对于视频和高速摄影爱好者来说，果冻效应一定会是让你心烦的症结之一，而在以前我也多次聊到过，果冻效应的成因在于卷帘快门的“扫描”速度不够快，但具体来说问题出在哪，又该如何解决？全局快门或许是听到最多的方案，但为什么它没有普及？技术上掣肘于何处？国庆节后第一篇，就简单聊聊这个吧。

传感器曝光的前段流程简单来说可以分为光电二极管将光信号转换为电信号，累积的电荷在阱势中被模数转换器由模拟信号转换为数字信号，再传输到后段进行数字处理。很多人的误区在于都把全局快门的前段工作流程过度整合了，事实上当下绝大多数全局快门“全局”的只是第一步，也就是整块传感器的光电信号转换是同步的，而非卷帘快门的逐行式，但模数转换这个步骤大多数都依然是逐行读出：

果冻效应的产生原因就是卷帘快门每一行光电转换的时间不同，所以快速移动的物体会产生形变、撕裂等问题，全局光电转换也就意味着一帧就定格整块传感器的光电转换时间，自然可以避免果冻效应。

而且全局快门还有一个优势就是利于照明，对于机器视觉目标检测来说，对均匀照明的要求是相当严苛的，与其钻研精密加工搞高速卷帘快门同步速度，远不如上全局快门暴力提速来得简单。

但传统全局快门设计的问题就在于，相对每一行都能独立连续进行光电、模数转换的卷帘快门来说，全局快门在光电转换后就要等待逐行模数转换读出完成后，才能开始下一帧拍摄，因此传统全局快门的速度更慢。除此之外，在光电转换后，还需要把电信号传输到非光敏二极管内等待逐行模数转换，也就是多出了模拟信号的传输步骤，进而引入了传输和源级端的读取噪声，从而降低了动态范围和信噪比。

解决方案其实大家应该也都想到了，既然是都是模数转换逐行读出速度的限制，那么解决方案一就是提速，而提速的问题是发热和耗电，硬件上对应的就是刷制程；解决方案二是改变处理方式，让第N帧光电转换的积分与N-1帧的模数转换读出同步进行（如下图），也就是很多制造商都在用的Pipeline模式：

但显然，这个模式需要光电与模数转换效率有着较高的匹配度，甚至是固定的几个组合，同时也对传感器结构设计有一定的挑战。

解决方案三则是将列并行模数转换器变成与像素一一对应的设计，也就是一个或少数几个像素对应一个模数转换器，同步进行模数转换，目前索尼已经有实验室阶段的方案露出，但这对制造工艺和结构设计有很大的挑战，层积堆栈是目前的手段，能实现的分辨率并不算高，不过未来还算可期。

看到这里，对于民用影像器材上全局快门的现实难度基本上都摆在眼前了，在机器视觉领域需要高速来保证高效的情况下，全局快门更能满足客户需求，也是各大品牌做功课的主战场，它的一些缺点，比如读取噪声等在很多应用要求都不高，并且也都在一步步解决当中（毕竟商用才是利润大头，也是研发大头）。而民用端涉及高速的问题不广泛，但读取噪声带来的影响就大了，且卷帘快门也有相应的果冻效应解决办法：

假设一块传感器有行像素，卷帘快门逐行模数转换时差为10微秒，那么第1行与第行就有微秒，也就是9.99毫秒。而为了拍清楚物体，将动态模糊控制在10%以内的曝光时间有以下算式：

T为曝光时间，L则是拍摄物体在传感器上的占高，v是它的移动速度，假设前面举例的那块传感器高10mm，拍摄一个占10mm全高、水平mm/s移动的物体，为了保证动态模糊在10%以内，它的曝光时间就是10/10*=8毫秒。而8毫秒短于行全高扫描所需要的9.99毫秒，这也就意味着将出现果冻效应。

而且应该不难发现，客观上降低物体占高和移动速度，主观上提高模数转换器速度（也就是降低逐行时差）就能减少果冻效应的发生率（降低像素行数也可以，但这意味着降低分辨率），这在没有机械幕帘遮挡入射光线的无反时代十分重要，比如索尼A9在堆栈式传感器和更低分辨率的加持下可以做到1/秒，相对于A7R3等高分辨率机身不到1/20秒的速度就快了非常多，也更有利于电子快门下减少果冻效应带来的影响。

在工业领域还有通过改变照明启停时间来匹配卷帘快门速度的方法，比如还是那块第1行与第行模数转换时差约10毫秒的传感器，我们直接给它曝光30毫秒，前10毫秒不照明，目的是让首尾行都进入到曝光状态，然后中间10毫秒就进行照明进行积分，这时候所有行都能同步准确曝光10毫秒，然后关闭照明10毫秒，逐行读出。当然这个方案也属于行业化的标准方案，几乎无法适用于变量较多的民用环境。

随着读取速度的越来越快，卷帘快门也将继续在相机摄像机行业继续发光发热很多年，全局快门设计更多将汇聚到行业领域，这方面的区别差不多就是这样，有想到再补充。放完国庆就该收收心，准备迎接春节了，在这里就拜个早年，预祝大家猪年大吉吧，哈哈哈！