25/08/21En el món de la imatge digital, pocs factors tècnics influeixen tant en la qualitat de la imatge com el tipus d'obturador electrònic del sensor. Tant si esteu gravant processos industrials d'alta velocitat, filmant seqüències cinematogràfiques o capturant fenòmens astronòmics febles, la tecnologia d'obturador de la càmera CMOS juga un paper fonamental en el resultat final de la imatge.
Dos tipus dominants d'obturadors electrònics CMOS, els obturadors globals i els obturadors rodants, adopten enfocaments molt diferents per exposar i llegir la llum d'un sensor. Comprendre les seves diferències, punts forts i inconvenients és essencial si voleu adaptar el vostre sistema d'imatges a la vostra aplicació.
Aquest article explicarà què són els obturadors electrònics CMOS, com funcionen els obturadors globals i els obturadors rodants, com es comporten en situacions reals i com decidir quin és el millor per a vosaltres.
Què són els obturadors electrònics CMOS?
Un sensor CMOS és el cor de la majoria de càmeres modernes. És responsable de convertir la llum entrant en senyals elèctrics que es poden processar en una imatge. L'"obturador" d'unaCàmera CMOSno és necessàriament una cortina mecànica: molts dissenys moderns es basen en un obturador electrònic que controla com i quan els píxels capturen la llum.
A diferència d'un obturador mecànic que bloqueja físicament la llum, un obturador electrònic funciona iniciant i aturant el flux de càrrega dins de cada píxel. En les imatges CMOS, hi ha dues arquitectures principals d'obturador electrònic: l'obturador global i l'obturador rodant.
Per què importa la distinció? Perquè el mètode d'exposició i lectura afecta directament:
● Renderització de moviment i distorsió
● Nitidesa de la imatge
● Sensibilitat a la poca llum
● Freqüència de fotogrames i latència
● Idoneïtat general per a diferents tipus de fotografia, vídeo i imatges científiques
Comprensió de l'obturador global
Font: Sensor d'obturació global GMAX3405
Com funciona l'obturador global
Les càmeres CMOS amb obturador global comencen i acaben la seva exposició simultàniament a tot el sensor. Això s'aconsegueix utilitzant 5 o més transistors per píxel i un "node d'emmagatzematge" que reté les càrregues de fotoelectrons adquirides durant la lectura. La seqüència d'una exposició és la següent:
1. Comença l'exposició simultàniament a cada píxel eliminant les càrregues adquirides a terra.
2. Espereu el temps d'exposició escollit.
3. Al final de l'exposició, moveu les càrregues adquirides al node d'emmagatzematge de cada píxel, finalitzant l'exposició d'aquest fotograma.
4. Fila per fila, moveu els electrons al condensador de lectura del píxel i transmeteu el voltatge acumulat a l'arquitectura de lectura, culminant en els convertidors analògic-digital (ADC). La següent exposició normalment es pot realitzar simultàniament amb aquest pas.
Avantatges de l'obturador global
● Sense distorsió de moviment: els objectes en moviment conserven la seva forma i geometria sense la biaixada o la oscil·lació que es pot produir amb la lectura seqüencial.
● Captura d'alta velocitat: ideal per congelar el moviment en escenes de moviment ràpid, com ara en esports, robòtica o control de qualitat de fabricació.
● Baixa latència: totes les dades d'imatge estan disponibles alhora, cosa que permet una sincronització precisa amb esdeveniments externs, com ara polsos làser o llums estroboscòpiques.
Limitacions de l'obturador global
● Menor sensibilitat a la llum: alguns dissenys de píxels d'obturador global sacrifiquen l'eficiència de captació de llum per adaptar-se als circuits necessaris per a l'exposició simultània.
● Cost i complexitat més elevats: la fabricació és més difícil i sovint comporta preus més alts en comparació amb els equivalents de persiana enrotllable.
● Potencial d'augment de soroll: depenent del disseny del sensor, l'electrònica addicional per píxel pot provocar un soroll de lectura lleugerament més elevat.
Comprensió de l'obturador rodant
Com funciona l'obturador rodant
Utilitzant només 4 transistors i cap node d'emmagatzematge, aquesta forma més simple de disseny de píxels CMOS condueix a un funcionament de l'obturador electrònic més complicat. Els píxels de l'obturador rodant inicien i aturen l'exposició del sensor una fila a la vegada, "rodant" cap avall el sensor. La seqüència oposada (que també es mostra a la figura) es segueix per a cada exposició:
Figura: Procés d'obturador giratori per a un sensor de càmera de 6x6 píxels
El primer fotograma comença l'exposició (groc) a la part superior del sensor, i baixa a una velocitat d'una línia per línia. Un cop finalitzada l'exposició de la línia superior, la lectura (morat) seguida de l'inici de la següent exposició (blau) baixa pel sensor.
1. Comença l'exposició a la fila superior del sensor allunyant les càrregues adquirides a terra.
2. Un cop transcorregut el "temps de fila", moveu-vos a la segona fila del sensor i comenceu l'exposició, repetint el procés cap avall del sensor.
3. Un cop finalitzat el temps d'exposició sol·licitat per a la fila superior, finalitzeu l'exposició enviant les càrregues adquirides a través de l'arquitectura de lectura. El temps que es triga a fer això és el "temps de fila".
4. Tan bon punt es completa la lectura d'una fila, ja està a punt per tornar a començar l'exposició des del pas 1, fins i tot si això significa solapar-se amb altres files que han realitzat l'exposició anterior.
Avantatges de l'obturador enrotllable
●Millor rendiment amb poca llum– Els dissenys de píxels poden prioritzar la recollida de llum, millorant la relació senyal-soroll en condicions de poca llum.
●Rang dinàmic més alt– Els dissenys de lectura seqüencial poden gestionar les zones més brillants i les ombres més fosques amb més elegància.
●Més assequible– Els sensors CMOS d'obturador rodant són més comuns i rendibles de fabricar.
Limitacions de l'obturador rodant
●Artefactes de moviment– Els subjectes que es mouen ràpidament poden aparèixer esbiaixats o doblegats, cosa que es coneix com a «efecte d'obturador rodant».
●Efecte gelatina en vídeo– Les imatges gravades amb la mà a mà i que vibren o es desplacen ràpidament poden fer que la imatge es mogui.
●Reptes de sincronització– Menys ideal per a aplicacions que requereixen una sincronització precisa amb esdeveniments externs.
Global vs. Rolling Shutter: comparació en paral·lel
Aquí teniu una vista general de com es comparen les persianes enrotllables i les globals:
| Característica | Obturador enrotllable | Obturador global |
| Disseny de píxels | 4 transistors (4T), sense node d'emmagatzematge | 5+ transistors, inclou un node d'emmagatzematge |
| Sensibilitat a la llum | Factor d'ompliment més alt, fàcilment adaptable al format retroil·luminat → QE més alt | Factor d'ompliment més baix, BSI més complex |
| Rendiment del soroll | Generalment menys soroll de lectura | Pot tenir un soroll lleugerament més alt a causa dels circuits afegits |
| Distorsió de moviment | Possible (esbiaixament, oscil·lació, efecte gelatina) | Cap — tots els píxels exposats simultàniament |
| Potencial de velocitat | Pot superposar exposicions i llegir diverses files; sovint més ràpid en alguns dissenys | Limitat per la lectura de fotograma complet, tot i que la lectura dividida pot ajudar |
| Cost | Cost de fabricació més baix | Cost de fabricació més elevat |
| Millors casos d'ús | Imatges amb poca llum, cinematografia, fotografia general | Captura de moviment d'alta velocitat, inspecció industrial, metrologia de precisió |
Diferències de rendiment bàsic
Els píxels d'obturador rodant solen utilitzar un disseny de 4 transistors (4T) sense un node d'emmagatzematge, mentre que els obturadors globals requereixen 5 o més transistors per píxel més circuits addicionals per emmagatzemar fotoelectrons abans de la lectura.
●Factor d'ompliment i sensibilitat– L'arquitectura 4T, més simple, permet un factor d'ompliment de píxels més alt, és a dir, que es dedica més superfície de cada píxel a la recollida de llum. Aquest disseny, combinat amb el fet que els sensors d'obturador giratori es poden adaptar més fàcilment a un format retroil·luminat, sovint resulta en una major eficiència quàntica.
●Rendiment del soroll– Menys transistors i circuits menys complexos generalment signifiquen que les persianes enrotllables presenten menys soroll de lectura, cosa que les fa més adequades per a aplicacions amb poca llum.
●Potencial de velocitat– Les persianes enrotllables poden ser més ràpides en certes arquitectures perquè permeten la superposició d'exposició i lectura, tot i que això depèn en gran mesura del disseny del sensor i de l'electrònica de lectura.
Cost i fabricació: la simplicitat dels píxels de l'obturador rodant normalment es tradueix en costos de producció més baixos en comparació amb els obturadors globals.
Consideracions i tècniques avançades
Obturador pseudoglobal
En situacions on es pot controlar amb precisió quan la llum arriba al sensor (com ara mitjançant una font de llum LED o làser activada per maquinari), es poden aconseguir resultats "globals" amb un obturador rodant. Aquest mètode d'obturador pseudoglobal sincronitza la il·luminació amb la finestra d'exposició, minimitzant els artefactes de moviment sense requerir un veritable disseny d'obturador global.
Superposició d'imatges
Els sensors d'obturador rodant poden començar a exposar el següent fotograma abans que s'hagi completat la lectura del fotograma actual. Aquesta exposició superposada millora el cicle de treball i és beneficiosa per a aplicacions d'alta velocitat on capturar el nombre màxim de fotogrames per segon és crític, però pot complicar els experiments sensibles al temps.
Lectura de diverses files
Moltes càmeres CMOS d'alta velocitat poden llegir més d'una fila de píxels alhora. En alguns modes, les files es llegeixen per parelles; en dissenys avançats, es poden llegir fins a quatre files simultàniament, cosa que redueix eficaçment el temps total de lectura de fotogrames.
Arquitectura de sensors dividits
Tant els obturadors rodants com els globals poden utilitzar una disposició de sensor dividit, on el sensor d'imatge es divideix verticalment en dues meitats, cadascuna amb la seva pròpia fila de convertidors analogics-digitals (ADC).
● En els sensors dividits de l'obturador giratori, la lectura sovint comença des del centre i es desplaça cap a fora, tant cap a la part superior com cap a la inferior, cosa que redueix encara més la latència.
● En els dissenys d'obturador global, la lectura dividida pot millorar la freqüència d'imatges sense alterar la simultaneïtat de l'exposició.
Com triar per a la vostra aplicació: obturador rodant o global?
L'obturador global pot beneficiar les aplicacions
● Requereixen una cronometratge d'alta precisió dels esdeveniments
● Requereixen temps d'exposició molt curts
● Requereix un retard inferior a mil·lisegons abans de l'inici d'una adquisició per sincronitzar-se amb un esdeveniment
● Capturar moviment o dinàmica a gran escala en una escala de temps similar o més ràpida que la d'un obturador rodant
● Requereix una adquisició simultània a través del sensor, però no pot controlar les fonts de llum per utilitzar un obturador pseudoglobal en una àrea gran.
L'obturador rodant pot beneficiar les aplicacions
● Aplicacions desafiadores amb poca llum: l'eficiència quàntica addicional i el menor soroll de les càmeres amb obturador giratori sovint condueixen a una millora de la relació senyal-soroll (SNR).
● Aplicacions d'alta velocitat on la simultaneïtat exacta a través del sensor no és important, o el retard és petit en comparació amb les escales de temps experimentals
● Altres aplicacions més generals on la simplicitat de fabricació i el menor cost de les càmeres amb obturador giratori són beneficioses
Idees errònies comunes
1. "L'obturador enrotllable sempre és dolent."
No és cert: les persianes enrotllables són ideals per a molts casos d'ús i sovint superen les persianes globals amb poca llum i rang dinàmic.
2. "L'obturador global sempre és millor."
Tot i que la captura sense distorsions és un avantatge, els inconvenients en cost, soroll i sensibilitat poden superar els beneficis de les imatges a un ritme més lent.
3. "No es pot gravar vídeo amb un obturador giratori."
Moltes càmeres de cinema d'alta gamma utilitzen obturadors enrotllables de manera efectiva; les tècniques de rodatge acurades poden minimitzar els artefactes.
4. "Els obturadors globals eliminen tot el desenfocament de moviment."
Eviten la distorsió geomètrica, però encara es pot produir un desenfocament de moviment a causa de temps d'exposició llargs.
Conclusió
L'elecció entre la tecnologia d'obturador global i la d'obturador rodant en una càmera CMOS es redueix a l'equilibri entre el maneig del moviment, la sensibilitat a la llum, el cost i les necessitats específiques de l'aplicació.
● Si necessiteu una captura sense distorsions per a escenes de moviment ràpid, l'obturador global és l'opció més adequada.
● Si prioritzeu el rendiment amb poca llum, el rang dinàmic i el pressupost, l'obturador rotatiu sovint ofereix els millors resultats.
Comprendre aquestes diferències us garanteix que podeu seleccionar l'eina adequada, ja sigui per a imatges científiques, monitorització industrial o producció creativa.
Preguntes freqüents
Quin tipus d'obturador és millor per a la fotografia aèria o el mapeig amb drons?
Per a la cartografia, l'aixecament topogràfic i la inspecció on la precisió geomètrica és crucial, es prefereix un obturador global per evitar la distorsió. Tanmateix, per a vídeos aeris creatius, un obturador rodant encara pot oferir resultats excel·lents si es controlen els moviments.
Com afecta l'elecció de l'obturador a les imatges amb poca llum?
Les persianes enrotllables generalment tenen un avantatge en el rendiment amb poca llum perquè els seus dissenys de píxels poden prioritzar l'eficiència de captació de llum. Les persianes globals poden requerir circuits més complexos que poden reduir lleugerament la sensibilitat, tot i que els dissenys moderns estan tancant aquesta bretxa.
Com afecta el tipus d'obturador acàmera científica?
En imatges científiques d'alta velocitat, com ara el seguiment de partícules, la dinàmica cel·lular o la balística, un obturador global sovint és essencial per evitar la distorsió del moviment. Però per a la microscòpia de fluorescència amb poca llum, uncàmera sCMOSamb un obturador rodant es pot escollir per maximitzar la sensibilitat i el rang dinàmic.
Quin és millor per a la inspecció industrial?
En la majoria de tasques d'inspecció industrial, especialment les que impliquen cintes transportadores en moviment, robòtica o visió artificial, un obturador global és l'opció més segura per garantir mesures precises sense errors geomètrics induïts pel moviment.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Tots els drets reservats. Quan citeu, si us plau, indiqueu la font:www.tucsen.com
