快门成像实验室SHUTTER LAB / DLCV 原理模拟 · 非实拍

EXPOSURE, ROW BY ROW

同一束光,
为什么拍出两种结果?

从“哪一行,什么时候收光”开始,
看懂 ERS 与 GRR,而不只记住两个缩写。

先记住这一点

同时开始 ≠ 同时结束

ERS:每行依次开始、依次结束。
GRR:所有行一起开始,仍然依次结束。

ERS · 电子卷帘快门GRR · 全局复位释放

GRR 不是完整的全局快门(GS)。[1]

01 / INTERACTIVE LAB

选一个场景,直接看差别

两侧始终使用相同的物体、光照与增益
ERS

逐行开始,逐行结束

Electronic Rolling Shutter
模拟成像

每一行的收光窗口时间 →
GRR

同时开始,逐行结束

Global Reset Release
模拟成像

每一行的收光窗口时间 →
积分:还在收光读出采样:该行积分结束短闪光全部行共同曝光窗口
↳

教学模型:均匀照明、匀速水平运动、线性光积分、统一 sRGB 显示。无自动曝光、无噪声或 ISP 校正;不是 AR0521 实测,也不复刻曾出现的异常硬亮带。扫描方向假设为从上到下。

02 / READ THE TIMING

把“曝光”和“读出”分开看

打开可分享的原理讲义 ↗
01

ERS:平移的同长度窗口

每行都收光 T 毫秒,但后一行比前一行更晚开始。缩短 T 可以减轻单行拖影,不等于消除行间时间差 S。

第 r 行:[r·Δt, r·Δt + T]

静态 + 均匀常亮光:各行积分相同。运动时:各行拍到不同位置。[1]

02

GRR:同起点的不同长度窗口

全部行同时释放复位,第一行在 T 时结束,最后一行在 T + S 时结束。持续光照下,后读出的行会继续收光。

第 r 行:[0, T + r·Δt]

因此可以出现平滑亮度梯度;物体运动时,也仍可能拖影和变形。[1]

03

短闪光:让光替你结束成像

所有行都在收光时,用同一次短闪光照亮物体。若环境光足够弱,主要有效成像时间由闪光宽度 τ 决定。

运动拖影 ≈ 速度 v × 闪光宽度 τ

常亮补光不等于短闪光。环境光过强仍会叠加拖尾和 GRR 梯度。

不是 GRR 独有的能力

ERS 也可以有整幅闪光窗口

GRR 的共同窗口为 [0, T];ERS 为 [S, T],只有 T > S 时才有正长度窗口。闪光必须完整落入窗口,还要预留硬件同步裕量。[2]

计算模型与适用边界

r 从 0 开始,Δt 为行间隔,S = (N − 1)·Δt。模型用 360 个显示行表示一幅图,非硬件行数;T 是 ERS 每行积分时间或 GRR 首行积分时间,不把它直接等同于 AR0521 两种模式下的同一个 CIT 寄存器值。

I(x,r) ∝ ∫该行曝光窗口 [ A + F · 闪光开关(t) ] · 目标反射率(x − v·t, r) dt

图像由移动纹理的分段积分生成,不是对成图施加倾斜或模糊滤镜。显示时统一用 6 个“相对光强·毫秒”为白色参考,应用同一增益与 sRGB 映射,超出范围裁白;未对行或相机自动归一化。

慢放显示的是“截至当前时刻累计的信号”,不是传感器真的能实时输出尚未读出的像素。两个模式从各自首行开始时刻对齐;实际触发延迟、复位稳定时间、消隐、闪光电气延迟均未建模。

“首末行光量比”比较的是同一反射率目标收到的总光量,不是运动图中两条不同内容的灰度均值。既不模拟暗电流、读出噪声、满阱电荷,也不预测具体相机的色彩与动态范围。

03 / CHOOSE BY THE LIGHT

四种场景,应该看什么?

场景ERSGRR讲解重点
高速 · 亮环境
无外部补光
运动轮廓倾斜;单行也会有拖影并非自动冻结;下方收光更久,可能更亮、更模糊需要精确测量时,应考虑真正 GS,或控制照明与运动
高速 · 暗环境
有同步短闪光
短曝光时容易只亮部分行;长曝光共同窗口可整幅冻结脉冲在共同窗口内、且闪光占主导时,整幅近似同一瞬间冻结由光的时间窗口决定,不只由模式名称决定
静态 · 亮环境
无补光
没有运动形变;均匀光下各行亮度一致没有运动形变,但仍有曝光时长造成的亮度梯度“形状正确”与“亮度均匀”是两个问题
静态 · 暗环境
无补光
信号弱;静物允许用更长曝光收集光子也缺光;后读行可能更亮,不代表灵敏度整体更好两种模式都不能凭空造光;真实设备还需考虑噪声
真正的 Global Shutter(GS)呢?

所有行同时开始、同时结束曝光,之后仍然可以逐行读出。它能避免行间曝光时刻错位,但曝光太长,运动物体照样会模糊。[1]