快門(mén)由來(lái)與發(fā)展

　　在了解電子快門(mén)的原理之前，有必要首先明白快門(mén)(Shutter)的由來(lái)和歷史演進(jìn)?？扉T(mén)的概念來(lái)自照相機(jī)。早期的攝影感光材料感光度很低，拍照時(shí)需要曝光很長(zhǎng)一段時(shí)間，故無(wú)所謂快門(mén)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(guó)人首次提出反射鏡快門(mén)專利，開(kāi)啟了快門(mén)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(mén)在結(jié)構(gòu)上逐漸分成了鏡間快門(mén)，又稱葉片式快門(mén)(Leaf Shutter)和焦平面式快門(mén)(focal-plane Shutter)兩種形式，同時(shí)隨著機(jī)械技術(shù)的進(jìn)步，快門(mén)結(jié)構(gòu)逐漸由光孔式演變?yōu)榻蛊矫姘鍫钍健r(shí)至今日，電子快門(mén)已經(jīng)取代了部分機(jī)械快門(mén)，并進(jìn)一步細(xì)分為電子式機(jī)械快門(mén)和純電子時(shí)間計(jì)量快門(mén)兩大類。其中電子時(shí)間計(jì)量快門(mén)，使得快門(mén)時(shí)間(Shutter Speed)得以大幅超越機(jī)械式快門(mén)對(duì)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(mén)機(jī)構(gòu)終于進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用，著名的德國(guó)相機(jī) Ur-Lieca(萊卡)首次安裝了幕簾平面快門(mén)，然而早期的快門(mén)設(shè)計(jì)存在較大缺陷，拍完卷片時(shí)還需要手動(dòng)蓋上鏡頭蓋以避免曝光。到了1935年，快門(mén)機(jī)構(gòu)終于可與測(cè)光系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，當(dāng)時(shí)的Contax Ⅲ型相機(jī)首創(chuàng)縱走式平面快門(mén)，讓快門(mén)速度突破到1/1000秒，加上其精確的測(cè)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(gè)可裝配的鋼片幕簾快門(mén)，為后來(lái)的電子式機(jī)械快門(mén)打下了根基，隨即前后簾幕式快門(mén)被設(shè)計(jì)出來(lái)，快門(mén)速度也不斷提高。

　　快門(mén)的意義

　　快門(mén)開(kāi)啟時(shí)間的長(zhǎng)短，直接控制入光量的多寡。在攝影領(lǐng)域，快門(mén)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(méi)變。

　　照相機(jī)內(nèi)部的快門(mén)大都是具體的機(jī)械快門(mén)，控制方式已由早期的手動(dòng)控制發(fā)展到現(xiàn)今的電子控制，可無(wú)論控制方式如何演進(jìn)，照相機(jī)的原理不變。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，是外界光線通過(guò)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(huà)面，而此過(guò)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(gè)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(kāi)合速度可以精確控制的閘門(mén)也就是快門(mén)，由此能精確控制進(jìn)光量。

　　電子快門(mén)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(mén)。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(mén)不同，攝像機(jī)采用電子快門(mén)，通過(guò)直接控制CCD圖像傳感器的感光時(shí)間，來(lái)改變目標(biāo)物體成像的亮度。

　　攝像機(jī)的工作原理簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是CCD根據(jù)通過(guò)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(huà)面的電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)濾波、放大處理，最終通過(guò)輸出端輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合視頻信號(hào)。對(duì)于PAL制式來(lái)說(shuō)，每秒鐘這樣的畫(huà)面有25幅，即幀率是25幀/秒，也就是說(shuō)，每秒鐘在CCD上有25次這樣電荷積累的重復(fù)過(guò)程。每個(gè)周期內(nèi)，只有部分時(shí)間給CCD感光，其余時(shí)間則用于信號(hào)處理放大和輸出，而CCD的實(shí)際感光時(shí)間決定了輸出畫(huà)面的明暗程度，亦即實(shí)際感光時(shí)間越長(zhǎng)，則CCD上積累的電荷數(shù)量就越多，最終輸出的信號(hào)強(qiáng)度就大，直觀畫(huà)面效果愈明亮。反之，如果CCD的實(shí)際感光時(shí)間短，那么電荷積累得就少，畫(huà)面就暗。

　　說(shuō)到底，CCD的感光實(shí)質(zhì)是信號(hào)電荷的積累，感光時(shí)間越長(zhǎng)，信號(hào)電荷的積累時(shí)間就越長(zhǎng)，輸出信號(hào)的電流幅值也就越大。所以，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)光時(shí)長(zhǎng)來(lái)調(diào)控進(jìn)光量大小，也即調(diào)控感光電荷的積累時(shí)間。對(duì)于攝像機(jī)是通過(guò)調(diào)整特定時(shí)鐘脈沖的寬度，來(lái)實(shí)現(xiàn)控制CCD的感光時(shí)間，從而決定輸出圖像的亮暗，即是通過(guò)DSP控制CCD感光時(shí)間的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)畫(huà)面亮度的控制，所以把這種技術(shù)稱之為電子快門(mén)(Electronic Shutter)。

　　電子快門(mén)應(yīng)用現(xiàn)狀及其他

　　對(duì)于隔行掃描系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，每一幅完整的畫(huà)面都分別由奇數(shù)場(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng)2幅畫(huà)面組合而成，亦即每秒鐘內(nèi)一共有25個(gè)奇數(shù)場(chǎng)和25個(gè)偶數(shù)場(chǎng)，也就是50副畫(huà)面，每一場(chǎng)CCD上都會(huì)累計(jì)電荷，如果能暫停若干場(chǎng)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(duì)某個(gè)場(chǎng)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(wú)疑可以提高信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)而提高畫(huà)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(chǎng)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(chǎng)景或者非運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，這樣即使丟幀也基本看不出來(lái)。

　　高速電子快門(mén)

　　高速電子快門(mén)可以讓攝像機(jī)清晰地拍攝高速運(yùn)動(dòng)的物體。普通攝像機(jī)在拍攝高速或者快速運(yùn)動(dòng)物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象，這是因?yàn)?，普通攝像機(jī)的電子快門(mén)速度不夠快，即一個(gè)周期內(nèi)CCD的感光時(shí)間太長(zhǎng)，在DSP控制下使CCD上積聚電荷的這段時(shí)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(huà)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(mén)的速度足夠的快，以至于在每個(gè)周期的CCD的感光時(shí)間內(nèi)(注意，周期不變，仍然是1/50秒)，物體只會(huì)在CCD的一個(gè)位置感光，那么隨后輸出的這一幀圖像上，物體就會(huì)成像在一個(gè)位置，如果每個(gè)成像周期內(nèi)CCD的實(shí)際感光時(shí)間都是這么短，那么在輸出的連續(xù)畫(huà)面上，物體的運(yùn)動(dòng)就是清晰的。一般來(lái)說(shuō)，只要每秒鐘幀率達(dá)到15以上，圖像的感覺(jué)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(huà)面，這些畫(huà)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(mén)起到了重要的作用，普通電子快門(mén)與高速電子快門(mén)的成像周期對(duì)比如圖1所示。[nextpage]

　　補(bǔ)光輔助

　　電子快門(mén)速度的加快，導(dǎo)致CCD的感光時(shí)間大大縮短，后果就是電荷積累量嚴(yán)重不足，造成畫(huà)面變暗，這幾乎是個(gè)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(mén)功能，此功能保證拍攝高速行進(jìn)的車(chē)輛時(shí)，由于電子快門(mén)速度足夠的快，每一時(shí)間車(chē)輛都只在CCD的一個(gè)位置成像，所以車(chē)輛運(yùn)動(dòng)軌跡是清晰的但是較為暗淡，同時(shí)，當(dāng)?shù)孛娴碾姶啪€圈感受到車(chē)輛超速時(shí)，把此信號(hào)反饋給補(bǔ)光燈，補(bǔ)光燈瞬間點(diǎn)亮，CCD在允許的感光時(shí)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(huà)面中，車(chē)牌就是清晰可見(jiàn)的，這就是我們?cè)诼房诮?jīng)?？梢钥吹接行羲查g閃爍的原因，當(dāng)然補(bǔ)光燈何時(shí)閃爍完全可以由控制終端的軟件控制，車(chē)輛不超速的時(shí)候也可以補(bǔ)光，在任何需要的時(shí)候攝取明亮清晰的車(chē)輛照片。

　　所以，拍攝高速或快速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，一般傾向選用高速電子快門(mén)攝像機(jī)，其可以清晰地顯示出物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，非常適于拍攝人員跑步或者車(chē)輛行進(jìn)畫(huà)面。

　　自動(dòng)光圈效果

　　自動(dòng)電子快門(mén)還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)光圈的效果，光圈如果開(kāi)得比較小，自動(dòng)電子快門(mén)就會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)到慢速狀態(tài)，增加CCD感光時(shí)間從而增加畫(huà)面的亮度，但是不可避免地會(huì)造成圖像拖影現(xiàn)象;相應(yīng)的如果光圈開(kāi)得過(guò)大，進(jìn)光量過(guò)多，造成畫(huà)面很亮，那么自動(dòng)電子快門(mén)就會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)到快速狀態(tài)，減少CCD的實(shí)際感光時(shí)間，減少CCD上的電荷積聚量，平衡畫(huà)面的亮度。

　　寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)

　　目前市面上成熟的寬動(dòng)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(duì)比強(qiáng)烈的場(chǎng)合，攝像機(jī)首先用正常快門(mén)速度對(duì)場(chǎng)景曝光。這時(shí)，由于正?？扉T(mén)速度較慢，畫(huà)面中較暗的物體將會(huì)正常成像，但是由于感光時(shí)間較長(zhǎng)，場(chǎng)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(mén)再曝光一次，此時(shí)CCD感光時(shí)間不足，明亮物體的成像比較合適，但是原場(chǎng)景中較暗的物體將更暗，借助攝像機(jī)的DSP功能會(huì)把二副畫(huà)面切割后組合起來(lái)，最終形成一幅原場(chǎng)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(dòng)態(tài)攝像機(jī)不可避免地使用到正常速度的電子快門(mén)，所以在拍攝快速物體時(shí)就會(huì)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(mén)口等場(chǎng)合，這類場(chǎng)合車(chē)輛行進(jìn)速度不快，同時(shí)由于夜間車(chē)燈和車(chē)牌的明暗對(duì)比相當(dāng)強(qiáng)烈，而這恰恰正是寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)適宜的應(yīng)用場(chǎng)合。