Understanding CMOS Image Sensor(一)

熟悉摄影的人都会知道,如果被拍摄的物体在相对摄像机运动,则需要使用比较短的曝光时间,否则画面就会出现运动模糊,这是因为在曝光过程中物体不断从一个像素位置转移到另一个像素位置,物体运动速度越快,运动模糊越严重,如下图所示。

Understanding CMOS Image Sensor(一)

在下图的例子中,由于弹琴的手在不停地移动位置,所以在很多像素上都会留下一点曝光的痕迹,却没有任何一个像素上停留足够久的时间。

Understanding CMOS Image Sensor(一)

以拍摄人物为例,当在画面中以正常速度步行时,如果曝光时间大于1/30秒(约30ms)则画面就开始出现运动模糊,下图给出了一组经验值,用于参考绝对曝光时间和运动模糊的关系。

Understanding CMOS Image Sensor(一)

在智能交通(ITS)领域,普通城市路面监控一般要求曝光时间短于1/60s,否则拍到的车牌就开始模糊,如果曝光时间更长则夜间的车灯就会出现明显的拖尾现象,如下图所示。

Understanding CMOS Image Sensor(一)

如果拍摄对象是鸟类这种动若脱兔的目标,则曝光时间不能超过1/125s(<10ms),否则很容易出现运动模糊。

Understanding CMOS Image Sensor(一)

当然,摄影技术中还存在一个专门的分支叫做高速摄影和超高速摄影,通常用于捕捉高速飞行的子弹,或者火箭发动机点火的过程,此时曝光时间需要锁定在微秒甚至纳秒级别。

Understanding CMOS Image Sensor(一)

Understanding CMOS Image Sensor(一)

1.7 Rolling shutter 效应

卷帘曝光的最显著特点是每一行像素开始曝光的时间点是不同的,是与像素位置有关的的函数。当画面中存在运动的物体时,物体在曝光过程中空间位置在不断变化,画面就发生变形,物体速度越快,变形就越严重。

Understanding CMOS Image Sensor(一)

下面的动画可以很好地说明这种效果的成因。

Understanding CMOS Image Sensor(一)

正常螺旋桨

形成原因

Understanding CMOS Image Sensor(一)

这种形变通常称为RS效应,或者“果冻效应”(Jello effect),指图像出现扭曲、倾斜等现象,仿佛进入了“时空扭曲”的世界一般。

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与rolling shutter 做对比的是CCD sensor 采用的全局快门 (global shutter),其特点是sensor 上所有像素是在同一瞬间全部开始曝光的,因此sensor 采集的是物体在同一时间点的画面。下图是两种曝光方式的对比。

Understanding CMOS Image Sensor(一)

Understanding CMOS Image Sensor(一)

一般来说,RS效应存在三种表现形式,前两种属于画面畸变,合称果冻效应。

整体倾斜(skew),如下图车辆的例子

Understanding CMOS Image Sensor(一)

Understanding CMOS Image Sensor(一)

传送带上的电路板图像运动skew

图像摇摆(wobble),如下图所示

在无人机、车载等应用中,camera本身随载具平台一起运动,平台的高频机械振动会对成像造成较大扰动,图像产生摇摆。即使在安防场景中,如果camera附近存在振动源(如空调电机)也会产生同样的问题。

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部分闪光(partial flash),如下图所示 普通摄影闪光灯的闪光时间 通常只有几个毫秒,显著短于一帧图像的成像时间,因此只有一部分画面能够被闪光照亮。

Understanding CMOS Image Sensor(一)

微软研究院的Simon等人使用光流法追踪摇摆像素的运动矢量,从而对摇摆进行校正。

Understanding CMOS Image Sensor(一)

Understanding CMOS Image Sensor(一)

针对手机拍摄的场景,斯坦福的Alexandre等人使用手机自带的加速度传感器提取camera的加速度信号用于补偿图像摆动。

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