数码相机设计:捕捉包括运动的图像
文章：Richard Crisp
以下是数码相机设计如何捕捉包含运动的图像。万博投注网址
的第1部分本系列介绍了如何计算像素大小、焦距、焦比和光斑大小，以及这些参数如何影响曝光时间和图像大小，最终影响图像质量。第2部分将建立在这些知识的基础上，检查相机如何捕捉图像，包括在一个场景中的运动，看看不同类型的机械和电子百叶窗和他们如何操作的差异。
曝光时间和帧率
我们都见过场景中移动物体看起来很模糊的图像(图1)。因为相机需要一个有限的时间来曝光图像，在这段时间内发生的任何运动都会在几个像素上模糊图像特征(图2)。
图1当图像特征在几个像素上模糊时，拍摄的移动物体的照片看起来很模糊。来源:Etron
图2运动在有限的相机捕捉时间可以涂抹图像特征超过几个像素。来源:Etron
因此，如果有运动，那么减少模糊的一种方法是使曝光时间相对于图像在焦平面上移动的速度较短。不幸的是，这是有限度的。曝光时间不能任意缩短，因为考虑到焦比、相机灵敏度和场景照明强度，可能没有足够的曝光时间来捕捉可接受的图像。
为了设计出一个具有可接受结果的解决方案，我们需要对问题进行量化。让我们从一系列问题开始:
- 多少污迹是可接受的?
- 每个像素有多少毫拉是瞬时视野（ifov）？
- 最大曝光时间是多久?
- 这个点每秒移动多少像素?
- 曝光发生时，光斑移动了多少像素?
让我们假设我们可以容忍光斑在曝光过程中移动两个像素以上。我们还假设我们使用了第1部分的成像系统:2微米像素，10毫米焦距，目标在100米范围内。我们进一步假设物体的速度是10m / s垂直于摄像机。那么，我们能忍受的最大曝光时间是多少，同时仍然保持运动模糊不超过两个像素?
在第1部分中，我们学习了如何计算作为像素大小和焦距函数的IFOV。对于我们的2微米像素和10毫米焦距的例子，IFOV是0.2毫弧度每像素，这意味着在100米，一个像素覆盖20毫米。
因为，在本例中，我们指定目标在100米以外以10米每秒的速度移动，以像素表示，它以500像素每秒的速度穿过传感器——10米每秒/20毫米每像素。因为我们限制了不超过2像素的涂片，这限制了曝光时间到1/250秒或4毫秒。
如果我们创建一个视频的这一幕,4毫秒最大曝光时间相当于250帧每秒(FPS)所需的最小帧速率限制涂片在单个帧对象时不超过2像素旅行10米每秒100米范围内。
机械关闭
让我们来看看如何开始和停止曝光。当将焦平面阵列曝光到一个有运动的场景时，每个像素的曝光开始和停止方式变得很重要。像素和相应传感器读出结构的设计可以在读出过程中引入像模糊或失真这样的伪影。此外，在一定的曝光条件下，机械百叶窗会造成失真和遮阳现象。脉冲光源可以避免上述问题，但并不适用于所有的应用。
图3IRIS型快门有一组重叠刀片，可在中心打开和关闭。来源:Etron
机械百叶窗包括虹膜型百叶窗（图3)，车轮上的快门(图4)及设有滑动百叶窗的幕布计划(图5)。每个方案在其开-关周期中有不同的阶段:1)开-关开关时间，2)开-关开关时间，3)开-关开关时间，4)关开关时间。
当切换时间超过10%的时间时，当使用虹膜类型的百叶窗时，就有可能出现“快门遮阳”。中心打开的时间比边缘长，导致曝光时间不等。传感器相对于虹膜清晰直径越大，问题就越大。
图4预设功能轮遇到各种摄影情况。来源:Etron
图5带滑动百叶窗的窗帘方案可以平衡每个像素的曝光时间。来源:Etron
轮式和幕式快门可以平衡每个像素的曝光时间，因为它们在曝光开始和结束时都均匀地扫过传感器。然而，在所有的机械百叶中，焦平面畸变的可能性都会出现。每个像素的曝光开始和结束时间都是不同的，即使每个像素的快门设计都可能在同一时间曝光。
因为在车轮或窗帘百叶窗的情况下，每个像素的开始和结束时间是不同的，当图像帧发生运动时，焦平面畸变可能会发生。胶片相机和数码相机都是如此，这可以追溯到早期的摄影技术。的形象图6是焦平面畸变的早期例子，可以在图5的窗帘百叶窗中观察到。
图6这张照片是用窗帘式快门观察到的焦平面畸变的一个例子。来源:Etron
注意图片的底部是如何比顶部提前“关闭”的，导致快速移动的车辆弯曲。站着的观测者和垂直的极点没有这样的扭曲，因为它们没有移动;只有赛车手在移动，只有赛车手被扭曲。
当场景的亮度在快门期间快速变化时，当使用机械百叶窗时，可以观察到其他伪像。一个很好的例子是作为窗帘快门发生的闪电闪光灯（图7)。
图7当闪电闪烁时，图像的下部已经用快门半封闭。来源:Etron
虹膜快门，如果使用非常短的曝光，会在图像中留下伪影。图8展示了一个使用同时具有电子和机械虹膜快门的相机拍摄的图像的例子。左边的图片显示的是用于10毫秒曝光的机械快门。右边显示的是相同的曝光时间，但使用的是机械快门和电子快门来计时曝光。
图8左边显示的是机械快门，右边显示的是电子快门。来源:Etron
请注意，当使用电子快门时，机械快门是如何在图像中留下不均匀的图案，而不是均匀的图像。相机没有使用镜头;它对着昏暗的天花板。快门的过渡时间干扰了图像，在图像中留下了照明伪影。
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理查德脆是etron技术美国新产品开发的副总裁。
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