工业相机三种曝光方式深度解析：Global Shutter、Rolling Shutter、Global Reset Shutter
本文将详细解析三种电子曝光方式的工作机制、时序区别、优缺点、适用场景与调参要点一次讲透，并配上时序图/示意图方便大家理解。
怎么工作：整块像素同时开始、同时结束曝光；随后再统一或并行读出。这样每帧就是“同一时刻”的快照。这在使用硬件触发器将相机曝光与光源激活同步时非常有利，因为曝光是同时在传感器上进行的。
工程含义：
●对运动鲁棒：无倾斜/果冻，适合高速运动定位、尺寸测量、条码物流等在线检测。
●读出/功耗/成本：像素电路更复杂，读噪与极限帧率常不如RS同代产品；但在机器视觉里，这是换来的“时域一致性”。
GS时序里所有行同起同止，之后才读出；亮度更均匀、运动模糊最小。
怎么工作：逐行依次启动曝光与读出；每行积分长度都等于你设定的曝光时间 T，但不同行的起始时刻相差行时间 t_row，从而在帧扫描时间 t_scan 内“时间是倾斜的”。
工程含义：
●可能的畸变：高速运动或频闪下会出现倾斜/弯曲/果冻等 RS 伪影；行时间越短、行数越少（或ROI越小）越不明显。
●优势：同工艺下成本低、像素密度/灵敏度/帧率容易做高，民用与不少工业应用因此大量选用。
相机传感器在曝光时会逐行读出数据，读出的数据沿着相机传感器行“滚动”，这就是这种方法称为滚动快门的原因。读出每一行都需要一定的时间（例如 10 μs），称为“行时间”，这意味着生成的图像在每行之间都有很小的时间延迟。如果带有滚动快门的相机有 2048 行（例如典型的 2048 x 2048 CMOS 传感器），则意味着最上面一行在时间 0 时读出，而最下面一行在 2.048 ms 后读出（10 μs 乘以 2048 行），这称为“帧时间”。这个微小的时间延迟会在大型传感器上累加，在对非常快的样本进行成像时应考虑到这一点。
图 1：卷帘快门和全局快门的读出时序，y 轴表示读数，x 轴表示时间。A. 卷帘快门，采集从顶行开始，向下滚动至底行，获取第 1 帧，延迟一段时间后，从顶行开始获取第 2 帧。B. 全局快门，整个传感器同时开始和结束曝光。
讨论这些疑问前，先把“时间轴”讲清楚：
●行时间 t_row：传感器读/写一行所需时间（由ADC并行度、时钟等决定）。
●帧扫描时间 t_scan = 行数 × t_row：顶行与底行开始曝光的时间差。
●曝光时间 T：对每一行，复位→读出的积分时长（菜单里设置的“快门”）。
●一帧总“时间窗”t_total≈ T + t_scan：第一行开始到最后一行结束之间的跨度。
实操上，很多资料把 t_row ≈ 1 / (MaxFPS × 行数) 作为估算公式，例如相机分辨率为 1920×1080，帧率为 30 fps → t_row=1/（30×1080）≈30.9 µs。
如果我用的是卷帘快门的相机，假设相机曝光时间设置的是10ms，那实际上每一行的曝光时间是多长时间？一帧全部读出是多长时间？
①每一行的真实曝光长度仍然是10ms
在卷帘快门里，行与行“轮流”启动，但同一行内部并不会被切成更短：它从触发那一刻起持续积分整整 T，然后立即读出。
②一帧完整经历多久？——先算行时间再相加
1.求行时间 t_row
看数据手册：多数工业/科研 CMOS 明列 “line-time” 或 “readout speed/行”。
如果没有查到数据，可以用厂商数据手册给出“行频”或“最大帧率”计算得到：
用 1920 × 1080 @ 30 fps 做示例，算得 30.9 µs/行。
2.求帧扫描时间 t_scan = 行数 × t_row
1080 行 × 30.9 µs ≈ 33.3 ms。
3.总帧窗口 t_total≈ T + t_scan
10 ms + 33.3 ms ≈ 43.3 ms —— 也就是从第一行开始到最后一行结束约 0.043 秒。
③ 为什么总窗口比曝光时间长，这有何影响？
●移动畸变/果冻：物体在t_scan内位置已变，导致上、下行呈现不同瞬间的样子。行时间越短、分辨率越低畸变越轻。
如下图所示，果冻效应的典型表现形式如下：由于相机按顺序拍摄每一行，旋转的风扇叶片和行驶的汽车在图像中会显得倾斜和弯曲。这种扭曲在快速移动的物体上尤为明显，这是由于每行像素曝光时间存在细微差异造成的。
●闪光同步：只有当 T ≪ t_scan 并用机械帘或全局快门，才能确保整帧同受一次脉冲；否则会出现“闪光条纹”。
●帧率上限：帧周期 = max(T, t_scan) + 各类 blanking；当你把曝光提到 10 ms 时，如果 t_scan只有 8 ms，那真正帧率就受 10 ms 限制；若 t_scan 已是 33 ms，如前例，则扫描才是瓶颈。 FPS = 1 / (T +t_scan) 。
那是不是只要在T + t_scan时间内，被拍物体不移动，就不会出现移动畸变？还是慢速移动也不会出现移动畸变？
在卷帘快门里，只有当被摄体（或相机镜头）在整段“扫描窗”（第一行开始曝光到最后一行结束曝光的 T + t_scan）期间一动不动时，几何畸变才真正为零。一旦在t_scan（各行起始时间差）里发生哪怕微小位移，就会按位移比例产生倾斜、拉伸或“果冻”效应；位移越小，畸变越轻，常见经验值是垂直（或水平方向）累计位移低于 ≈1–2 像素时人眼几乎察觉不到。
“慢速移动”何时可忽略？
让允许的像素漂移上限记为 （常按 1–2 px 取值，依你的误差预算定）。如果目标在扫描窗t_scan内的物方位移
很小，使得:
就可认为“慢速移动可忽略”（几何畸变在人眼/算法容忍内）。其中 mm/px 是物方成像分辨率。
如果被摄物体是旋转的：可见，半径越大越容易“拉花”。
疑问3：
为什么很多监控摄像头，手机摄像头等用的都是卷帘快门的传感器？拍摄的物体也是运动的啊。
在监控摄像头、手机、行车记录仪这类“全天候、低成本、低功耗”的产品里，卷帘快门（RS）CMOS 能用最少晶体管把分辨率、灵敏度、帧率和成本同时推到最高，而它带来的畸变在这些场景里要么并不明显，要么已被算法和硬件“削平”。
具体的分析这里不赘述了。
双目相机可以用卷帘门曝光的相机么？
可以，但要看场景和你能做到的同步/照明/读出速度。很多量产双目深度相机就是卷帘快门（RS）：
●RealSense：D415（RS 深度双目）用于高精度、较慢场景；D435/D455（GS 深度双目）用于快运动/宽 FOV。
●Stereolabs ZED 2/2i：官方说明为硬件同步的 RS，实际在移动机器人/AR 场景广泛应用，依赖强同步与算法抑制 RS 伪影。
具体的分析这里不赘述了。
怎么工作：所有行同时开始曝光（全局复位/Global Reset），但结束曝光与读出仍然逐行（像滚动一样）。这样能显著降低RS的几何畸变。
副作用与对策：
●因为底部行更晚结束，同帧内曝光长度从上到下逐渐变长，可能出现由上到下的亮度渐变（shading）。
●配合频闪/脉冲光：把光只打在“所有行都在积分”的重叠区，可消除梯度，达到“接近全局曝光”的效果（有厂商称 pseudo/global reset release）。
多家工业相机都提供“Rolling + Global Reset”工作方式与触发引脚来配闪光。
●GS：同起同止 → 运动不变形；之后再读出。
●RS：逐行起始 → t_scan 内的运动映射为几何畸变；读出随行进行。
●GRS：同起、逐行止 → 畸变大减；若不用脉冲光会带来自上而下的亮度渐变。
●几何精度刚性场景：在线量测、定位抓取、机器人手眼、旋转件/高速传输带；对时间一致性/形状还原要求高。
●不同相机/光源严格同步：多机位拼接、相移干涉、脉冲光窗窄。
●场景运动慢/机位固定：固定监视、尺寸公差宽、或有余裕缩ROI/降分辨率提升行速。
●成本/分辨率/功耗优先：在保证 t_scan 内目标位移很小（设计上控制线速度、用更快读出传感器、缩ROI）时更具性价比。
●想要“低畸变 + 低成本/高像素”：用RS传感器但配合频闪/脉冲照明，把光打在所有像素“共同在积分”的时间窗，可实现近似GS的成像。注意把环境光压下，否则会出现亮度渐变。
| 维度 | Global Shutter | Rolling Shutter | Global Reset Shutter |
|---|---|---|---|
| 曝光起止 | 全像素同起同止 | 逐行启动/结束 | 同起、逐行结束 |
| 读出 | 可并行/整帧 | 逐行 | 逐行 |
| 运动畸变 | 基本无 | 有（与 t_scan 成正比） | 大幅减轻 |
| 亮度一致性 | 好 | 好 | 可能自上而下渐亮，需配脉冲光抑制 |
| 成本 | 相对高/受工艺限制 | 低/易做高像素 | 介于两者（基于RS） |
| 典型应用 | 高速测量、定位抓取、旋转件 | 大分辨率、场景慢、成本敏感 | 运动场景 + 频闪照明、性价比替代GS |
https://softwareservices.flir.com/BFS-U3-51S5PC/latest/40-Installation/Readout.htm
