4. 快门与曝光模式选型

在实验相机选型中，快门方式往往比分辨率、帧率更早决定系统能否成立。它直接决定运动物体在单帧内被“冻结”的方式，也决定多相机、光源与运动平台之间能否建立可重复的时间关系。工程上常把快门分成三类来讨论：全局快门（Global Shutter）、卷帘快门（Rolling Shutter），以及由卷帘衍生出的滚动读出行为。需要先澄清一个常见混淆：卷帘快门与滚动快门在多数语境下指同一件事——逐行曝光、逐行读出；真正与它对立的是全局快门——所有像素在同一时刻开始、同一时刻结束曝光。

全局快门的核心特征是“同时曝光、同时转移”。以典型 CMOS 全局快门传感器为例，曝光开始时全部像素同时复位，曝光结束后电荷同时转移到遮光存储区，再逐行读出。因此单帧内不存在行间时间差，拍摄旋转风扇、下落小球、振动台面时不会出现倾斜、弯曲或果冻效应。代价是像素内需要额外存储节点，填充因子和量子效率通常略低于同代卷帘传感器，成本也更高。选型判断可以很直接：若被测物在曝光时间内的位移超过约 1 个像素，且不允许几何形变，就应优先全局快门。

卷帘快门则按行依次复位和读出。设行读出时间为 t_row，总行数为 H，则整帧读出时间约为 T_read ≈ H × t_row。若曝光时间为 T_exp，则第 0 行与第 H-1 行的曝光起始时刻相差接近 T_read。当物体在 T_read 内发生横向运动，图像会出现倾斜；发生旋转或振动，会出现摇摆和果冻效应；若配合脉冲光源，还会出现亮度条带。很多工程师只关注 T_exp 是否够短，却忽略了 T_read 才是卷帘伪影的真正时间尺度。

外触发曝光是解决同步问题的关键手段。相机通常提供 Trigger In 接口，支持上升沿或下降沿触发，并可选曝光延迟 Trigger Delay 与曝光宽度 Exposure Width。在全局快门相机上，外触发到来后所有像素同时开始曝光，因此触发抖动直接决定多相机之间的同步精度。工程上建议使用同一硬件信号源同时驱动多台相机，而不是用软件命令依次触发，因为软件触发的不确定度通常在毫秒级，而硬件触发可做到微秒级。

卷帘快门相机同样支持外触发，但触发只决定“第一行何时开始”，后续行仍按 t_row 依次推进。因此多台卷帘相机即使收到同一触发信号，若行读出时序不同步，同一物理时刻在不同相机上对应的行号并不一致。若实验要求多视角严格同步，应优先选择全局快门；若只能用卷帘，则需让所有相机运行在同一主时钟下，并尽量缩短 T_read，或通过降低行数、提高像素时钟来压缩帧读出时间。

长曝光实验中的问题与短曝光相反。曝光时间从毫秒级拉长到秒级后，环境光、暗电流、热噪声和机械振动都会累积。此时卷帘快门的行间时间差相对于 T_exp 可能很小，倾斜伪影不再明显，但运动模糊成为主要矛盾。若被测物在长曝光期间移动，图像会整体拖影，且拖影方向与运动轨迹一致。全局快门在长曝光下同样会拖影，但它不会引入额外的几何形变，因此对轨迹测量更友好。

实际选型时，建议按以下顺序判断：第一，被测物在曝光时间内的位移是否超过 1 个像素；第二，是否允许几何形变；第三，多相机或相机与光源之间是否需要微秒级同步；第四，曝光时间是否超过 100 ms。若前两项任一为“是”，选全局快门；若第三项为“是”，选全局快门并配硬件触发；若第四项为“是”，需同时考虑制冷、暗场扣除和机械隔振。对于必须使用卷帘相机的场景，应把 T_read 写入实验记录，并在分析时评估行间时间差对结果的影响。

最后给出一个可执行的参数检查清单，用于实验前快速核对：确认相机快门类型；记录 T_exp 与 T_read；确认触发方式为硬件外触发；测量触发到曝光的延迟；多相机时确认是否共用同一触发源；长曝光时确认是否启用暗场扣除与隔振；若使用卷帘相机，评估行间时间差是否影响测量结果。把这些参数写入实验记录，后续复现和排障才有依据。