25.08.21У свеце лічбавай візуалізацыі мала якія тэхнічныя фактары ўплываюць на якасць выявы так моцна, як тып электроннага затвора ў вашай матрыцы. Незалежна ад таго, здымаеце вы хуткасныя прамысловыя працэсы, кінематаграфічныя паслядоўнасці ці фіксуеце слабыя астранамічныя з'явы, тэхналогія затвора ўнутры вашай CMOS-камеры адыгрывае вырашальную ролю ў тым, якім атрымаецца канчатковае выява.
Два дамінуючыя тыпы электронных засаўак CMOS, глабальныя засаўкі і рулонныя засаўкі, выкарыстоўваюць вельмі розныя падыходы да экспазіцыі і счытвання святла з датчыка. Разуменне іх адрозненняў, моцных бакоў і кампрамісаў вельмі важна, калі вы хочаце падабраць сістэму візуалізацыі для вашага прымянення.
У гэтым артыкуле растлумачыцца, што такое электронныя засаўкі CMOS, як працуюць глабальныя і рулонныя засаўкі, як яны працуюць у рэальных сітуацыях і як вырашыць, які з іх лепш за ўсё падыходзіць менавіта вам.
Што такое электронныя засаўкі CMOS?
CMOS-датчык — гэта сэрца большасці сучасных камер. Ён адказвае за пераўтварэнне ўваходнага святла ў электрычныя сігналы, якія можна апрацаваць у выяву. «Затвор» уCMOS-камеране абавязкова механічная заслона — многія сучасныя дызайны абапіраюцца на электронны затвор, які кантралюе, як і калі пікселі захопліваюць святло.
У адрозненне ад механічнага затвора, які фізічна блакуе святло, электронны затвор працуе, запускаючы і спыняючы паток зарада ўнутры кожнага пікселя. У CMOS-тэхналогіях існуюць дзве асноўныя архітэктуры электроннага затвора: глабальны затвор і рухомы затвор.
Чаму адрозненне мае значэнне? Таму што метад экспазіцыі і зчытвання непасрэдна ўплывае на:
● Рэндэрынг і скажэнне руху
● Рэзкасць выявы
● Адчувальнасць да нізкай асветленасці
● Частата кадраў і затрымка
● Агульная прыдатнасць для розных відаў фатаграфіі, відэа і навуковай здымкі
Разуменне глабальнага затвора
Крыніца: GMAX3405 Global Shutter Sensor
Як працуе глабальны затвор
CMOS-камеры з глабальным затворам пачынаюць і заканчваюць экспазіцыю адначасова па ўсёй матрыцы. Гэта дасягаецца з дапамогай 5 ці больш транзістараў на піксель і «вузла захоўвання», які захоўвае набытыя фотаэлектронныя зарады падчас зчытвання. Паслядоўнасць экспазіцыі наступная:
1. Пачніце экспазіцыю адначасова ў кожным пікселі, знішчыўшы назапашаныя зарады ў зямлю.
2. Пачакайце абраны час экспазіцыі.
3. Пасля заканчэння экспазіцыі перанясіце набытыя зарады ў вузел захоўвання ў кожным пікселі, заканчваючы экспазіцыю гэтага кадра.
4. Радок за радком перамяшчайце электроны ў кандэнсатар счытвання пікселя і перадавайце назапашанае напружанне на архітэктуру счытвання, што завяршаецца аналага-лічбавымі пераўтваральнікамі (АЛП). Наступная экспазіцыя звычайна можа выконвацца адначасова з гэтым крокам.
Перавагі глабальнага затвора
● Адсутнасць скажэнняў руху – рухомыя аб'екты захоўваюць сваю форму і геаметрыю без перакосу або хістання, якія могуць узнікаць пры паслядоўным счытванні.
● Высокахуткасная здымка — ідэальна падыходзіць для замарозкі руху ў дынамічных сцэнах, такіх як спорт, робататэхніка або кантроль якасці вытворчасці.
● Нізкая затрымка – усе дадзеныя выявы даступныя адначасова, што дазваляе дакладна сінхранізаваць іх з знешнімі падзеямі, такімі як лазерныя імпульсы або страбаскопы.
Абмежаванні глабальнага затвора
● Ніжняя святлоадчувальнасць – некаторыя канструкцыі пікселяў глабальнага затвора ахвяруюць эфектыўнасцю збору святла, каб размясціць схему, неабходную для адначасовай экспазіцыі.
● Больш высокі кошт і складанасць – выраб больш складаны, што часта прыводзіць да больш высокіх цэн у параўнанні з аналагамі з рулоннымі варотамі.
● Патэнцыйна павышаны шум – у залежнасці ад канструкцыі сэнсара, дадатковая электроніка на піксель можа прывесці да крыху большага ўзроўню шуму чытання.
Разуменне рухомага затвора
Як працуе рулонны затвор
Выкарыстоўваючы толькі 4 транзістары і адсутнасць вузла захоўвання дадзеных, гэтая больш простая форма канструкцыі пікселяў CMOS прыводзіць да больш складанай працы электроннага затвора. Пікселі з рухомым затворам запускаюць і спыняюць экспазіцыю датчыка па адным радку за раз, «пракручваючы» датчык уніз. Для кожнай экспазіцыі выконваецца адваротная паслядоўнасць (таксама паказана на малюнку):
Малюнак: Працэс рухомага затвора для сэнсара камеры 6x6 пікселяў
Першы кадр пачынае экспазіцыю (жоўты) у верхняй частцы датчыка, рухаючыся ўніз з хуткасцю адзін радок за радок. Пасля завяршэння экспазіцыі для верхняга радка ўніз па датчыку рухаецца паказальнік (фіялетавы), а затым пачатак наступнай экспазіцыі (сіні).
1. Пачніце ўздзеянне на верхні радок датчыка, зняўшы назапашаныя зарады з зямлі.
2. Пасля заканчэння «часу рада» перайдзіце да другога рада датчыка і пачніце экспазіцыю, паўтараючы ўніз па датчыку.
3. Пасля таго, як запытаны час экспазіцыі для верхняга рада скончыцца, спыніце экспазіцыю, адправіўшы атрыманыя зарады праз архітэктуру счытвання. Час, неабходны для гэтага, называецца «часам рада».
4. Як толькі зчытванне дадзеных для радка завершана, можна зноў пачаць экспазіцыю з кроку 1, нават калі гэта азначае перакрыццё з іншымі радкамі, дзе выконвалася папярэдняя экспазіцыя.
Перавагі рулонных засавак
●Лепшая праца пры слабым асвятленні– Піксельныя канструкцыі могуць прыярытэтызаваць збор святла, паляпшаючы суадносіны сігнал/шум у цёмных умовах.
●Больш высокі дынамічны дыяпазон– Дызайн паслядоўнага счытвання можа больш вытанчана апрацоўваць больш яркія блікі і больш цёмныя цені.
●Больш даступныя– CMOS-датчыкі з рухомым затворам больш распаўсюджаныя і эканамічна эфектыўныя ў вытворчасці.
Абмежаванні рулоннага затвора
●Артэфакты руху– Хуткарухомыя аб'екты могуць выглядаць скажонымі або скрыўленымі, што вядома як «эфект пракатнага затвора».
●Эфект жэле ў відэа– Здымкі з рук з вібрацыяй або хуткім панарамаваннем могуць выклікаць ваганні выявы.
●Праблемы сінхранізацыі– Менш падыходзіць для прыкладанняў, якія патрабуюць дакладнага вызначэння часу з улікам знешніх падзей.
Глабальны супраць рухомага затвора: параўнанне
Вось агульны агляд таго, як параўноўваюцца рулонныя і глабальныя шторы:
| Асаблівасць | Рулонны затвор | Глабальны затвор |
| Піксельны дызайн | 4-транзістарны (4T), без вузла захоўвання | 5+ транзістараў, у тым ліку вузел захоўвання дадзеных |
| Адчувальнасць да святла | Вышэйшы каэфіцыент запаўнення, лёгкая адаптацыя да фармату з задняй падсветкай → больш высокі QE | Ніжэйшы каэфіцыент запаўнення, больш складаны BSI |
| Шумавыя характарыстыкі | Звычайна меншы шум чытання | Можа мець крыху большы шум з-за дадатковай схемы |
| Скажэнне руху | Магчыма (перакос, хістанне, эфект жэле) | Няма — усе пікселі экспанаваны адначасова |
| Патэнцыял хуткасці | Можа перакрываць экспазіцыі і чытаць некалькі радкоў; часта хутчэй у некаторых дызайнах | Абмежавана поўнакадравым счытваннем, хоць падзеленае счытванне можа дапамагчы |
| Кошт | Ніжэйшыя выдаткі на вытворчасць | Больш высокі кошт вытворчасці |
| Найлепшыя выпадкі выкарыстання | Здымкі пры слабым асвятленні, кінематаграфія, агульная фатаграфія | Высокахуткасны захоп руху, прамысловы кантроль, дакладная метралогія |
Асноўныя адрозненні ў прадукцыйнасці
Пікселі з рухомым затворам звычайна выкарыстоўваюць канструкцыю з 4 транзістарамі (4T) без вузла захоўвання дадзеных, у той час як глабальныя затворы патрабуюць 5 або больш транзістараў на піксель плюс дадатковую схему для захоўвання фотаэлектронаў перад зчытваннем.
●Каэфіцыент запаўнення і адчувальнасць– Прасцейшая архітэктура 4T дазваляе выкарыстоўваць больш высокі каэфіцыент запаўнення пікселя, што азначае, што большая частка паверхні кожнага пікселя прызначана для збору святла. Такая канструкцыя ў спалучэнні з тым фактам, што датчыкі рухомага затвора можна лягчэй адаптаваць да фармату з задняй падсветкай, часта прыводзіць да больш высокай квантавай эфектыўнасці.
●Шумавыя характарыстыкі– Меншая колькасць транзістараў і менш складаная схема звычайна азначаюць, што рухомыя засаўкі маюць меншы шум чытання, што робіць іх больш прыдатнымі для выкарыстання ў умовах нізкай асветленасці.
●Патэнцыял хуткасці– Рулонныя засаўкі могуць быць хутчэйшымі ў некаторых архітэктурах, бо яны дазваляюць перакрываць экспазіцыю і счытванне, хоць гэта моцна залежыць ад канструкцыі датчыка і электронікі счытвання.
Кошт і вытворчасць — прастата пікселяў рулоннага затвора звычайна азначае больш нізкія выдаткі на вытворчасць у параўнанні з глабальнымі затворамі.
Пашыраныя меркаванні і метады
Псеўдаглабальны затвор
У сітуацыях, калі вы можаце дакладна кантраляваць, калі святло трапляе на датчык, — напрыклад, пры выкарыстанні святлодыёднай або лазернай крыніцы святла, якая актывуецца апаратным забеспячэннем, — вы можаце дасягнуць «глабальных» вынікаў з дапамогай рухомага затвора. Гэты псеўдаглабальны метад затвора сінхранізуе асвятленне з акном экспазіцыі, мінімізуючы артэфакты руху без неабходнасці сапраўднай глабальнай канструкцыі затвора.
Перакрыццё малюнкаў
Датчыкі рухомага затвора могуць пачаць экспазіцыю наступнага кадра да завяршэння зчытвання бягучага кадра. Гэта перакрываючаяся экспазіцыя паляпшае каэфіцыент запаўнення і карысная для высакахуткасных прыкладанняў, дзе захоп максімальнай колькасці кадраў у секунду мае вырашальнае значэнне, але можа ўскладніць эксперыменты, адчувальныя да часу.
Зчытванне некалькіх радкоў
Многія высакахуткасныя CMOS-камеры могуць зчытваць больш за адзін радок пікселяў адначасова. У некаторых рэжымах радкі зчытваюцца парамі; у больш прасунутых канструкцыях адначасова можна зчытваць да чатырох радкоў, што эфектыўна скарачае агульны час зчытвання кадра.
Архітэктура падзеленых датчыкаў
Як рулонныя, так і глабальныя засаўкі могуць выкарыстоўваць размяшчэнне падзеленага датчыка, дзе датчык выявы падзелены вертыкальна на дзве паловы, кожная са сваім радам АЦП.
● У датчыках з падзеленым дыяпазонам кадраў зчытванне часта пачынаецца з цэнтра і рухаецца вонкі ўверх і ўніз, што яшчэ больш зніжае затрымку.
● У глабальных канструкцыях затвора падзеленае счытванне можа палепшыць частату кадраў без змены адначасовасці экспазіцыі.
Як выбраць для вашага прымянення: рулонны ці глабальны затвор?
Глабальны затвор можа быць карысным для розных прыкладанняў
● Патрабуюць высокай дакладнасці часу падзей
● Патрабуюць вельмі кароткі час экспазіцыі
● Патрабуецца затрымка меншая за мілісекунду перад пачаткам збору дадзеных для сінхранізацыі з падзеяй
● Захоплівайце маштабны рух або дынаміку ў падобным або хутчэйшым часавым маштабе, як і пры выкарыстанні рухомага затвора
● Патрабуецца адначасовае атрыманне дадзеных на ўсім датчыку, але немагчыма кіраваць крыніцамі святла для выкарыстання псеўдаглабальнага затвора па вялікай плошчы
Рулонны затвор можа быць карысным для розных прыкладанняў
● Складаныя задачы прымянення ва ўмовах нізкай асветленасці: дадатковая квантавая эфектыўнасць і меншы шум камер з рухомым затворам часта прыводзяць да паляпшэння суадносін сігнал/шум
● Высокахуткасныя прымяненні, дзе дакладная адначасовасць паміж датчыкамі не важная, або затрымка малая ў параўнанні з эксперыментальнымі часавымі шкаламі
● Іншыя, больш агульныя сферы прымянення, дзе прастата вытворчасці і больш нізкі кошт камер з рухомым затворам з'яўляюцца перавагамі
Распаўсюджаныя памылковыя ўяўленні
1. «Рулонны затвор — гэта заўсёды дрэнна».
Няпраўда — рулонныя засаўкі ідэальна падыходзяць для многіх выпадкаў выкарыстання і часта пераўзыходзяць глабальныя засаўкі пры слабым асвятленні і дынамічным дыяпазоне.
2. «Глабальная вытрымка заўсёды лепшая».
Хоць здымка без скажэнняў з'яўляецца перавагай, кампрамісы ў кошце, шуме і адчувальнасці могуць пераважваць перавагі больш павольнай візуалізацыі.
3. «Нельга здымаць відэа з дапамогай рухомага затвора».
Многія высакаякасныя кінакамеры эфектыўна выкарыстоўваюць рухомыя засаўкі; акуратныя метады здымкі могуць мінімізаваць артэфакты.
4. «Глабальныя аканіцы ліквідуюць размытасць ад руху».
Яны прадухіляюць геаметрычныя скажэнні, але размыццё ад руху з-за працяглай вытрымкі ўсё яшчэ можа ўзнікаць.
Выснова
Выбар паміж глабальнай і рухомай тэхналогіяй засаўкі ў CMOS-камеры зводзіцца да балансу паміж апрацоўкай руху, святлоадчувальнасцю, коштам і канкрэтнымі патрэбамі вашага прымянення.
● Калі вам патрэбна здымка хутка рухаючыхся сцэн без скажэнняў, глабальная затрымка — відавочны выбар.
● Калі вы надаеце прыярытэт прадукцыйнасці пры слабым асвятленні, дынамічнаму дыяпазону і бюджэту, рухомы затвор часта дае найлепшыя вынікі.
Разуменне гэтых адрозненняў гарантуе, што вы зможаце выбраць правільны інструмент — няхай гэта будзе для навуковай візуалізацыі, прамысловага маніторынгу ці творчай вытворчасці.
Часта задаваныя пытанні
Які тып засаўкі лепш падыходзіць для аэрафотаздымкі ці мапавання з дапамогай беспілотніка?
Для картаграфавання, геадэзіі і інспекцыі, дзе геаметрычная дакладнасць мае вырашальнае значэнне, пераважней выкарыстоўваць глабальны затвор, каб пазбегнуць скажэнняў. Аднак для крэатыўнай аэрафотаздымкі рулонны затвор усё яшчэ можа даць выдатныя вынікі, калі рухі кантралююцца.
Як выбар засаўкі ўплывае на здымкі пры слабым асвятленні?
Рулонныя засаўкі звычайна маюць перавагу ў працы пры слабым асвятленні, таму што іх піксельныя канструкцыі могуць прыярытэтызаваць эфектыўнасць збору святла. Глабальныя засаўкі могуць патрабаваць больш складанай схемы, якая можа крыху знізіць адчувальнасць, хоць сучасныя канструкцыі скарачаюць гэты прабел.
Як тып засаўкі ўплывае нанавуковая камера?
У высакахуткаснай навуковай візуалізацыі, напрыклад, пры адсочванні часціц, дынаміцы клетак або балістыцы, глабальны затвор часта неабходны для пазбягання скажэнняў руху. Але для флуарэсцэнтнай мікраскапіі пры слабым асвятленні...sCMOS-камерадля максімізацыі адчувальнасці і дынамічнага дыяпазону можна выбраць рухомы затвор.
Што лепш для прамысловага кантролю?
У большасці задач прамысловага кантролю, асабліва тых, якія ўключаюць рухомыя канвеерныя стужкі, робататэхніку або машынны зрок, глабальны затвор з'яўляецца больш бяспечным выбарам для забеспячэння дакладных вымярэнняў без геаметрычных памылак, выкліканых рухам.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Усе правы абаронены. Пры цытаванні, калі ласка, спасылайцеся на крыніцу:www.tucsen.com
