在工业相机和机器视觉领域，快门技术是决定图像质量和应用场景的关键因素。全局快门、卷帘快门和全局复位式卷帘快门这三种主流快门类型各有特色，适用于不同场景。本文将从工作原理、时序控制、图像生成过程、优缺点及应用场景等多维度进行深入分析，帮助您根据具体需求选择合适的快门技术。

一、基本定义与工作原理

1. 全局快门（Global Shutter）

定义：全局快门是指图像传感器上所有像素点在同一时刻开始和结束曝光，形成一个"瞬时快照"。

工作原理：

l 所有像素同时开启曝光，无时间差

l 每个像素集成存储单元（如额外电容），曝光后电荷暂存

l 曝光完成后，再逐行读取存储单元中的电荷数据

l 通过全局复位信号同步所有像素的曝光起始和结束

2. 卷帘快门（Rolling Shutter）

定义：卷帘快门是指像素逐行（或逐列）顺序曝光，每行之间有微秒级延迟，类似于窗帘或百叶窗的滚动效果。

工作原理：

l 从传感器顶部第一行开始曝光

l 当第一行完成曝光并开始读出时，第二行才开始曝光

l 曝光和读取同步进行，当前行在读出的同时，下一行开始曝光

l 逐行积分的工作机制导致不同行的曝光时间不同


3. 全局复位式卷帘快门（Global_reset rolling Shutter，GRR）

定义：全局复位式卷帘快门是在卷帘快门基础上，通过全局复位信号使所有行同时开始曝光，但结束曝光仍逐行进行的技术。

工作原理：

l 通过全局复位信号同步所有像素的曝光起始时间

l 曝光开始后，各像素行仍按卷帘方式逐行结束曝光

l 需要配合闪光灯使用，确保曝光期间光照均匀

l 读出过程与卷帘快门相同，但起始时间同步

二、时序控制与图像生成过程对比

1. 全局快门时序

全局快门的时序控制非常简单直接：

l 阶段1：所有像素同时复位，清除之前积累的电荷

l 阶段2：所有像素同时开启曝光，持续设定的曝光时间

l 阶段3：所有像素同时关闭曝光，停止光子收集

l 阶段4：逐行读取各像素存储单元中的电荷数据

整个过程中，所有像素的曝光时间完全一致，不存在行间差异  。图像生成过程如下：

2. 卷帘快门时序

卷帘快门的时序控制更为复杂：

l 阶段1：第一行像素复位并开始曝光

l 阶段2：第一行曝光完成后，开始读取数据，同时第二行复位并开始曝光

l 阶段3：此过程持续到最后一行完成曝光和读取

l 阶段4：所有行数据读取完成后，形成完整图像

曝光时间在不同行之间存在差异，导致运动物体在图像中可能出现位置偏移  。图像生成过程如下：

3. 全局复位式卷帘快门时序

GRR技术结合了全局快门和卷帘快门的特点：

l 阶段1：所有像素同时复位并开始曝光（通过全局复位信号实现）

l 阶段2：各像素行按卷帘方式逐行结束曝光并读取数据

l 阶段3：读出过程中，所有行已完成曝光，但结束时间不同

l 阶段4：配合闪光灯在曝光期间提供均匀光照，减少亮度差异

三、图像质量与动态捕捉效果

1. 全局快门的图像特性

全局快门在动态捕捉方面表现优异：

l 无果冻效应：所有像素同时曝光，运动物体在不同行不会出现位置偏移

l 无拖影现象：即使在较长曝光时间内，也能保持物体形状完整

l 边缘清晰：对于高速旋转物体（如风扇叶片），能清晰捕捉边缘

l 时序一致性：图像中各部分的时间信息一致，适合多相机协同应用

2. 卷帘快门的图像缺陷

卷帘快门在动态捕捉方面存在明显缺陷：

l 果冻效应：高速运动物体在不同行曝光时间不同，导致图像变形

l 拖影现象：运动物体在曝光和读出过程中位置变化，形成轨迹叠加

l 亮度不均：闪光灯使用时，不同行的曝光时间差异可能导致亮度不一致

l 时序错位：图像不同区域记录的是物体在不同时间点的位置信息

3. GRR技术的改进效果

全局复位式卷帘快门通过技术改进：

l 减少果冻效应：所有行同时开始曝光，但结束仍逐行进行

l 降低拖影现象：配合闪光灯使用时，可有效减少拖影

l 保持高分辨率：继承卷帘快门的高分辨率优势

l 时序部分同步：起始时间同步，但结束时间仍存在行间差异

四、性能参数与技术特性对比

参数/特性	全局快门	卷帘快门	GRR技术
曝光同步性	所有像素完全同步	逐行异步曝光	起始同步，结束异步
噪点水平	中等（依赖传感器设计）	低（无存储单元额外噪声）	中等（接近全局快门）
最小曝光时间	较长（受存储单元限制）	极短（无存储单元限制）	接近卷帘快门
最大帧率	较低	较高	中等（介于两者之间）
成本	高（需额外存储单元）	低（结构简单）	中等（比全局快门低）
动态捕捉能力	优秀（无畸变）	差（果冻效应明显）	良好（需配合闪光灯）
光源要求	无特殊要求	无特殊要求	需配合闪光灯使用

五、应用场景分析

1. 全局快门的适用场景

全局快门最适合以下应用场景：

l 高速生产线检测：如食品包装、药品分拣等需要快速捕捉的场景

l 交通监控：车辆行驶、车牌识别等需要避免拖影的应用

l 运动物体测量：如速度、位置、尺寸等精确测量

l 多相机协同系统：需要时序一致性的多个相机配合应用

l 极端光照变化环境：如闪光灯频繁触发的场景

实际案例：索尼的Pregius™技术结合了CCD优异的低噪点特性和全局快门的高速性能，特别适用于生产线内的机器视觉检查，可高速及高精度地进行图像检测，大幅提高生产效率。

2. 卷帘快门的适用场景

卷帘快门更适合以下应用场景：

l 静态或低速物体拍摄：如文档扫描、静态产品展示等

l 低光照环境：如夜间监控、室内弱光场景

l 高分辨率需求：如医疗影像、科研显微成像等需要高像素的应用

l 预算有限的项目：成本优势明显，适合大规模部署

l 固定场景监控：如安防摄像头、会议室视频设备等

实际案例：在OAK相机的分体式应用中，卷帘快门传感器可以达到3200万像素的高分辨率，同时保持较低的成本，适用于不需要高速动态捕捉的场景。

3. GRR技术的适用场景

全局复位式卷帘快门适合以下特殊场景：

l 需要高分辨率且配合闪光灯的场景：如OAK-FFC-4P及OAK-FFC-3P等分体式相机应用

l 部分动态捕捉需求：如需要捕捉高速运动物体但能控制光照条件的场景

l 中等速度运动物体检测：如低速旋转设备、缓慢移动的包装线等

l 需要平衡成本与性能的场景：比全局快门成本低，但动态捕捉能力优于普通卷帘快门

实际案例：在轩展科技的测试中，当曝光时间调小至1/250秒时，全局快门相机的拖尾现象明显减少，而卷帘快门相机变化不大；而GRR技术在配合闪光灯使用时，可以有效避免拖影现象。

六、优缺点总结

1. 全局快门的优缺点

优点：

l 无运动畸变：所有像素同步曝光，避免"果冻效应"和拖影

l 时序一致性：图像中各部分的时间信息一致，适合精确测量

l 无需特殊光源：在自然光或非闪光灯环境下表现稳定

l 多相机协同能力强：时序同步特性便于多相机系统配合使用

缺点：

l 成本较高：需要额外的存储单元，制造成本更高

l 低光条件下噪点可能增加：存储单元可能引入额外噪声

l 最小曝光时间受限：存储单元的充放电时间限制了最小曝光时间

l 高分辨率实现难度大：高分辨率传感器的同步控制难度较高

2. 卷帘快门的优缺点

优点：

l 成本低：结构简单，无需额外存储单元

l 低光性能好：噪点较低，适合弱光环境

l 帧率高：读出速度更快，支持更高帧率

l 分辨率高：更容易实现高分辨率传感器

缺点：

l 果冻效应明显：高速运动物体容易出现图像变形

l 拖影现象：运动物体在不同行曝光时间不同，形成轨迹叠加

l 动态测量不精准：物体位置信息不一致，影响测量准确性

l 闪光灯使用受限：闪光灯曝光不均，导致图像亮度差异

3. GRR技术的优缺点

优点：

l 部分动态捕捉能力：所有行同时开始曝光，减少部分拖影

l 高分辨率优势：继承卷帘快门的高分辨率特性

l 成本比全局快门低：结构比全局快门简单，成本更低

l 帧率较高：读出速度接近卷帘快门，支持较高帧率

缺点：

l 仍存在果冻效应：结束曝光仍逐行进行，高速运动物体仍可能变形

l 依赖闪光灯控制：需配合闪光灯使用，否则可能出现亮度差异

l 实现复杂度高：需要精确控制全局复位信号和闪光灯时序

l 适用场景有限：主要用于能控制光照条件的特定场景

七、选择建议与决策框架

根据上述分析，以下是针对不同需求的快门技术选择建议：

1. 基于运动速度的选择

l 高速运动（>100% FOV/秒）：首选全局快门，确保无运动畸变

l 中等速度（30-100% FOV/秒）：可考虑GRR技术，配合闪光灯使用

l 低速运动（<30% FOV/秒）：卷帘快门通常足够，成本效益更高

2. 基于光照条件的选择

l 强光环境：三种技术均可，但全局快门更适合动态捕捉

l 低光照环境：卷帘快门或GRR技术（配合闪光灯）更优，噪点更低

l 闪光灯环境：GRR技术可最大化利用闪光灯的高亮度，减少拖影

3. 基于分辨率与成本的平衡

l 高分辨率需求：卷帘快门或GRR技术更易实现高分辨率，成本更低

l 预算有限：卷帘快门性价比最高，适合大规模部署

l 性能优先：全局快门提供最佳动态捕捉能力，但成本较高

4. 特殊场景选择建议

l 多相机协同系统：全局快门提供最佳时序一致性，适合此类应用

l 工业检测（缺陷识别）：全局快门或GRR技术更优，确保检测准确性

l 科研应用（如高速摄影）：全局快门提供最真实的运动捕捉

l 医疗影像（如内窥镜）：卷帘快门提供高分辨率和低噪点优势

八、未来发展趋势

随着技术进步，快门技术也在不断发展：

l 全局快门成本下降：随着工艺改进，全局快门传感器成本正在降低

l 卷帘快门动态性能提升：新型卷帘快门传感器通过优化读出速度，减少果冻效应

l 混合快门技术兴起：结合全局和卷帘快门优势的混合技术正在研发

l AI补偿技术应用：通过AI算法自动补偿卷帘快门的动态畸变

l 背照式全局快门：索尼Pregius S™等技术通过背照式结构实现更高帧率和更小尺寸

九、结论

全局快门、卷帘快门和全局复位式卷帘快门各有特色，选择时需要综合考虑应用场景、运动速度、光照条件、分辨率需求和预算限制等因素。全局快门在动态捕捉方面表现最佳，但成本较高；卷帘快门在静态和低速场景下性价比最高；GRR技术则在特定条件下提供了一种平衡方案。随着技术发展，未来可能会出现更多创新的快门解决方案，进一步满足不同场景的需求。

在实际应用中，建议根据具体需求进行测试和验证，选择最适合的快门技术，以获得最佳的图像质量和系统性能。