卷帘快门Rolling Shutter)是图像传感器按行或区域依次开始曝光和读出,使同一帧图像的不同位置对应不同采样时刻的快门方式。

它常见于低成本 CMOS 相机和手机相机,优点是成本、噪声和功耗表现通常较好,缺点是在快速运动或相机快速转动时会产生几何畸变。

核心问题

卷帘快门不是“整张图同时拍下”。例如图像第 0 行先曝光,第 1 行稍后曝光,最后一行最晚曝光。若相机或物体在这段时间内运动,同一帧会混合多个时刻的世界状态。

核心机制

简化行时序可以写成:

t_row(y) = t_frame_start + y * delta_t

其中:

  • y 是图像行号。
  • t_frame_start 是首行开始曝光时间。
  • delta_t 是相邻两行曝光起点之间的时间差。
  • t_row(y) 是第 y 行代表的曝光起点。

这意味着同一帧内,上下两行的采样时间差可能接近整帧读出时间。快速平移会让竖线倾斜,快速旋转会让图像弯曲,闪烁光源会形成横条纹。

工程用途

  • 成本敏感、运动较慢或主要静态的视觉采集。
  • 普通视频通话、监控、消费级拍摄。
  • 已知相机运动模型且有 IMU/时间模型时,可以做 rolling shutter correction。

边界与常见坑

  • 外部触发只能约束帧或首行起点;卷帘快门内部仍有逐行时间差。
  • 软件时间戳通常对应整帧到达或帧开始,不能直接代表每一行的真实曝光时刻。
  • 提高帧率不一定消除卷帘畸变;关键还要看传感器读出时间和 ROI。
  • 在机器人手持快速运动、双目测距和精密标定中,卷帘畸变会变成系统性几何误差。

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