快門由來與發(fā)展

　　在了解電子快門的原理之前，有必要首先明白快門(Shutter)的由來和歷史演進?？扉T的概念來自照相機。早期的攝影感光材料感光度很低，拍照時需要曝光很長一段時間，故無所謂快門存在與否，因此在1870年以前，大部分相機都還是以鏡頭蓋作為控制曝光量的工具。到1884年，美國人首次提出反射鏡快門專利，開啟了快門技術研發(fā)的先河。伴隨著感光材料的同步提升，1900年快門在結構上逐漸分成了鏡間快門，又稱葉片式快門(Leaf Shutter)和焦平面式快門(focal-plane Shutter)兩種形式，同時隨著機械技術的進步，快門結構逐漸由光孔式演變?yōu)榻蛊矫姘鍫钍健r至今日，電子快門已經取代了部分機械快門，并進一步細分為電子式機械快門和純電子時間計量快門兩大類。其中電子時間計量快門，使得快門時間(Shutter Speed)得以大幅超越機械式快門對速度的控制，甚至已可達到 1/10000 秒的“神速”境界。

　　到1914年快門機構終于進入了實際應用，著名的德國相機 Ur-Lieca(萊卡)首次安裝了幕簾平面快門，然而早期的快門設計存在較大缺陷，拍完卷片時還需要手動蓋上鏡頭蓋以避免曝光。到了1935年，快門機構終于可與測光系統(tǒng)聯(lián)動，當時的Contax Ⅲ型相機首創(chuàng)縱走式平面快門，讓快門速度突破到1/1000秒，加上其精確的測光能力，由此建立了CONTAX的名聲。接著在1960年，Copal發(fā)明了世界上第一個可裝配的鋼片幕簾快門，為后來的電子式機械快門打下了根基，隨即前后簾幕式快門被設計出來，快門速度也不斷提高。

　　快門的意義

　　快門開啟時間的長短，直接控制入光量的多寡。在攝影領域，快門數(shù)字的設定和顯示，是以幾分之一秒鐘為單位，不論是膠卷機還是數(shù)碼相機，這種顯示方式至今沒變。

　　照相機內部的快門大都是具體的機械快門，控制方式已由早期的手動控制發(fā)展到現(xiàn)今的電子控制，可無論控制方式如何演進，照相機的原理不變。簡單說來，是外界光線通過鏡頭進入相機內部，在膠卷等感光部件上感應出相應的畫面，而此過程中，進入相機內的光線數(shù)量決定了成像的明暗程度。故此若想控制成像的明暗，就必須控制相機的進光量。調節(jié)鏡頭的光圈是一個辦法，但是當光圈大小固定后，調節(jié)進光量最合適的辦法就是在鏡頭后面設一道開合速度可以精確控制的閘門也就是快門，由此能精確控制進光量。

　　電子快門原理

　　監(jiān)控工程中使用的攝像機也要控制獲取圖像的亮度，所以攝像機內部也需要有快門。但是攝像機的成像原理不同于傳統(tǒng)照相機，更接近現(xiàn)在的數(shù)碼照相機。其成像器件不再是感光底片，而是CCD電荷耦合器件。并且和照相機所用的機械快門不同，攝像機采用電子快門，通過直接控制CCD圖像傳感器的感光時間，來改變目標物體成像的亮度。

　　攝像機的工作原理簡單地說，就是CCD根據通過鏡頭匯聚于其上的光線強弱感應出相應的電荷，并經由周期性放電，產生出一幅幅畫面的電信號，再經過濾波、放大處理，最終通過輸出端輸出一個標準的復合視頻信號。對于PAL制式來說，每秒鐘這樣的畫面有25幅，即幀率是25幀/秒，也就是說，每秒鐘在CCD上有25次這樣電荷積累的重復過程。每個周期內，只有部分時間給CCD感光，其余時間則用于信號處理放大和輸出，而CCD的實際感光時間決定了輸出畫面的明暗程度，亦即實際感光時間越長，則CCD上積累的電荷數(shù)量就越多，最終輸出的信號強度就大，直觀畫面效果愈明亮。反之，如果CCD的實際感光時間短，那么電荷積累得就少，畫面就暗。

　　說到底，CCD的感光實質是信號電荷的積累，感光時間越長，信號電荷的積累時間就越長，輸出信號的電流幅值也就越大。所以，通過調節(jié)進光時長來調控進光量大小，也即調控感光電荷的積累時間。對于攝像機是通過調整特定時鐘脈沖的寬度，來實現(xiàn)控制CCD的感光時間，從而決定輸出圖像的亮暗，即是通過DSP控制CCD感光時間的方式來實現(xiàn)畫面亮度的控制，所以把這種技術稱之為電子快門(Electronic Shutter)。

　　電子快門應用現(xiàn)狀及其他

　　對于隔行掃描系統(tǒng)來說，每一幅完整的畫面都分別由奇數(shù)場和偶數(shù)場2幅畫面組合而成，亦即每秒鐘內一共有25個奇數(shù)場和25個偶數(shù)場，也就是50副畫面，每一場CCD上都會累計電荷，如果能暫停若干場電荷的轉移處理，使其光敏原件內部的電荷得以暫存，直到對某個場景進行多次感光后再進行電荷轉移，由于這期間，電荷累積到較多的數(shù)量，無疑可以提高信號的強度進而提高畫面亮度，但是這樣做的后果是降低了攝像機的幀率，造成丟幀，所以，市面上以這種多場積累電荷方式提高照度的攝像機，通常只適合監(jiān)控靜止場景或者非運動場景，這樣即使丟幀也基本看不出來。

　　高速電子快門

　　高速電子快門可以讓攝像機清晰地拍攝高速運動的物體。普通攝像機在拍攝高速或者快速運動物體時會產生拖尾現(xiàn)象，這是因為，普通攝像機的電子快門速度不夠快，即一個周期內CCD的感光時間太長，在DSP控制下使CCD上積聚電荷的這段時間內，物體在CCD上不同的感光位置都已經成了像，于是我們看到的畫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?在了解了拖尾產生的原因后，我們就很清楚，只要攝像機的電子快門的速度足夠的快，以至于在每個周期的CCD的感光時間內(注意，周期不變，仍然是1/50秒)，物體只會在CCD的一個位置感光，那么隨后輸出的這一幀圖像上，物體就會成像在一個位置，如果每個成像周期內CCD的實際感光時間都是這么短，那么在輸出的連續(xù)畫面上，物體的運動就是清晰的。一般來說，只要每秒鐘幀率達到15以上，圖像的感覺就是連續(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)實生活中，我們經常能在電視上看到關于子彈或者導彈飛行的畫面，這些畫面的拍攝就是采用高速攝像機，子彈的飛行軌跡相當清晰，攝像機的高速快門起到了重要的作用，普通電子快門與高速電子快門的成像周期對比如圖1所示。[nextpage]

　　補光輔助

　　電子快門速度的加快，導致CCD的感光時間大大縮短，后果就是電荷積累量嚴重不足，造成畫面變暗，這幾乎是個不可調和的矛盾，如果要解決的話，只能采取補光的辦法，交通卡口的原理就是如此。

　　交通卡口所使用的攝像機具有高速電子快門功能，此功能保證拍攝高速行進的車輛時，由于電子快門速度足夠的快，每一時間車輛都只在CCD的一個位置成像，所以車輛運動軌跡是清晰的但是較為暗淡，同時，當?shù)孛娴碾姶啪€圈感受到車輛超速時，把此信號反饋給補光燈，補光燈瞬間點亮，CCD在允許的感光時間內接受到大量的物體反光，積累的電荷數(shù)迅速增加，那么補光燈點亮的那一幀畫面中，車牌就是清晰可見的，這就是我們在路口經?？梢钥吹接行羲查g閃爍的原因，當然補光燈何時閃爍完全可以由控制終端的軟件控制，車輛不超速的時候也可以補光，在任何需要的時候攝取明亮清晰的車輛照片。

　　所以，拍攝高速或快速運動的物體時，一般傾向選用高速電子快門攝像機，其可以清晰地顯示出物體的運動過程，非常適于拍攝人員跑步或者車輛行進畫面。

　　自動光圈效果

　　自動電子快門還能實現(xiàn)自動光圈的效果，光圈如果開得比較小，自動電子快門就會自動調節(jié)到慢速狀態(tài)，增加CCD感光時間從而增加畫面的亮度，但是不可避免地會造成圖像拖影現(xiàn)象;相應的如果光圈開得過大，進光量過多，造成畫面很亮，那么自動電子快門就會自動調節(jié)到快速狀態(tài)，減少CCD的實際感光時間，減少CCD上的電荷積聚量，平衡畫面的亮度。

　　寬動態(tài)攝像機

　　目前市面上成熟的寬動態(tài)攝像機通常使用CCD二次或多次感光的方式成像，在明暗對比強烈的場合，攝像機首先用正?？扉T速度對場景曝光。這時，由于正?？扉T速度較慢，畫面中較暗的物體將會正常成像，但是由于感光時間較長，場景中明亮的物體將顯得亮度偏大，然后，攝像機用較快的快門再曝光一次，此時CCD感光時間不足，明亮物體的成像比較合適，但是原場景中較暗的物體將更暗，借助攝像機的DSP功能會把二副畫面切割后組合起來，最終形成一幅原場景中明暗各部分物體亮度都比較合適的圖像輸出。

　　由于寬動態(tài)攝像機不可避免地使用到正常速度的電子快門，所以在拍攝快速物體時就會產生拖尾，因此，不適合當作交通卡口攝像機使用，只適合用在小區(qū)門口等場合，這類場合車輛行進速度不快，同時由于夜間車燈和車牌的明暗對比相當強烈，而這恰恰正是寬動態(tài)攝像機適宜的應用場合。