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火车上遇见的怪事
前阵子,叙完乡情的小编乘上了返程的火车。山峦起伏上旭日渐升,树影飞掠间故土渐远。小编拿起手机,拍下了这路途上的景色。
图1 太美了,我决定起名《枯树、斜阳、游子》
但是……等等?近处的电线杆有点诡异,形状就像一挂软塌塌的面条,上面“高压危险”的牌子更是扭曲得不正常。不信邪的小编又朝窗外拍下了几张照片。
图2 一些奇怪的照片
照片里护栏、电塔、路灯都有奇怪的歪斜,电塔的四个柱子的歪斜方式也不一样,看上去不仅像个站不稳的醉汉,还神采奕奕地扭转着身子。
这是怎么回事呢?其实,这一切都是成像传感器的锅,大部分消费级手机和相机用的是卷帘式快门,它是逐行将光信号导出成电信号的,经过这般扫描后就会产生这种扭曲。
图3 卷帘式快门 | 图源:wikipedia[1]
类似于前阵子大火的“蓝线挑战”,APP将读取信号的扫描线放缓,让网友们打开脑洞,利用扫描线玩出了各种扭曲的照片。甚至还有网友用它作画。
图4 蓝线挑战:用口罩沿着扫描线画出戏服
| 图源:抖音@C&D
这激发起了小编的兴趣,回去立马用相机复现了一下这个效应。
つ(*▽*)つ
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图5 福字、白板、白板擦在高速晃动下
呈现果冻般的弹性
大家也可以自己试试,这里给一个拍摄小tip:在专业模式下尽量缩短曝光时间。小编使用的是1/200s。相对应地,要提高感光度ISO,并尽可能地给被摄物打光。如果快门时间较长,就会出现运动模糊。
つ(*////▽////*)つ
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图6 没错,就是糊成这样
所以今天这篇文章我们就讲讲这个扭曲“滤镜”——果冻效应。
2
成像传感器
首先得讲讲摄影中成像传感器的基本原理。光线经过透镜组来到成像传感器上后,被传感器通过化学或电学手段记录定格。
在摄影历史的上古时代,相机使用的是感光胶片作为光的记录者。胶片上的卤化银(大多是溴化银)感光并经过显影后,会还原成银单质。因为细银粉是黑色的,所以用定影剂洗掉多余的卤化银后,得到的是黑白颠倒的负片。而要使黑白再倒回原像的样子,只需要再用负片曝光一次。这样,就用化学方法记录下了曝光阶段的影像。
现在,相机进入了电子时代,主流的成像传感器也变成了CCD和CMOS。它们的工作过程都包括光电转化、电荷收集、电荷转移和电荷测量这四个步骤。
CCD (charge-coupled device),电荷耦合元件。光子入射到光电二极管上后,就会激发出光电子,每个像素的电子被收集在一块形成电荷包,再依次从上一行像素转移到下一行的像素,最终转移到测量电路,输出各自的电信号。
图7 CCD结构示意图 | 图源Edmund[2]
CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor),互补金属氧化物半导体。与CCD不同的地方是,它的每一个像素都集成了模拟电路。所以在CCD中需要一整列集体完成的读取操作,在CMOS中就由单个像素一条龙承包了。
图8 CMOS结构示意图 | 图源Edmund[2]
从这里可以看出,CCD的读出均匀性更好,毕竟共用同一个读取电路。而CMOS上的上千万个像素都有自己的心思,每个像素的放大器不能保证完全一致,所以早期CMOS的良品率确实不高。除此之外,CCD的开口率更大,可以进更多的光线,获得更高的信噪比。相比较下,CMOS的每个像素都要被读取电路占据一部分空间,这使得单个像素的受光面积不如CCD。
但CMOS也有它的优势。CMOS的功耗更低,因为它的读取电路只用放大单个像素的电信号,而CCD需要放大整列像素的信号。此外,CMOS的稳定性更高。CCD如果坏了一个像素,整列像素的传输通道就断了,信号就关闭了,图像就没有了,坏死的整列黑点就占领高地了。
曹操:好巧,我也是这么想的
正是这两点,让CCD束之高阁,大多只在高精度要求的科研、医疗场景下使用,而民用相机基本上都是CMOS。
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卷帘快门和全域快门
受制于上面讲述的工作原理,大部分的消费级CMOS采用的是卷帘快门。顾名思义,卷帘快门,就是像卷闸门一样逐行读取像素阵列上的光信号。而全域快门就是同时读取所有像素阵列上的光信号。
图9 卷帘快门vs全域快门 | 图源:wikipedia[1]
CCD在读取电信号时,需要将上一行的电荷垂直转移到下一行,在转移过程中,这些像素都被用于处理传输过程,不能继续感光,否则就会影响成像质量。所以CCD很容易实现全域快门,使所有像素同时曝光。相比之下,CMOS要使用全域快门,就困难得多了,需要附加额外的晶体管,设计单独的同步电路,成本也就跟着上涨,反而不利于市场竞争。
卷帘快门导致的后果,除了把运动物体扭曲成像果冻一样外,还有单张照片里曝光的变化。想象一下,当一束闪电还没劈下来时,快门在读取上半部分,等闪电劈下来照亮天空后,快门开始读取下半部分,这样拍出来的照片就会显得上暗下亮。
图10 CMOS拍摄的闪电 | 图源:wikipedia[1]
在实验室使用高亮度的光源快速闪烁,也能复现这一现象。
卷帘快门的闪烁
全域快门的闪烁
图11 两种快门的闪烁 | 图源:bilibili@陈大陈[3]
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把相机转一下
之前相机的移动方向是垂直于扫描方向的,如果我们转动一下,使相机的移动方向平行于扫描方向,又会发生什么呢?在纪录片《像乌鸦一样思考》的第15集[4]中,主持人就对此做了一个实验。
图12 一个有趣的实验
| 图源:《像乌鸦一样思考》[4]
可以看到,随着手机旋转90°,拍到的火车依次变宽,变斜,变窄,变朝另一方向倾斜。如果你明白前面所讲的原理,不妨停下来,想想这是怎么回事吧。
图13 不同方向下的果冻效应
| 图源:《像乌鸦一样思考》[4]
答案:
本实验中所用的手机相机,按图①方向看是从右往左扫描读取的,这时与火车运动方向相同,单个窗户经过扫描线的时间就更长,显得火车被拉宽了。图③则反之。
在图②中,扫描线从上往下扫,下方的图像更偏向火车朝左的运动。图④中,扫描线从下往上扫,上方的图像更偏向火车朝左的运动。
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果冻效应行为大赏
至此,大家就很清楚果冻效应的机理了。没想到在先进的CMOS背后,还有这么一个小小的缺陷,以至于在胶片时代十分自然的全域快门在现今成了一种奢侈品。不过事物都有两面性,正如残月也有独属于它的弧线美,接下来欣赏一些果冻效应带来的奇特视觉效果吧。
5.1
吉他弦
图14 吉他弦的果冻效应
| 图源:bilibili@Fun科学[5]
吉他弦的振动频率大概在100~1000Hz的范围内,当曝光时间接近这个量级时,扫描完单帧恰好会经历几个吉他弦的振荡周期,于是就会出现“示波器”般的效果。要想看清吉他弦原本的运动,就得使用曝光时间短至1/20000s的高速摄像机,才能拍出图15左侧的画面。当然,把相机转个90°就能让这种现象消失,见图16。
图15 吉他弦的果冻效应对比
| 图源:youtube@SmarterEveryDay[7]
图16 旋转后吉他弦几乎没有果冻效应
| 图源:bilibili@Fun科学[5]
5.2
音响
图17 音响的果冻效应 | 图源:bilibili@子镧[8]
跟吉他弦同理,当音响播放的声音主频率恰好和录像帧率近似时,鼓膜就会从杂乱的振动变成魔性的扭动。
5.3
螺旋桨
图18 螺旋桨侧面视角
| 图源:youtube@SmarterEveryDay[7]
图19 螺旋桨正面视角
| 图源:youtube@SmarterEveryDay[7]
希望以上这些例子可以激发大家对生活中物理现象的留意,看似诡异的现象背后处处都为有心人设计,期待评论区大家提出更好的创意。祝大家回归工作岗位后万事顺利~
参考资料
[1] Rolling shutter - Wikipedia
[2] Imaging Electronics 101: Understanding Camera Sensors for Machine Vision Applications (edmundoptics.com)
[3] CCD与CMOS的区别_bilibili
[4] 像乌鸦一样思考_第15集_bilibili
[5] 【Fun科学】第一季19-三分钟看懂果冻效应的原理,你也能用手机拍出炫酷大片_bilibili
[6] 【硬核科普】猫咪奔跑的秘密 - 时域采样_bilibili
[7] Why Do Cameras Do This? | Rolling Shutter Explained - Smarter Every Day 172 - YouTube
[8] 耳机党勿进!超级低频测试曲!果冻效应测试曲!_bilibili
编辑:牧鱼
来源:中科院物理所