全域快門/全局快門與滾動快門優缺點比較Global Shutter vs Rolling Shutter懶人包【2023-2024年降低果凍效應的全局快門相機攝影機產品有哪些】

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全域快門/全局快門與滾動快門優缺點懶人包

#1 什麼是全域快門(global shutter)?

#2 什麼是滾動快門(rolling shutter)?

#3 滾動快門的果凍效應、影像扭曲或傾斜

#4 全局快門相機/攝影機範例

#5 支援全局快門的相機攝或攝影機產品清單

#f 心得與感想

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Global shutter vs rolling shutter優缺點比較

#1 什麼是全域快門/全局快門(global shutter)?

全域快門是一種 CMOS 元件的曝光方式。它的工作原理是，所有射入感測器整個表面的光線，一次整個面積捕捉並全部一起完成曝光。然後，快門完全關閉。此快門為電子控制。

全域快門來自原文「Global Shutter」，亦可翻譯成「全面曝光」(國家教育研究院名詞) 或「全局快門」。Global 的意思就是在描述「一整片感測器」的面積，或全部、整體。

參考: 數位相機常見快門類型比較【電子快門 滾動快門 全域快門 焦平面快門 鏡間快門 混合快門 電子前簾快門】

最早的全域快門技術主要出現在 CCD（電荷耦合元件）感測器上，直至數年前技術情況才有改變，有不少 CMOS 已支援全局快門。

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使用全域快門相機/攝影機機型

#2 什麼是滾動快門 (rolling shutter)?

相對於全域快門，還有一種稱為滾動快門的技術 (rolling shutter，亦稱捲簾快門)。

滾動快門相當於在感光元件上進行「掃描」，其動作為逐行並連續地捕捉影像。

因為不同行像素會在不同時間捕捉到光線，時間差導致了影像扭曲或傾斜。這可能會在拍攝超快速運動物體時，或攝影機本身移動時發生。

我們可以這樣說，滾動快門產生的影像，是在迅速時間內被組合起來的。若該過程越短，變形程度就越輕微。

呈現滾動快門的動畫

(動畫檔來源:  cmglee - Rolling shutter effect.svg，符合 CC BY-SA 3.0)

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#3 滾動快門的果凍效應、影像扭曲或傾斜現象

滾動式快門可能引起以下效應：

(1)搖晃/搖擺(也稱果凍效應，jello effect): 滾動快門讓影像出現不自然的搖晃。

(2)傾斜: 影像會在一個方向上以對角線彎曲，使影像的不同部分在不同的時間曝光。傾斜相當於果凍效應的較輕症狀。

(3)空間混疊(空間映頻混擾，spatial aliasing): 當相機或物體運動過快時，會違反取樣定理，對垂直相鄰的像素進行取樣。一個常見例子是拍攝快速旋轉的螺旋槳。

(4)時間混疊(時間映頻混擾，temporal aliasing)，包括部分曝光: 如果天空閃電僅在曝光時間的一部分時間內開啟，閃電的光線可能僅在某些像素行中存在。 

註: 果凍效應原本是單指影像搖晃/搖擺的狀況，但目前已被擴張解釋為，代表所有由滾動快門造成的影像扭曲或變形。

對於嚴謹的拍攝用途或主題，滾動快門潛在的影像扭曲或變形是無法被接受的。

示範#1:

一架 de Havilland Canada Dash 8 Q-400 的六葉片螺旋槳，由 Pixel 3 相機拍攝，出現嚴重的滾動快門失真。

(圖片來源:  Dicklyon，符合 CC BY-SA 4.0) 

示範#2:

同時模擬轉動螺旋槳和移動汽車的滾動快門效果（點擊此處觀看 SMIL 動畫）

(SVG 可縮放向量圖形檔來源:  Cmglee，符合 CC BY-SA 3.0)

示範#3: 由於滾動快門效應，照片中歐洲直升機公司 EC-120 直升機 之旋轉機翼，看起來比正常更往後傾斜。

(圖片來源:  Jonen，符合 CC BY-SA 3.0)

示範#4: 一張展示滾動快門產生的部分曝光照片。在拍攝照片時，上半部曝光和下半部曝光之間，發生了光線條件之劇烈變化。

(圖片來源:  Kalleboo，符合 CC BY-SA 3.0)

示範#5: 在每小時 80 公里的汽車內，拍攝照片因滾動快門而出現傾斜現象。

前景的物體，如圍欄和門，變得傾斜。而照片中更遠的物體，如圍欄後面的兩名行人與懸崖，則看起來正常 。

(圖片來源:  BrayLockBoy，符合 CC BY-SA 4.0)

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#4 全域快門相機/攝影機範例

全域快門在許多攝影應用方面是有需要的，特別是拍攝運動物體、高速攝影、影片特效、動畫製作、機器視覺、醫療、檢測、科學領域、高速攝影等。它可以確保每個像素在同一時間捕捉到光線，並在同一時間內被讀出，從而產生更準確、更自然的影像。

Global Shutter 商品實例#1，Vision Research Phantom T1340 超高速攝影機。

Global Shutter 商品實例#2，Canon EOS C700 GS PL Cinema Camera 電影攝影機。

Global Shutter 商品實例#3，Raspberry Pi Global Shutter Camera 相機模組。

Global Shutter 商品實例#4，Sony HDC-3200 3-CMOS 廣播用攝影機。

Global Shutter 商品實例#5，Marshall CV568  POV，主觀鏡頭攝影機。 

Global Shutter 商品實例#6，Basler racer raL4096-24gm 線掃描相機。 

Global Shutter 商品實例#7，CANON JCT-TF5G 機器視覺用相機。 

Global Shutter 商品實例#8  (2023/11/7 發表)，SONY A9 Mark III (ILCE-9M3)。 

A9 III 配備全球第一個全尺寸影像感應器及全局快門系統。該相機的全局快門可同時曝光和讀出所有像素，即使在拍攝快速移動的物體時，也能實現無失真影像表現。A9 III 的全域快門優點: 快門速度 1/80000、無失真 (滾動快門會有果凍效應/影像變形)、無閃爍 (影像疊影)、全範圍快門閃光同步等。

細節延伸閱讀: 索尼SONY A9 III發表資源懶人包【世界首部搭載FF全域快門全局快門感測器之無反機身 SONY Alpha 9 III、ILCE-9M3、A9M3、A93、α9 III】

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#5 支援全局快門的相機攝或攝影機產品清單

以下是 2023 年確定支援全局快門的相機攝或攝影機產品。

從表中的售價欄，可以印證「全局快門、Global Shutter 」仍是昂貴的、專業的、商業等級等的代名詞。

更新/新增 - 配備全域快門的 α9 III (2023/11/7)

產品名稱: SONY A9III (ILCE-9M3)

感測器: 24.6 MP 堆疊式全域快門感測器 (Exmor RS)

像素: 照片 24.6 MP, 錄影 20.3 MP

輸出圖像長寬: 6000 * 4000 (24M, L size)

感測器大小: FF尺寸 = 35mm (35.6 * 23.8mm),

用途: 運動導向無反交換鏡頭相機

售價: 定價 $5999美元，折合新臺幣 193351元。

網址: SONY A9 Mark III (SONY TW)

備註: 具備全世界第一個內建全域快門系統的 1 全片幅堆疊 24.6 MP 2 CMOS 感光元件。α9 III 改變了專業攝影的遊戲規則。

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#f 心得與感想 

現時 CMOS 感測器是以支援滾動快門為主流，能提供全局快門的 CMOS image sensor 尚不普遍。主要影響因素是技術困難度、成本、性能考慮、市場需求等等。

消費者客層(民生用)的單反或無反相機，包括: CANON、SONY、NIKON、Panasonic、FUJIFILM、OMDS、Leica、Sigma、Ricoh/Pentax 等，到撰文之時的 2023/8/6 為止，仍未出現搭載全局快門 CMOS 感測器的機身。

(2023/11/7 更新，SONY 搶到頭香!  索尼在 11/7 發表 A9 Mark III (ILCE-9M3)，它配備了全球第一個全尺寸影像感應器及全局快門系統! 延伸閱讀: 索尼SONY A9 III發表資源懶人包【世界首部搭載FF全域快門全局快門感測器之無反機身 SONY Alpha 9 III、ILCE-9M3、A9M3、A93、α9 III】)

對於一般用途或非高階機，搭載滾動快門 CMOS 感測器對攝影不會有很大影響。該技術成熟、實用性高、且成本相對低，所以合理推測未來仍不會很快被淘汰。

然而，各廠牌對於旗艦級相機，莫不以縮短滾動快門為其中一個指標規格。例: Nikon Z 9 的滾動快門為 4.9 ms (Z 8 也是)，SONY A1 是 8.1 ms，CANON EOS R3 為 9.5 ms。 (註: 滾動快門資料來源: CineD。相機可能支援多種解析度模式， 每一種對應的滾動快門 ms 都不相同。越低表示越優。前述數字取自最佳表現模式。)

目前最佳的滾動快門攝影機，為 Sony VENICE 2 8K (機身約 $54270)。其滾動快門之 3 ms 表現是當今前最佳紀錄保持者(相機/攝影機類)。

然而，滾動快門有其發展極限。未來高階機要有更大突破，只能朝向全局快門前進。

參考: 數位相機常見快門類型比較【電子快門 滾動快門 全域快門 焦平面快門 鏡間快門 混合快門 電子前簾快門】

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延伸閱讀 (Ver 2023/11/8)

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Title:全域快門/全局快門與滾動快門優缺點比較Global Shutter vs Rolling Shutter懶人包【2023-2024年降低果凍效應的全局快門相機攝影機產品有哪些】

Global Shutter全域快門/全局快門與Rolling Shutter滾動快門優缺點比較懶人包【2023-2024年降低果凍效應的全局快門相機攝影機產品有哪些】

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original date: 2023/8/6