聊聊快门：卷帘/全局快门与果冻效应 (卷帘快门相机)

前几天还看到一则关于快门技术的新闻，引发了小编的诸多思绪，那就随意跟大家分享一下吧。这条新闻就是索尼研究出了一块万像素的CMOS，啥？不是说快门么？怎么说到CMOS上去了？因为这是一块具有突破性的全局电子快门CMOS，换句话说就是所有像素的曝光、模数转换都能同时进行，而现在绝大多数CMOS相机的电子快门都是卷帘快门：从上到下逐行读取（机械快门无论纵走横走，也都属于此类）。

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　　为什么要逐行读取？因为模数转换器是逐行共用，因此只能一行一行地进行转换，也就是说想要实现全局快门，就需要更多地铺设模数转换器来实现更快的读取速度，这正是索尼做的事情——这块万像素堆栈式背照CMOS采用双层结构，上层为X像素阵列，下层则是X的模数转换器和个信号中继器阵列，像素与模数转换器数量几乎是1:1！即便现在它只是一块万像素的CMOS，依然处于研究状态，但它的应有优势可以说是*性的。

　　索尼方案的先进之处在于堆栈（感谢苹果，感谢NVIDIA），以往的全局快门CMOS规划是在成像像素A旁边规划一个储存像素B，A得到的模拟数据就传输给B来短暂保存，等待模数转换器进行逐行转换，期间A可以继续进行拍摄。但问题在于这种比较取巧的方案会浪费大量CMOS面积来摆放储存像素，也没有办法完全利用所有的入射光线，换句话说就是模拟信号先天不够，需要进行数字放大，因此这种规划的信噪比和动态范围都显著更低。而索尼这个新方案则是真正的全局电子快门，未来可期！　　既然提到全局快门、卷帘快门，就不得不说大家耳熟能详的果冻效应，果冻效应在照片和*拍摄里都会出现，而且机械快门和电子快门都有，胶片相机也躲不掉……照片里的果冻效应最显著的是物体扭曲，*里则是快速移动相机时出现断层，示例图如下：

　　可以看到扇叶高速旋转时，很容易就拍出右图的扭曲变形效果，形成果冻效应的根本原因在于CMOS读取速度太慢。如果对闪光灯稍有了解的话就应该知道同步速度这个概念，大多数数码相机的最高同步速度都不超1/秒，它的原本含义是机械快门幕帘跨越成像元件所需的时间，速度快于这个时间的快门实际上都不是全开的，可以参考下图进行理解：

　　上面一排是低速快门，也就是低于最快同步速度时，比如曝光1秒，可以看到快门是可以全开，感光元件最上和最下列会有同时曝光的情况，在这种情况下运用闪光灯，可以保证整个感光元件都能对受闪光灯照射的被摄物正确曝光。　　下面一排是高速快门，比如1/秒，虽然快门需要1/秒才能完全跨过感光元件，但只要将前后帘移动的时间差等同于你想要拍摄的快门时间，就能保证前后帘之间留出的缝隙扫过的感光元件区域都是你想要的曝光时间，所以同步速度的快慢对于快门速度没有影响。　　这时候回过头去看前面那张扇叶的照片你就应该明白了——CMOS最上面一排像素的曝光早于最下面一排接近1/秒，对于高速运转的物体来说，1/秒已经可以运动很长一段距离了，所以这就是果冻效应的一个根本原因。而对闪光灯来说，因为没有快门全开，超过最快同步速度时均匀曝光成为几乎不可能的事情，虽然也有采用多次闪光脉冲的方式实现高速同步，但闪光功率会显著降低，*比较多。

　　同步速度并不是做不快，比如大中画幅相机采用镜间快门速度就快很多，镜间快门是相似光圈的圆孔型形态规划（本来也是跟光圈基本贴在一起），而不是焦平面快门的方形，对于镜间快门来说，所有快门速度都可以闪光同步，1/秒也不算事儿，因此它有利于高速闪光摄影。不过相对于我们常见的焦平面快门来说，最高速度要更低一些，也会有时间误差，对景深也有一点影响，只能说是使用方向不一样所导致的不一样。

　　同步速度这个概念尤其是电子快门时代，指的就是CMOS从上到下读取所需的时间，数码单反相机因为有机械快门在前面挡着，CMOS读取速度只需要跟机械快门的同步速度一致即可。而机械快门的极限在多年前达到1/秒之后，就一直停留在1/秒，但我们知道机械快门属于精密加工，对工艺的要求很高，但电子快门就简单多了，所以电子快门一来就上到了1/秒这种机械快门几乎不可能做到的水平，但现有的电子快门基本都是做的电子前帘，每次拍摄只需要清空数据即可，如果后帘也做成电子快门，那就涉及到读取速度的问题，而读取速度的*也就是我们之前提到的：逐行数模转换。这也是索尼A9这种旗舰速度机，同步速度也依然被*在1/秒上的根本原因。所以，全局电子快门从根源上来看做的就是一件事情——加速，疯狂地为CMOS输出加速，并顺便搞定闪光同步、机械快门震动等问题。

　　事实上只要读取速度够快，哪怕是卷帘电子快门也能很大幅度降低果冻效应，还是拿索尼A9举例，它的全速输出速度是每秒万像素Xfps连拍=万，而它的4K*是X=万像素超采，/=0.，也就是毫秒，每秒帧速就是/=.3fps，满足电视电影制式的最低要求。因为我们在电影里其实很少有看到非常快速移动镜头的画面（会造成部分观看者不适），但自己拍*会比较随意，就容易观察到果冻效应，所以p的速度并不算太够用。简单来说想要知道果冻效应控制力度的优劣，对于现有的卷帘电子快门机型来说，只要看*拍摄帧速即可。　　简单举几个例子，ARRIAlexaMini的4K虽然是X上采样插值而来，但帧速可以到fps，2KCine的X辨别率甚至可以到fps，因此果冻效应对这种强力电影机来说问题不大。作为参考，松下GH5S的Mbps码率、4:2:bit色深DCI-4K*帧速为fps，降低码率到Mbps后可以提升到fps，再降低色深到4:2:bit后可以实现.fps。　　关于快门，大致就是想到这里，随着尼康佳能即将全面进入无反领域，在电子快门上的进步只会越来越快，这也算正是应了小胖的想法：数码相机已经迈进了电子时代，越来越多的核心技术已经摆脱机械加工的*，未来的相机领域也只会越来越*，想想也是很兴奋呀。