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所有像素同時曝光,全域快門真的如此強勁?

全域快門

文:Brian

Sony 公布首部採用擁有全域快門(Global Shutter)的全片幅 CMOS 感光元件相機 A9 III,不單做到 120fps 的無黑屏追焦連拍,更可在全部快門速度上都能使用閃光燈,以及擁有最高達 1/80,000s 的快門速度。這些功能基本上都是受惠於其使用全域快門設計的感光元件,但究竟用了全域快門為何可以得到這些好處?以下就為大家解釋一下。

▲ 雖然擁有全域快門,但實際上 A9 III 上的仍是 Exmor RS CMOS 感光元件

其實全域快門並不是新東西,早期數碼相機主流使用的 CCD 感光元件已經擁有全域快門。不過後來因為造價較高,也較易產生高溫讓雜訊更高,而另一邊廂 CMOS 感光元年的技術提升,讓 CMOS 可以提供更高的影像質素,因此後來 CCD 就被 CMOS 所取代。

CMOS 採用逐行輪流曝光
在傳統的 CMOS 感光元件中,並非所有像素同時曝光的,而是一行一行輪流曝光,就好像捲閘一樣,一行一行的打開和關上,因此又被稱為捲閘快門。由於畫面中早期曝光的行數跟後期曝光的行數有時間上的差異,因此拍攝高速移動中主體,又或者搖鏡拍攝,相同的主體/背景被記錄在不同行數的像素時,位置就會有差異,結果出來的影像主體或背景就會出現變形(當主體或背景因此出現傾斜情況,會被稱為「果凍效應」)。不過當感光元件擁有全域快門,因為畫面每一個像素都是同一時間進行曝光,畫面中所有主體和背景同一刻的位置就能準確地記錄下來,避免了捲閘快門造成的變形情況。

▲ 全域快門就是在任何快門速度下都可以讓感光元件每個像素都同時曝光

堆疊架構縮小曝光時間差
有朋友可能會問,例如 Sony A1Nikon Z9 和 Canon EOS R3 等機種也沒有採用全域快門,為何都沒有出現前面提到的果凍效應呢?其實這幾部機的 CMOS 感光元件都採用了堆疊架構,讓 CMOS 中首行與末行曝光的時間差縮至非常之短,即使拍攝移動主體或者搖鏡,畫面中主體/背景在那小小的時間差之內,移動的位置也小得不能被察覺,所以就好像沒有出現果凍效應一樣。

▲ 每個感光像素都擁有獨立援衝記憶體,因此曝光時就不再受到讀出時間的限制

閃燈快門同步問題
這裡撇開機械快門,只計感光元件控制的電子快門。前面提到全域快門讓感光元件的整個畫面同時曝光。在這個前提下,即使閃光燈輸出時間非常短(正常輸出模式下),進行曝光時整個感光元件畫面都可以完全吸收閃光燈輸出的光,因此理論上全域快門的感光元件在任何一個可選擇的快門下,亦可以使用到閃光燈。相反如果是捲閘快門的感光元件,由於每一行感光元件的曝光起始的時間有差異,如果快門速度太高,便不會出現首行和末行同時進行曝光中的情況,因此捲閘快門感光元件的閃燈同步速度是不能太快的。

▲ 如使用傳統的高速閃燈同步模式,燈輸的輸出火力會大幅減弱

▲ 雖說可以在任何一個快門配合閃光燈,但也需要閃光燈支援才做得到

最高快門速度與運作速度有關
至於最高快門速度,這主要跟感光元件的運作速度有關。其實過去採用捲閘快門的感光元件,也有不少可以做到數萬分一秒的電子快門速度。今次 A9 III 之所以能做到 1/80,000s 的快門,完全是因為這顆感光元件本身運作的速度夠快,與是否採用全域快門並沒有直接的關係。

全域快門提升對焦及追焦表現
而感光元件的讀出速度跟內部電路設計的關係更直接,不過如感光元件使用的是捲閘快門,那要完全讀出一張相片的所有數據,其速度上限就會受制於第一行與最後一行曝光之間的時間差。換句話說使用全域快門的感光元件,其讀出速度理論上是可以造得比使用捲閘快門的感光元件快。值得一提的是,在無反相機中感光元件的讀出速度除了影響相機的連拍速度,也影響到相機的對焦速度和追焦表現,所以採用了全域快門的相機,理論上是可以有更好的對焦表現。

▲ 傳統 Rolling Shutter 的 CMOS 每一行並非同時開始曝光,每一行實際曝光時間是有差別的

▲ 傳統採用 Rolling Shutter 的 CMOS 只要拍攝高速移動中物件便會出現古怪變形

雖然採用堆疊式設計的 CMOS 感光元件已經可以做到沒有果凍效應(理論上是接近零而不是沒有),連拍和追焦速度亦高,但 Sony 今次在 A9 III 之上引入全域快門的 CMOS 感光元件,確實讓相機的「上限」再度提升。期望未來有關方面可以將此技術進一步普及化到其他級數的機種,讓各類型用家都可以享受更少的拍攝限制。

 

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