像质干货 | 频闪Flicker

1 | 频闪现象 Flicker  

Flicker频闪现象,是由于时间调制的光源(如脉宽调制的LED灯)和图像传感器的相互作用,场景中的灯光在成像画面中闪烁而产生不理想的频闪条纹现象。也就是拍照或录像常见的频闪条纹可以从以下两个方向查找原因:

①、光源的调制信号

交流电的光源,比如常见电视,电脑屏幕或家用光源,我们国家的家用电标准是220V 50/60HZ。假如用未开启AntiFlicker功能的相机拍照,这时画面会出现水波纹(频闪条纹)现象。

有频闪无频闪

②、卷帘式曝光”(Rolling Shutter)

如果成像系统的曝光方式是卷帘式曝光(Rolling Shutter),由于每一行曝光时间不同,获得的曝光量也可能不同;那么在不同的感光面接收到的光能量不一样,从而产生了图像上的频闪条纹。

电子卷帘快门是通过控制芯片逐行的方式实现的,它没有实际意义上的快门,而是通过通电控制传感器,使其不同部分在不同时间下对光的敏感度不同,逐行进行曝光,直到所有的像素点被曝光。

成像系统卷帘曝光(Rolling Shutter)的方式在面对调制光源信号时会存在如此极端的现象,全局曝光(Global Shutter)则不会看到这种现象。

但是全局曝光也不能幸免于时间调制的照明效果,它表现为一种曝光的“呼吸”,其中光脉冲可能与传感器的整合期同步(较亮),或与传感器的读出期同步(较暗)。具体现象是在视频中的帧之间会出现明暗闪烁的现象,同时这种闪烁的灯光现象也会混淆HDR多重曝光的图像融合。

对于Rolling Shutter和Global Shutter的曝光方式,我们简单做个示意:

卷帘曝光(Rolling Shutter)全局曝光(Global Shutter)
1.像素逐行曝光1.像素同时曝光
2.适用于较高的像素数2.比较适合运动物体
3.比较适合静物
或低速运动的物体
3.运动物体
没有图像畸变
4.对运动物体可能
会造成畸变与拖影
4.增加噪声读出
(相同曝光时间)
5.帧速调节与噪声控制
相对灵活

2 | 全局曝光 Global Shutter

Q:那全局曝光(Global Shutter)的成像系统面对调制信号的光源时,该怎么解决画面时域上的呼吸闪(帧之间的亮暗变化)问题呢?

我们可以先从工频信号入手,比如下图,交流电光源都有光强的波动,在中国交流电频率是50Hz,周期是20ms,即光强的波动频率就是100Hz(因为1个周期内会有两个无电流瞬间,即波形有两个零点,故光强波动周期10ms),现象就是1秒钟灯会发生100次的闪烁。

因为人眼对光强变化有一定的迟滞和适应性,所以通常看不出光源的亮度变化,但依然会增加人眼的疲劳程度。

对于camera sensor来说,没有人眼的迟滞和适应过程,所以对光源亮度的变化是比较敏感的。如果不加抑制,在预览和DV模式下,可能会有明显的图像的明亮变化闪烁的现象发生。

Q: 全局曝光(Global Shutter)想要消除帧之间的明暗变化,要怎么做呢?

考虑到光源频闪的周期性,在一个周期内,光源亮度的累积值,应该是大体一致的。所以,如果控制曝光的时间是频闪周期的整倍数,那么每一帧图像的亮度就大体是一致的了,这样就可以有效地抑制呼吸闪对图像亮度的影响。

曝光时间= N ×(1/(工频×2)),N是非0正整数。比如工频是50HZ,N取2时,那么曝光时间 = 1/50,对应视频帧率就是50fps,N取4时,对应帧率是25fps。

3 | 卷帘曝光 Rolling Shutter

对于Rolling Shutter这种CMOS sensor,Flicker现象是会出现一帧内有明暗条纹,且可能帧与帧之间条纹会滚动。

Rolling Shutter的曝光方式是逐行进行的,同一行Pixel的曝光时间是一样的,每行Pixel的曝光起始和结束的时间都是一样的。不同行之间,虽然每行的曝光时长是一样的,但时域上每行曝光的开始点是不同的,所以不同行之间pixel积聚的能量不一定相同。

对于不同行间Pixel聚集能量的不同,我们可以简单介绍下:

以220V 50HZ的交流电信号为例,信号周期是0.02,不过功率的周期是0.01s,灯的亮度会随着功率的变化而变化,只是100Hz的频率人眼察觉不到这个亮度的变化。

功率与电压的关系图:

通过功率的计算方法可以简化为大致的关系:p(t)=1-cos(200πt)

对Rolling Shutter传感器来说,如果每行曝光起始时间为T0,结束时间为T1,那曝光时间:

Δ=T1 -T0 ,那在这个曝光时间内,该行像素获取的光能:

W(ΔT)=

为了保证每行像素的曝光量都接近,即W(ΔT)都相同,如下图的功率图展示,需要满足:

ΔT=0.01K,K为正整数,也就是说曝光时间必须是10ms的整数倍。

可以很明显地发现,如果ΔT不是0.01的整数倍,很难保证在相同的采样时间能有同样的积分量。

故以50HZ的交流电频率来说,解决频闪有两种办法:

1、控制Sensor每行的曝光时间为10ms的整数倍

2、每帧图片的时间是10ms的整数倍

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