聊聊快門：捲簾/全局快門與果凍效應

好久不見！！春節期間小胖到處溜達了一下，所以沒有發文。雖然剛剛回國，但畢竟按照國家規定今天就已經開工啦，同時前幾天還看到一則關於快門技術的新聞，引發了小胖的諸多思緒，那就隨意跟大家分享一下吧。

這條新聞就是索尼研發出了一塊146萬像素的CMOS，啥？不是說快門么？怎麼說到CMOS上去了？因為這是一塊具有突破性的全局電子快門CMOS，換句話說就是所有像素的曝光、模數轉換都能同時進行，而目前絕大多數CMOS相機的電子快門都是捲簾快門：從上到下逐行讀取（機械快門無論縱走橫走，也都屬於此類）。

為什麼要逐行讀取？因為模數轉換器是逐行共用，因此只能一行一行地進行轉換，也就是說想要實現全局快門，就需要更多地鋪設模數轉換器來實現更快的讀取速度，這正是索尼做的事情——這塊146萬像素堆棧式背照CMOS採用雙層結構，上層為1639 X 896像素陣列，下層則是816 X 1792的模數轉換器和408個信號中繼器陣列，像素與模數轉換器數量幾乎是1:1！即便目前它只是一塊146萬像素的CMOS，依然處於研髮狀態，但它的應有優勢可以說是革命性的。

索尼方案的先進之處在於堆棧（感謝蘋果，感謝NVIDIA），以往的全局快門CMOS設計是在成像像素A旁邊設計一個存儲像素B，A得到的模擬數據就傳輸給B來短暫保存，等待模數轉換器進行逐行轉換，期間A可以繼續進行拍攝。但問題在於這種比較取巧的方案會浪費大量CMOS面積來擺放存儲像素，也沒有辦法完全利用所有的入射光線，換句話說就是模擬信號先天不足，需要進行數字放大，因此這種設計的信噪比和動態範圍都明顯更低。而索尼這個新方案則是真正的全局電子快門，未來可期！

既然提到全局快門、捲簾快門，就不得不說大家耳熟能詳的果凍效應，果凍效應在照片和視頻拍攝里都會出現，而且機械快門和電子快門都有，膠片相機也躲不掉……照片里的果凍效應最明顯的是物體扭曲，視頻里則是快速移動相機時出現斷層，示例圖如下：

可以看到扇葉高速旋轉時，很容易就拍出右圖的扭曲變形效果，形成果凍效應的根本原因在於CMOS讀取速度太慢。如果對閃光燈稍有了解的話就應該知道同步速度這個概念，大多數數碼相機的最高同步速度都不超1/250秒，它的原本含義是機械快門幕簾跨越成像元件所需的時間，速度快於這個時間的快門實際上都不是全開的，可以參考下圖進行理解：

上面一排是低速快門，也就是低於最快同步速度時，比如曝光1秒，可以看到快門是可以全開，感光元件最上和最下列會有同時曝光的情況，在這種情況下使用閃光燈，可以保證整個感光元件都能對受閃光燈照射的被攝物正確曝光。

下面一排是高速快門，比如1/8000秒，雖然快門需要1/250秒才能完全跨過感光元件，但只要將前後簾移動的時間差等同於你想要拍攝的快門時間，就能保證前後簾之間留出的縫隙掃過的感光元件區域都是你想要的曝光時間，所以同步速度的快慢對於快門速度沒有影響。

這時候回過頭去看前面那張扇葉的照片你就應該明白了——CMOS最上面一排像素的曝光早於最下面一排接近1/250秒，對於高速運轉的物體來說，1/250秒已經可以運動很長一段距離了，所以這就是果凍效應的一個根本原因。而對閃光燈來說，因為沒有快門全開，超過最快同步速度時均勻曝光成為幾乎不可能的事情，雖然也有採用多次閃光脈衝的方式實現高速同步，但閃光功率會明顯降低，限制比較多。

同步速度並不是做不快，比如大中畫幅相機採用鏡間快門速度就快很多，鏡間快門是類似光圈的圓孔型形態設計（本來也是跟光圈基本貼在一起），而不是焦平面快門的方形，對於鏡間快門來說，所有快門速度都可以閃光同步，1/2000秒也不算事兒，因此它有利於高速閃光攝影。不過相對於我們常見的焦平面快門來說，最高速度要更低一些，也會有時間誤差，對景深也有一點影響，只能說是應用方向不同所導致的不同。

同步速度這個概念尤其是電子快門時代，指的就是CMOS從上到下讀取所需的時間，數碼單反相機因為有機械快門在前面擋著，CMOS讀取速度只需要跟機械快門的同步速度一致即可。而機械快門的極限在20多年前達到1/12000秒之後，就一直停留在1/8000秒，但我們知道機械快門屬於精密加工，對工藝的要求很高，但電子快門就簡單多了，所以電子快門一來就上到了1/32000秒這種機械快門幾乎不可能做到的水平，但現有的電子快門基本都是做的電子前簾，每次拍攝只需要清空數據即可，如果後簾也做成電子快門，那就涉及到讀取速度的問題，而讀取速度的限制也就是我們之前提到的：逐行數模轉換。這也是索尼A9這種旗艦速度機，同步速度也依然被限制在1/250秒上的根本原因。所以，全局電子快門從根源上來看做的就是一件事情——加速，瘋狂地為CMOS輸出加速，並順便解決閃光同步、機械快門震動等問題。

事實上只要讀取速度夠快，哪怕是捲簾電子快門也能很大幅度降低果凍效應，還是拿索尼A9舉例，它的全速輸出速度是每秒2430萬像素X 20fps連拍=48600萬，而它的4K視頻是6000 X 3376=2025萬像素超采，2025/48600=0.0416，也就是41毫秒，每秒幀速就是1000/41=24.3fps，滿足電視電影制式的最低要求。因為我們在電影里其實很少有看到非常快速移動鏡頭的畫面（會造成部分觀看者不適），但自己拍視頻會比較隨意，就容易觀察到果凍效應，所以24p的速度並不算太夠用。簡單來說想要知道果凍效應控制力度的優劣，對於現有的捲簾電子快門機型來說，只要看視頻拍攝幀速即可。

簡單舉幾個例子，ARRI Alexa Mini的4K雖然是3200 X 1800上採樣插值而來，但幀速可以到60fps，2K Cine的2048 X 1152解析度甚至可以到200fps，因此果凍效應對這種強力電影機來說問題不大。作為參考，松下GH5S的400Mbps碼率、4:2:2 10bit色深DCI-4K視頻幀速為24fps，降低碼率到150Mbps後可以提升到30fps，再降低色深到4:2:0 8bit後可以實現59.94fps。

關於快門，大致就是想到這裡，隨著尼康佳能即將全面進入無反領域，在電子快門上的進步只會越來越快，這也算正是應了小胖的想法：數碼相機已經邁進了電子時代，越來越多的核心技術已經擺離線械加工的限制，未來的相機領域也只會越來越刺激，想想也是很興奮呀。

PS：隨筆行文，難免可能會有不嚴謹之處，若有指教請移步評論區，感激不盡，再次祝大家狗年大吉！