25.08.21.U svijetu digitalne obrade slika, malo tehničkih faktora utiče na kvalitet slike toliko kao tip elektronskog zatvarača u vašem senzoru. Bez obzira da li snimate brze industrijske procese, filmske sekvence ili beležite slabe astronomske pojave, tehnologija zatvarača unutar vaše CMOS kamere igra ključnu ulogu u tome kako će vaša konačna slika ispasti.
Dva dominantna tipa CMOS elektronskih zatvarača, globalni zatvarači i rolo zatvarači, koriste vrlo različite pristupe eksponiranju i očitavanju svjetlosti sa senzora. Razumijevanje njihovih razlika, prednosti i nedostataka je ključno ako želite uskladiti svoj sistem za obradu slike sa svojom primjenom.
Ovaj članak će objasniti šta su CMOS elektronski zatvarači, kako funkcionišu globalni i rolo zatvarači, kako se ponašaju u stvarnim situacijama i kako odlučiti koji je najbolji za vas.
Šta su CMOS elektronski zatvarači?
CMOS senzor je srce većine modernih fotoaparata. Odgovoran je za pretvaranje dolazne svjetlosti u električne signale koji se mogu obraditi u sliku. "Zatvarač" uCMOS kameranije nužno mehanička zavjesa - mnogi moderni dizajni oslanjaju se na elektronski zatvarač koji kontrolira kako i kada pikseli hvataju svjetlost.
Za razliku od mehaničkog zatvarača koji fizički blokira svjetlost, elektronski zatvarač radi tako što pokreće i zaustavlja protok naboja unutar svakog piksela. U CMOS obradi slika postoje dvije primarne arhitekture elektronskog zatvarača: globalni zatvarač i rotirajući zatvarač.
Zašto je razlikovanje važno? Zato što metoda ekspozicije i očitavanja direktno utiče na:
● Renderiranje i distorzija pokreta
● Oštrina slike
● Osjetljivost pri slabom osvjetljenju
● Broj sličica u sekundi i latencija
● Opšta pogodnost za različite vrste fotografije, videa i naučnog snimanja
Razumijevanje Globalnog zatvarača
Izvor: GMAX3405 Global Shutter Sensor
Kako funkcioniše Globalni zatvarač
CMOS kamere sa globalnim zatvaračem započinju i završavaju ekspoziciju istovremeno na cijelom senzoru. To se postiže korištenjem 5 ili više tranzistora po pikselu i 'storagenodea' koji zadržava stečena fotoelektronska naboja tokom očitavanja. Redoslijed ekspozicije je sljedeći:
1. Započnite ekspoziciju istovremeno u svakom pikselu uklanjanjem stečenih naboja u zemlju.
2. Sačekajte odabrano vrijeme ekspozicije.
3. Na kraju ekspozicije, premjestite stečena naboja u čvor za pohranu u svakom pikselu, završavajući ekspoziciju tog kadra.
4. Red po red, premještajte elektrone u kondenzator za očitavanje piksela i prenosite akumulirani napon na arhitekturu za očitavanje, što kulminira u analogno-digitalnim pretvaračima (ADC). Sljedeća ekspozicija se obično može izvršiti istovremeno s ovim korakom.
Prednosti Globalnog Shuttera
● Bez izobličenja kretanja – Objekti u pokretu zadržavaju svoj oblik i geometriju bez iskrivljenja ili podrhtavanja koje se može pojaviti kod sekvencijalnog očitavanja.
● Snimanje velikom brzinom – Idealno za zamrzavanje pokreta u brzim scenama, kao što su sport, robotika ili kontrola kvalitete proizvodnje.
● Niska latencija – Svi podaci o slici dostupni su odjednom, što omogućava preciznu sinhronizaciju s vanjskim događajima, kao što su laserski impulsi ili stroboskopska svjetla.
Ograničenja Globalnog zatvarača
● Niža osjetljivost na svjetlost – Neki dizajni piksela globalnog zatvarača žrtvuju efikasnost sakupljanja svjetlosti kako bi se prilagodili elektronici potrebnoj za istovremenu ekspoziciju.
● Viši troškovi i složenost – Izrada je izazovnija, što često rezultira višim cijenama u poređenju sa ekvivalentnim rolo vratima.
● Potencijal za povećani šum – U zavisnosti od dizajna senzora, dodatna elektronika po pikselu može dovesti do nešto većeg šuma pri čitanju.
Razumijevanje Rolling Shutter-a
Kako funkcionira rolo zatvarač
Koristeći samo 4 tranzistora i bez memorijskog čvora, ovaj jednostavniji oblik CMOS dizajna piksela dovodi do složenijeg rada elektronskog zatvarača. Pikseli sa rotirajućim zatvaračem pokreću i zaustavljaju ekspoziciju senzora red po red, 'pomičući' senzor prema dolje. Suprotan redoslijed (također prikazan na slici) slijedi se za svaku ekspoziciju:
Slika: Proces rolo zatvarača za senzor kamere od 6x6 piksela
Prvi kadar započinje ekspoziciju (žuto) na vrhu senzora, pomičući se prema dolje brzinom od jedne linije po liniji. Nakon što se ekspozicija završi za gornju liniju, očitavanje (ljubičasto), a zatim početak sljedeće ekspozicije (plavo), pomiče se prema dolje duž senzora.
1. Započnite izlaganje gornjem redu senzora uklanjanjem stečenih naboja u masu.
2. Nakon što istekne 'vrijeme reda', pređite na drugi red senzora i započnite ekspoziciju, ponavljajući postupak prema dolje na senzoru.
3. Nakon što istekne traženo vrijeme ekspozicije za gornji red, završite ekspoziciju slanjem prikupljenih naboja kroz arhitekturu očitavanja. Vrijeme potrebno za to se naziva 'vrijeme reda'.
4. Čim se očitavanje za red završi, spreman je za ponovni početak ekspozicije od koraka 1, čak i ako to znači preklapanje s drugim redovima u kojima se izvodi prethodna ekspozicija.
Prednosti rolo vrata
●Bolje performanse pri slabom osvjetljenju– Dizajn piksela može dati prioritet prikupljanju svjetlosti, poboljšavajući odnos signala i šuma u uslovima slabog osvjetljenja.
●Viši dinamički raspon– Dizajni sekvencijalnog očitavanja mogu elegantnije obraditi svjetlije detalje i tamnije sjene.
●Pristupačnije– CMOS senzori sa rolo zatvaračem su češći i isplativiji za proizvodnju.
Ograničenja rolo zatvarača
●Artefakti kretanja– Objekti koji se brzo kreću mogu izgledati iskrivljeno ili savijeno, što je poznato kao „efekat rotirajućeg zatvarača“.
●Žele efekat u videu– Snimci iz ruke s vibracijama ili brzim pomicanjem mogu uzrokovati podrhtavanje slike.
●Izazovi sinhronizacije– Manje idealno za aplikacije koje zahtijevaju precizno mjerenje vremena s vanjskim događajima.
Globalni vs. Rolling Shutter: Uporedna analiza
Evo je opšti pregled poređenja rolo i globalnih roleta:
| Značajka | Rolo zatvarač | Globalni zatvarač |
| Dizajn piksela | 4-tranzistor (4T), bez skladišnog čvora | 5+ tranzistora, uključujući memorijski čvor |
| Osjetljivost na svjetlost | Veći faktor popunjavanja, lako se prilagođava formatu sa pozadinskim osvjetljenjem → veći kvantni efekat (QE) | Niži faktor punjenja, BSI složeniji |
| Performanse buke | Generalno niži šum pri čitanju | Može imati nešto veći šum zbog dodatnih strujnih kola |
| Izobličenje pokreta | Moguće (iskošenje, ljuljanje, žele efekat) | Ništa — svi pikseli su istovremeno eksponirani |
| Potencijal brzine | Može preklapati ekspozicije i čitati više redova; često brže u nekim dizajnima | Ograničeno očitavanjem punog kadra, iako podijeljeno očitavanje može pomoći |
| Cijena | Niži troškovi proizvodnje | Viši troškovi proizvodnje |
| Najbolji slučajevi upotrebe | Snimanje pri slabom osvjetljenju, kinematografija, opća fotografija | Snimanje pokreta velikom brzinom, industrijska inspekcija, precizna metrologija |
Osnovne razlike u performansama
Pikseli sa rolling shutterom obično koriste dizajn sa 4 tranzistora (4T) bez memorijskog čvora, dok globalni shutteri zahtijevaju 5 ili više tranzistora po pikselu plus dodatno kolo za pohranjivanje fotoelektrona prije očitavanja.
●Faktor ispunjenosti i osjetljivost– Jednostavnija 4T arhitektura omogućava veći faktor popunjavanja piksela, što znači da je veći dio površine svakog piksela posvećen sakupljanju svjetlosti. Ovaj dizajn, u kombinaciji s činjenicom da se senzori sa pomičnim zatvaračem mogu lakše prilagoditi formatu s pozadinskim osvjetljenjem, često rezultira većom kvantnom efikasnošću.
●Performanse buke– Manje tranzistora i manje složena elektronika uglavnom znače da rolo zatvarači pokazuju niži šum pri čitanju, što ih čini pogodnijim za primjene u uslovima slabog osvjetljenja.
●Potencijal brzine– Rolling shutters mogu biti brži u određenim arhitekturama jer omogućavaju preklapanje ekspozicije i očitavanja, iako to uveliko zavisi od dizajna senzora i elektronike za očitavanje.
Troškovi i proizvodnja – Jednostavnost piksela rolo zatvarača obično se prevodi u niže troškove proizvodnje u poređenju sa globalnim zatvaračima.
Napredna razmatranja i tehnike
Pseudo-globalni zatvarač
U situacijama u kojima možete precizno kontrolisati kada svjetlost stigne do senzora - kao što je korištenje LED ili laserskog izvora svjetlosti koji se aktivira hardverom - možete postići "globalne" rezultate pomoću rotirajućeg zatvarača. Ova pseudo-globalna metoda zatvarača sinhronizuje osvjetljenje s prozorom ekspozicije, minimizirajući artefakte kretanja bez potrebe za pravim dizajnom globalnog zatvarača.
Preklapanje slika
Senzori rotirajućeg zatvarača mogu početi eksponirati sljedeći kadar prije nego što se završi očitavanje trenutnog kadra. Ovo preklapanje ekspozicije poboljšava radni ciklus i korisno je za brze primjene gdje je snimanje maksimalnog broja kadrova u sekundi ključno, ali može zakomplicirati eksperimente osjetljive na vrijeme.
Očitavanje više redova
Mnoge CMOS kamere velike brzine mogu istovremeno čitati više od jednog reda piksela. U nekim režimima, redovi se čitaju u parovima; u naprednim dizajnima, istovremeno se mogu čitati do četiri reda, što efektivno smanjuje ukupno vrijeme čitanja kadra.
Arhitektura podijeljenog senzora
I rolo i globalni zatvarači mogu koristiti raspored podijeljenih senzora, gdje je senzor slike vertikalno podijeljen na dvije polovine, svaka sa svojim redom ADC-a.
● Kod senzora sa podijeljenim rolo zatvaračem, očitavanje često počinje od centra i kreće se prema gore i prema dolje, što dodatno smanjuje latenciju.
● Kod dizajna globalnog zatvarača, podijeljeno očitavanje može poboljšati brzinu kadrova bez promjene istovremenosti ekspozicije.
Kako odabrati za svoju primjenu: Rolling Shutter ili Global Shutter?
Globalni zatvarač bi mogao koristiti aplikacijama
● Zahtijevaju visokoprecizno određivanje vremena događaja
● Zahtijevaju vrlo kratka vremena ekspozicije
● Zahtijeva kašnjenje manje od milisekunde prije početka akvizicije radi sinhronizacije s događajem
● Snimanje pokreta ili dinamike velikih razmjera u sličnom ili bržem vremenskom rasponu kao kod rotirajućeg zatvarača
● Zahtijevaju simultano snimanje na cijelom senzoru, ali ne mogu kontrolirati izvore svjetlosti kako bi koristili pseudoglobalni zatvarač na velikom području
Rolo zatvarač može koristiti aplikacijama
● Izazovne primjene u uvjetima slabog osvjetljenja: Dodatna kvantna efikasnost i niži šum kamera sa rolling shutterom često dovode do poboljšanog odnosa signal-šum (SNR)
● Primjene velike brzine gdje tačna simultanost na senzoru nije važna ili je kašnjenje malo u poređenju s eksperimentalnim vremenskim skalama
● Druge, opštije primjene gdje su jednostavnost proizvodnje i niži troškovi kamera sa rolo zatvaračem korisni
Uobičajene zablude
1. "Roll-shutter je uvijek loš."
Nije tačno - rolo zatvarači su idealni za mnoge slučajeve upotrebe i često nadmašuju globalne zatvarače pri slabom osvjetljenju i dinamičkom rasponu.
2. "Globalni zatvarač je uvijek bolji."
Iako je snimanje bez izobličenja prednost, kompromisi u pogledu cijene, šuma i osjetljivosti mogu nadmašiti prednosti snimanja sporijim tempom.
3. "Ne možete snimati video sa rolling shutter funkcijom."
Mnoge vrhunske filmske kamere efikasno koriste rotirajuće zatvarače; pažljive tehnike snimanja mogu smanjiti artefakte.
4. "Globalni zatvarači eliminišu svu zamućenost pokreta."
Sprječavaju geometrijsko izobličenje, ali zamućenje pokreta uzrokovano dugim ekspozicijama i dalje se može pojaviti.
Zaključak
Izbor između globalne i tehnologije rolling shuttera kod CMOS kamere svodi se na ravnotežu između upravljanja pokretom, osjetljivosti na svjetlo, cijene i specifičnih potreba vaše primjene.
● Ako vam je potrebno snimanje brzih scena bez distorzije, globalni zatvarač je jasan izbor.
● Ako dajete prioritet performansama pri slabom osvjetljenju, dinamičkom rasponu i budžetu, rotirajuće zatvaranje često daje najbolje rezultate.
Razumijevanje ovih razlika osigurava da možete odabrati pravi alat - bilo da je u pitanju naučno snimanje, industrijski monitoring ili kreativna produkcija.
Često postavljana pitanja
Koji tip zatvarača je bolji za aerofotografiju ili mapiranje dronom?
Za mapiranje, geodetsko snimanje i inspekciju gdje je geometrijska tačnost ključna, globalni zatvarač je poželjniji kako bi se izbjegla distorzija. Međutim, za kreativne video snimke iz zraka, rolo zatvarač i dalje može dati odlične rezultate ako se pokreti kontrolišu.
Kako izbor zatvarača utiče na snimanje pri slabom osvjetljenju?
Rolo zavjese uglavnom imaju prednost u performansama pri slabom osvjetljenju jer njihovi dizajni piksela mogu dati prioritet efikasnosti sakupljanja svjetlosti. Globalne zavjese mogu zahtijevati složenija kola koja mogu neznatno smanjiti osjetljivost, iako moderni dizajni smanjuju tu razliku.
Kako tip zatvarača utiče nanaučna kamera?
Kod brzog naučnog snimanja - kao što su praćenje čestica, dinamika ćelija ili balistika - globalni zatvarač je često neophodan kako bi se izbjeglo izobličenje kretanja. Ali za fluorescentnu mikroskopiju pri slabom osvjetljenju,sCMOS kamerasa rotirajućem zatvaračem može se odabrati kako bi se maksimizirala osjetljivost i dinamički raspon.
Koji je bolji za industrijsku inspekciju?
U većini zadataka industrijske inspekcije - posebno onih koji uključuju pokretne transportne trake, robotiku ili mašinski vid - globalni zatvarač je sigurniji izbor za osiguranje preciznih mjerenja bez geometrijskih grešaka izazvanih kretanjem.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Sva prava pridržana. Prilikom citiranja, molimo navedite izvor:www.tucsen.com
