25/08/21В света на цифровите изображения, малко технически фактори влияят толкова много върху качеството на изображението, колкото вида на електронния затвор във вашия сензор. Независимо дали снимате високоскоростни промишлени процеси, филмирате кинематографични поредици или улавяте слаби астрономически явления, технологията на затвора във вашия CMOS фотоапарат играе решаваща роля за това как ще се получи крайното ви изображение.
Два доминиращи вида CMOS електронни затвори, глобалните затвори и ролетните затвори, използват много различни подходи за експониране и отчитане на светлината от сензор. Разбирането на техните разлики, силни страни и компромиси е от съществено значение, ако искате да съобразите вашата система за изображения с вашето приложение.
Тази статия ще обясни какво представляват CMOS електронните щори, как работят глобалните и ролетните щори, как се представят в реални ситуации и как да решите кой е най-подходящ за вас.
Какво представляват CMOS електронните затвори?
CMOS сензорът е сърцето на повечето съвременни фотоапарати. Той е отговорен за преобразуването на входящата светлина в електрически сигнали, които могат да бъдат обработени в изображение. „Затворът“ в...CMOS камеране е непременно механична завеса – много съвременни дизайни разчитат на електронен затвор, който контролира как и кога пикселите улавят светлина.
За разлика от механичния затвор, който физически блокира светлината, електронният затвор работи, като стартира и спира потока от заряд във всеки пиксел. При CMOS обработката на изображения има две основни архитектури на електронния затвор: глобален затвор и ролинг затвор.
Защо разграничението е важно? Защото методът на експозиция и отчитане пряко влияе върху:
● Рендиране и изкривяване на движение
● Рязкост на изображението
● Чувствителност при слаба светлина
● Честота на кадрите и латентност
● Цялостна пригодност за различни видове фотография, видео и научни изображения
Разбиране на глобалния затвор
Източник: GMAX3405 Глобален сензор за затвор
Как работи глобалният затвор
CMOS камерите с глобален затвор започват и завършват експозицията си едновременно в целия сензор. Това се постига с помощта на 5 или повече транзистора на пиксел и „възел за съхранение“, който съхранява придобитите фотоелектронни заряди по време на отчитане. Последователността на експозицията е следната:
1. Започнете експозицията едновременно във всеки пиксел, като изчистите придобитите заряди към земята.
2. Изчакайте избраното време на експозиция.
3. В края на експозицията, преместете придобитите заряди към възела за съхранение във всеки пиксел, с което ще завършите експозицията на този кадър.
4. Ред по ред, премествайте електроните в кондензатора за отчитане на пиксела и препредавайте натрупаното напрежение към архитектурата за отчитане, като кулминацията е в аналогово-цифровите преобразуватели (ADC). Следващата експозиция обикновено може да се извърши едновременно с тази стъпка.
Предимства на глобалния затвор
● Без изкривяване на движението – Движещите се обекти запазват формата и геометрията си без изкривяване или трептене, които могат да възникнат при последователно отчитане.
● Високоскоростно заснемане – Идеално за замразяване на движение в бързо движещи се сцени, като например в спорт, роботика или контрол на качеството на производството.
● Ниска латентност – Всички данни за изображението са достъпни едновременно, което позволява прецизна синхронизация с външни събития, като лазерни импулси или стробоскопични светлини.
Ограничения на глобалния затвор
● По-ниска светлочувствителност – Някои дизайни на пиксели с глобален затвор жертват ефективността на събиране на светлина, за да се съобразят с електрическите схеми, необходими за едновременна експозиция.
● По-висока цена и сложност – Производството е по-предизвикателно, което често води до по-високи цени в сравнение с еквивалентите на ролетни щори.
● Потенциал за повишен шум – В зависимост от дизайна на сензора, допълнителната електроника на пиксел може да доведе до малко по-висок шум при четене.
Разбиране на ролетния затвор
Как работи ролетната щора
Използвайки само 4 транзистора и без възел за съхранение, тази по-проста форма на CMOS пикселен дизайн води до по-сложна работа на електронния затвор. Пикселите с подвижен затвор стартират и спират експозицията на сензора ред по ред, „търкаляйки“ сензора надолу. Обратната последователност (също показана на фигурата) се следва за всяка експозиция:
Фигура: Процес на ролинг затвор за 6x6 пикселен сензор на камера
Първият кадър започва експозицията (жълто) в горната част на сензора, като се движи надолу със скорост един ред на ред. След като експозицията завърши за горния ред, показанието (лилаво), последвано от началото на следващата експозиция (синьо), се движи надолу по сензора.
1. Започнете облъчване с горния ред на сензора, като изчистите придобитите заряди към земята.
2. След като изтече „времето за ред“, преминете към втория ред на сензора и започнете експозицията, като повтаряте надолу по сензора.
3. След като изтече заявеното време за експозиция за горния ред, прекратете експозицията, като изпратите получените заряди през архитектурата за отчитане. Времето, необходимо за това, се нарича „време на реда“.
4. Веднага след като отчитането за даден ред приключи, е готово да се започне отново експозицията от стъпка 1, дори ако това означава припокриване с други редове, извършващи предишната експозиция.
Предимства на ролетната щора
●По-добра производителност при слаба светлина– Пикселните дизайни могат да дадат приоритет на събирането на светлина, подобрявайки съотношението сигнал/шум при условия на слаба осветеност.
●По-висок динамичен диапазон– Дизайните с последователно отчитане могат да обработват по-ярки акценти и по-тъмни сенки по-грациозно.
●По-достъпни– CMOS сензорите с подвижен затвор са по-разпространени и рентабилни за производство.
Ограничения на ролетната щора
●Артефакти от движение– Бързо движещите се обекти може да изглеждат изкривени или огънати, известно като „ефект на въртящ се затвор“.
●Желе ефект във видео– Заснемането от ръка с вибрации или бързо панорамиране може да причини трептене в изображението.
●Предизвикателства при синхронизацията– По-малко подходящ за приложения, изискващи прецизно синхронизиране с външни събития.
Глобален срещу Ролинг Шлюз: Сравнение едно до друго
Ето един общ преглед на това как се сравняват ролетните щори и глобалните щори:
| Функция | Ролетна щора | Глобален затвор |
| Пиксел дизайн | 4-транзистор (4T), без възел за съхранение | 5+ транзистора, включително възел за съхранение |
| Светочувствителност | По-висок коефициент на запълване, лесно адаптиран към формат с подсветка → по-високо качество на изображението | По-нисък коефициент на запълване, по-сложен BSI |
| Шумови характеристики | Като цяло по-нисък шум при четене | Може да има малко по-висок шум поради добавена схема |
| Изкривяване на движението | Възможно (изкривяване, клатушкане, желеобразен ефект) | Няма — всички пиксели са експонирани едновременно |
| Потенциал за скорост | Може да се припокриват експозиции и да се четат множество редове; често по-бързо в някои дизайни | Ограничено от пълнокадровото отчитане, въпреки че разделеното отчитане може да помогне |
| Цена | По-ниски производствени разходи | По-високи производствени разходи |
| Най-добри случаи на употреба | Заснемане при слаба светлина, кинематография, обща фотография | Високоскоростно заснемане на движение, индустриална инспекция, прецизна метрология |
Основни разлики в производителността
Пикселите с ролетна щора обикновено използват 4-транзисторна (4T) конструкция без възел за съхранение, докато глобалните щори изискват 5 или повече транзистора на пиксел плюс допълнителна схема за съхраняване на фотоелектрони преди прочитане.
●Коефициент на запълване и чувствителност– По-простата 4T архитектура позволява по-висок коефициент на запълване на пикселите, което означава, че по-голяма част от повърхността на всеки пиксел е предназначена за събиране на светлина. Този дизайн, комбиниран с факта, че сензорите с подвижен затвор могат да бъдат адаптирани по-лесно към формат с подсветка, често води до по-висока квантова ефективност.
●Шумови характеристики– По-малко транзистори и по-малко сложна схема обикновено означават, че ролетните щори показват по-нисък шум при четене, което ги прави по-подходящи за приложения при слаба светлина.
●Потенциал за скорост– Ролетните щори могат да бъдат по-бързи в определени архитектури, защото позволяват припокриване на експозицията и отчитането, въпреки че това силно зависи от дизайна на сензора и електрониката за отчитане.
Цена и производство – Простотата на пикселите на ролетния затвор обикновено води до по-ниски производствени разходи в сравнение с глобалните затвори.
Разширени съображения и техники
Псевдоглобален затвор
В ситуации, в които можете прецизно да контролирате кога светлината достига до сензора – например чрез използване на LED или лазерен източник на светлина, задействан от хардуер – можете да постигнете „глобално-подобни“ резултати с подвижен затвор. Този псевдо-глобален метод на затвора синхронизира осветлението с прозореца на експозиция, минимизирайки артефактите от движение, без да е необходим истински глобален дизайн на затвора.
Припокриване на изображения
Сензорите с подвижен затвор могат да започнат да експонират следващия кадър, преди да е завършено отчитането на текущия кадър. Това припокриващо се експозиция подобрява работния цикъл и е полезно за високоскоростни приложения, където заснемането на максималния брой кадри в секунда е критично, но може да усложни експерименти, чувствителни към времето.
Отчитане на множество редове
Много високоскоростни CMOS камери могат да четат повече от един ред пиксели едновременно. В някои режими редовете се четат по двойки; в усъвършенстваните модели могат да се четат едновременно до четири реда, което ефективно намалява общото време за четене на кадрите.
Разделна архитектура на сензора
Както ролетните, така и глобалните щори могат да използват разположение на разделен сензор, при което сензорът за изображение е разделен вертикално на две половини, всяка със собствен ред ADC.
● При сензорите с разделен тип „ролинг-шлюз“, отчитането често започва от центъра и се търкаля навън към горе и долу, което допълнително намалява латентността.
● При конструкции с глобален затвор, разделеното отчитане може да подобри честотата на кадрите, без да променя едновременността на експозицията.
Как да изберете за вашето приложение: ролетна или глобална завеса?
Глобалният затвор може да е от полза за приложенията
● Изискват високо прецизно определяне на времето на събитията
● Изискват много кратки времена на експозиция
● Изискване на забавяне от под милисекунда преди началото на придобиването, за да се синхронизира със събитие
● Заснемане на мащабно движение или динамика в подобен или по-бърз времеви мащаб като при ролинг затвор
● Изисква едновременно заснемане от целия сензор, но не може да контролира източниците на светлина, за да използва псевдоглобален затвор в голяма площ
Ролетният затвор може да е от полза за приложенията
● Предизвикателни приложения при слаба светлина: Допълнителната квантова ефективност и по-ниският шум на камерите с подвижен затвор често водят до подобрено съотношение сигнал/шум (SNR)
● Високоскоростни приложения, където точната едновременност между сензора не е важна или закъснението е малко в сравнение с експерименталните времеви скали
● Други по-общи приложения, където простотата на производство и по-ниската цена на камерите с подвижен затвор са от полза
Често срещани погрешни схващания
1. „Ролинг щората винаги е лоша.“
Не е вярно - ролетните щори са идеални за много случаи на употреба и често превъзхождат глобалните щори при слаба светлина и динамичен диапазон.
2. „Глобалният затвор винаги е по-добър.“
Въпреки че заснемането без изкривявания е предимство, компромисите с цената, шума и чувствителността могат да надхвърлят предимствата на по-бавното темпо на заснемане.
3. „Не можеш да снимаш видео с ролетна задна камера.“
Много висок клас кинокамери използват ефективно ролетни щори; внимателните техники на снимане могат да сведат до минимум артефактите.
4. „Глобалните щори елиминират всяко размазване от движение.“
Те предотвратяват геометрично изкривяване, но все пак може да се появи размазване от движение от дълги времена на експозиция.
Заключение
Изборът между глобална и подвижна технология на затвора в CMOS камерата се свежда до баланса между обработката на движение, светлочувствителността, цената и специфичните нужди на вашето приложение.
● Ако имате нужда от заснемане без изкривявания за бързо движещи се сцени, глобалният затвор е ясният избор.
● Ако давате приоритет на производителността при слаба светлина, динамичния диапазон и бюджета, ролинг затворът често дава най-добри резултати.
Разбирането на тези разлики ви гарантира, че можете да изберете правилния инструмент – независимо дали е за научно изображение, индустриален мониторинг или творческо производство.
Често задавани въпроси
Кой тип затвор е по-добър за въздушна фотография или картографиране с дрон?
За картографиране, геодезия и инспекция, където геометричната точност е от решаващо значение, се предпочита глобален затвор, за да се избегне изкривяване. Въпреки това, за креативно въздушно видео, ролинг затворът може да даде отлични резултати, ако движенията са контролирани.
Как изборът на затвор влияе на снимките при слаба светлина?
Ролетните щори обикновено имат предимство при работа при слаба светлина, защото техните пикселни дизайни могат да дадат приоритет на ефективността на събиране на светлина. Глобалните щори може да изискват по-сложна схема, която може леко да намали чувствителността, въпреки че съвременните дизайни запълват тази празнина.
Как влияе типът на затворанаучна камера?
При високоскоростното научно изобразяване – като проследяване на частици, клетъчна динамика или балистика – глобалният затвор често е от съществено значение, за да се избегне изкривяване на движението. Но за флуоресцентна микроскопия при слаба светлина,sCMOS камерас подвижен затвор може да бъде избран за максимизиране на чувствителността и динамичния диапазон.
Кой е по-добър за индустриална инспекция?
В повечето задачи за индустриална инспекция – особено тези, включващи движещи се конвейерни ленти, роботика или машинно зрение – глобалният затвор е по-безопасният избор за осигуряване на прецизни измервания без геометрични грешки, причинени от движение.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Всички права запазени. При цитиране, моля, посочете източника:www.tucsen.com
