的时候就会让光线通过。当光线被遮挡时,胶片就转动到下一帧。这个过程会一直周而复始一直重复下去。也正因为如此,这种快门通常被称为“机械快门”或是“旋转快门”。

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机械快门

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基于传感器的快门(Sensor-Based Shutter)

 

注:实际上,旋转快门往往比上述图例的形状要复杂很多,但基本的原理是不变的。在这篇文章中,“photosite”(感光单元) 以及 “pixel”(像素)这两个术语可以互换使用,但是严格来说这是不同的两个概念。

对于大多数数码相机来说,快门是由传感器自身来控制的。感光元件(翻译中)是由上及下、一行一行被快速读取出来的,然后在下次曝光前被重置到初始状态,为下一次曝光做准备。这种简化可以减少相机中活动的部件,也正是因为不再需要在两帧之间移动胶片,所以我们可以完全自由地调整快门角度(翻译中)。

滚动快门(ROLLING SHUTTERS)

尽管上述的两种快门都可以在一段时间内记录下光线,但是它们两者都不能保证开始与结束记录光线的时间完全相同。这一类的快门被统称为“滚动快门”,因为这一类曝光都是典型的从图像一侧移动到另一侧。无论胶片还是数字机都是这样运作的。在使用旋转快门时,这种移动发生在每次开口经过胶片上方时。在使用基于传感器的快门时,这种移动发生在逐行扫描的时候。

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滚动快门往往会被大家忽视掉,在上个世纪几乎每一个电影都是使用的这种快门拍摄的。通常,初始化到终止收集的过程极快,大部分时间都花费在了全局收集光线或者数据传输堵塞上。然而,随着可以记录更慢速度传感器的出现,初始化和终止就可能会在每次曝光中占据越来越多的时间,甚至这两步可能会同时发生,最终导致只剩下一个亮条纹。

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曝光以条纹的形式划过传感器

在这种情况下,快速移动的物体就会出现倾斜或者剪断的效果,当相机移动很快时,就会出现果冻效应,尤其是当相机处于横摇状态、物体快速通过、高快门速度、跑或者枪之类的镜头时会非常明显。闪光灯也很有可能只会照亮画面中的一部分区域。

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横向运动
(物体运动相对速度快于感光器速度)

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录制下的画面
(在向下扫描中位置发生了偏移)

尽管滚动快门这个概念产生于胶片时代,但是现在却常在数字摄像机中提及它。不同的设备也会有各种不同的效果。在能拍摄视频的单反、袖珍摄像机以及数码摄像机等设备上,都可以很明显地显现出这一问题。

混合式快门(HYBRID SHUTTER)

在某些摄像机中,同时拥有机械快门以及基于传感器的快门。旋转快门通常被放置于传感器之前以抵消过慢的传感器读取速度。尽管这对传感器本身并没有任何改变,但是可以适当减少滚动快门在某些快门速度下的问题。

混合式快门通过旋转快门来控制光线,只允许每次曝光感光器初始化后到终止收集前这一期间有光线进入。如果旋转快门的速度比感光器的速度快的话,则每次需要更多的光来照亮感光单元。

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混合式快门通常被称为“全局快门”,但是严格来说,这依旧只是为数字设备优化过的旋转快门而已。滚动快门的那些问题依旧存在——尤其是在高帧速、高快门速度的时候,因为实际上快门还是在传感器上旋转扫过。并且,这种方法仅适用于所使用的感光元件可以同时捕捉到光线才可以。

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旋转快门通过感光元件

为数字感光器添加一个机械快门并非一定是个提升,它们可能会产生抖动以及噪音,而且这样一个额外的零件也更容易导致机器出现损坏。因此,想要实现真正的“全局快门”,则需要一个完全不同的技术……

全局快门(GLOBAL SHUTTER)

全局快门需要实现的是让所有的光线同时进入到感光元件上。在任何指定的时间点,这些元件要么同时开启,要么同时关闭。全局快门应该是突然暴露在光线下,然后又立刻被遮挡住,你可以理解为一次“硬快门”(hard shutter),或者是逐渐完成这一步也就是“软快门”(soft shutter)。由于并不存在运动的零件,所以这种快门又被称作“电子快门”(electronic shutter)。

timeline-global1硬快门
timeline-global2软快门

除非特别强调,全局快门指的就是突然地开启、关闭,也是就是硬全局快门。而软全局快门是近期被开发出来的,它可以解决时域混淆以及运动残影等问题。(temporal aliasing and other motion artifacts

全局快门是被公认为最适合拍摄动态物体的快门。它可以有效地避免滚动快门的问题。正是由于每一帧中的每一个细节都是同时出现的,所以像是开枪、爆炸就会如下呈现:

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滚动快门

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全局快门

注:上图的白气并非烟雾(smoke),它实际上是由于子弹的速度超过音速而产生的一个速度极快的压力波。这种典型镜头就不能使用滚动快门拍摄。这个例子实际上使用了软全局快门,详情参见这里

甚至相比于拥有更高快门速度的相机,全局快门可以完整地记录下闪光灯的全部光线:

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滚动快门

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全局快门

然而,尽管有这么多优点,全局快门也并非就是最合适的,比如:拥有细微滚动快门的效果可以使素材更具有电影感。有些全局快门在设计时降低了感光元件的敏感度以减少噪点的出现。

全局快门并不能替代正确的快门参数设置。一个常见的误解就是全局快门可以杜绝人造光闪烁(频闪)的出现,但实际上没有任何一种快门可以完全解决这个问题。解决这个问题只有两个方法:一个是使用无频闪的光源,另一个就是使用安全的快门速度以及正确的帧速率。

总结与讨论

如今的快门机制正趋于多样化。它们有机械转动的,有基于传感器控制的,甚至还有两者结合的混合式快门,也有近期新推出的可以均匀控制光线的全局快门。而关键就在于你要学会辨认他们,并熟知不同的快门会给你的画面带来什么样的效果。

总之,不同的快门类型有自己不同的运作方式,就好比不同的快门角度有不同的作用一样。最好的方案就定制适用于当前设备快门类型的内容与风格。在绝大多数情况下,高速的滚动快门都是非常合适的,因为这一类型的快门已经被使用了一个多世纪。当然在某些特殊情况下选择全局快门也是必要的。

正在翻译中的其他内容

  • 本篇文章的第二部分:《电影中的时域混叠》
  • 通过快门角度来控制影像:《快门角度以及应用》

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