25/08/21In u mondu di l'imaghjini digitale, pochi fattori tecnichi influenzanu a qualità di l'imagine quant'è u tipu d'otturatore elettronicu in u vostru sensore. Ch'ella sia per filmà prucessi industriali à alta velocità, filmà sequenze cinematografiche o catturà fenomeni astronomichi debuli, a tecnulugia di l'otturatore in a vostra camera CMOS ghjoca un rolu cruciale in u risultatu di a vostra imagine finale.
Dui tipi dominanti di otturatori elettronichi CMOS, otturatori globali è otturatori rotanti, aduttanu approcci assai diversi per espone è leghje a luce da un sensore. Capisce e so differenze, punti di forza è compromessi hè essenziale se vulete adattà u vostru sistema di imaging à a vostra applicazione.
Questu articulu spiegherà ciò chì sò l'otturatori elettronichi CMOS, cumu funzionanu l'otturatori globali è rolling, cumu si comportanu in situazioni di u mondu reale, è cumu decide quale hè megliu per voi.
Chì sò l'otturatori elettronichi CMOS?
Un sensore CMOS hè u core di a maiò parte di e camere muderne. Hè rispunsevule di cunvertisce a luce entrante in signali elettrichi chì ponu esse trasfurmati in una maghjina. L'"otturatore" in unCamera CMOSùn hè micca necessariamente una cortina meccanica - parechji disinni muderni si basanu nantu à un otturatore elettronicu chì cuntrolla cumu è quandu i pixel catturanu a luce.
À u cuntrariu di un otturatore meccanicu chì blocca fisicamente a luce, un otturatore elettronicu funziona avviendu è fermendu u flussu di carica in ogni pixel. In l'imaghjini CMOS, ci sò duie architetture principali di l'otturatore elettronicu: l'otturatore globale è l'otturatore rotante.
Perchè a distinzione hè impurtante ? Perchè u metudu di esposizione è di lettura affetta direttamente:
● Rendering di muvimentu è distorsione
● Nitidezza di l'imagine
● Sensibilità à poca luce
● Frequenza di fotogrammi è latenza
● Idoneità generale per diversi tipi di fotografia, video è imaging scientificu
Capiscendu l'Otturatore Globale
Fonte: Sensore di otturatore globale GMAX3405
Cumu funziona l'otturatore globale
E camere CMOS à otturatore globale cumincianu è finiscenu a so esposizione simultaneamente in tuttu u sensore. Questu hè ottenutu aduprendu 5 o più transistor per pixel, è un "storagenode" chì mantene e cariche fotoelettroniche acquisite durante a lettura. A sequenza di una esposizione hè a seguente:
1. Principià l'esposizione simultaneamente in ogni pixel eliminendu e cariche acquistate à terra.
2. Aspettate u tempu d'esposizione sceltu.
3. À a fine di l'esposizione, spustate e cariche acquistate à u nodu di almacenamentu in ogni pixel, finendu l'esposizione di quellu quadru.
4. Fila per fila, spustate l'elettroni in u condensatore di lettura di u pixel, è trasmette a tensione accumulata à l'architettura di lettura, culminendu in i convertitori analogicu-digitale (ADC). A prossima esposizione pò esse tipicamente realizata simultaneamente cù questu passu.
Vantaghji di Global Shutter
● Nisuna distorsione di muvimentu - I sughjetti in muvimentu mantenenu a so forma è a so geometria senza l'inclinazione o l'oscillazione chì pò accade cù a lettura sequenziale.
● Cattura à alta velocità - Ideale per congelare u muvimentu in scene veloci, cum'è in sport, robotica o cuntrollu di qualità di fabricazione.
● Bassa latenza - Tutti i dati di l'imagine sò dispunibili à tempu, ciò chì permette una sincronizazione precisa cù eventi esterni, cum'è impulsi laser o luci stroboscopiche.
Limitazioni di l'otturatore globale
● Sensibilità à a luce più bassa - Certi disinni di pixel di l'otturatore globale sacrificanu l'efficienza di raccolta di a luce per accoglie i circuiti necessarii per l'esposizione simultanea.
● Costu è cumplessità più elevati - A fabricazione hè più difficiule, spessu risultendu in prezzi più alti paragunati à i so omologhi à saracinesca rotante.
● Potenziale per un aumentu di u rumore - Sicondu u disignu di u sensore, l'elettronica supplementaria per pixel pò purtà à un rumore di lettura ligeramente più altu.
Capiscendu u Rolling Shutter
Cumu funziona l'otturatore rotante
Utilizendu solu 4 transistor è senza nodu di almacenamentu, sta forma più simplice di cuncepimentu di pixel CMOS porta à un funziunamentu di l'otturatore elettronicu più cumplicatu. I pixel di l'otturatore rotante cumincianu è fermanu l'esposizione di u sensore una riga à a volta, "rullendu" u sensore in giù. A sequenza opposta (ancu mostrata in a figura) hè seguita per ogni esposizione:
Figura: Prucessu di l'otturatore rotante per un sensore di camera 6x6 pixel
U primu quadru principia l'esposizione (giallu) in cima di u sensore, scorrendu in giù à un ritmu di una linea per linea. Una volta chì l'esposizione hè cumpletata per a linea superiore, a lettura (viola) seguita da l'iniziu di a prossima esposizione (blu) scorre in giù u sensore.
1. Cuminciate l'esposizione à a fila superiore di u sensore eliminendu e cariche acquistate à terra.
2. Dopu chì u "tempu di fila" hè scadutu, passate à a seconda fila di u sensore è cuminciate l'esposizione, ripetendu in u sensore.
3. Una volta chì u tempu d'esposizione dumandatu hè finitu per a fila superiore, finite l'esposizione mandendu e cariche acquistate attraversu l'architettura di lettura. U tempu impiegatu per fà questu hè u "tempu di fila".
4. Appena a lettura hè cumpleta per una riga, hè pronta per ricumincià l'esposizione da u Passu 1, ancu s'ellu significa sovrappone si cù altre righe chì realizanu l'esposizione precedente.
Vantaghji di Rolling Shutter
●Migliore prestazione in poca luce– I disinni di pixel ponu dà priorità à a raccolta di luce, migliurendu u rapportu segnale-rumore in cundizioni di poca luce.
●Gamma Dinamica Più Alta– I disinni di lettura sequenziale ponu gestisce e luci più brillanti è l'ombre più scure cù più grazia.
●Più Accessibile– I sensori CMOS à otturatore rotante sò più cumuni è più rentabili da fabricà.
Limitazioni di Rolling Shutter
●Artefatti di muvimentu– I sughjetti chì si movenu rapidamente ponu appare storti o piegati, cunnisciutu cum'è "effettu otturatore rotante".
●Effettu Jello in Video– E riprese à manu cù vibrazioni o panoramiche rapide ponu causà oscillazioni in l'imagine.
●Sfide di Sincronizazione– Menu ideale per l'applicazioni chì necessitanu un timing precisu cù eventi esterni.
Globale vs. Rolling Shutter: Cunfrontu fiancu à fiancu
Eccu una vista generale di cumu si paragunanu i persiani rotanti è globali:
| Funziunalità | Serranda rotante | Otturatore Globale |
| Cuncepimentu di Pixel | 4-transistor (4T), senza nodu di almacenamiento | 5+ transistor, include u nodu di almacenamentu |
| Sensibilità à a luce | Fattore di riempimentu più altu, facilmente adattatu à u furmatu retroilluminatu → QE più altu | Fattore di riempimentu più bassu, BSI più cumplessu |
| Prestazione di u rumore | Rumore di lettura generalmente più bassu | Pò avè un rumore ligeramente più altu per via di circuiti aghjunti |
| Distorsione di u muvimentu | Pussibile (inclinazione, oscillazione, effettu gelatina) | Nisunu - tutti i pixel esposti simultaneamente |
| Potenziale di velocità | Pò sovrappone esposizioni è leghje parechje righe; spessu più veloce in certi disinni | Limitatu da a lettura à pienu quadru, ancu s'è a lettura divisa pò aiutà |
| Costu | Costu di fabricazione più bassu | Costu di fabricazione più altu |
| I migliori casi d'usu | Imagine in poca luce, cinematografia, fotografia generale | Acquisizione di muvimentu à alta velocità, ispezione industriale, metrologia di precisione |
Differenze di Prestazione Core
I pixel di l'otturatore rolling utilizanu tipicamente un disignu à 4 transistor (4T) senza un nodu di almacenamentu, mentre chì l'otturatori globali richiedenu 5 o più transistor per pixel più circuiti supplementari per almacenà i fotoelettroni prima di a lettura.
●Fattore di riempimentu è sensibilità– L'architettura 4T più simplice permette un fattore di riempimentu di pixel più altu, vale à dì chì una parte più grande di a superficia di ogni pixel hè dedicata à a raccolta di luce. Stu cuncepimentu, cumminatu cù u fattu chì i sensori di otturatore rotante ponu esse adattati più facilmente à un furmatu retroilluminatu, spessu si traduce in una maggiore efficienza quantica.
●Prestazione di u rumore– Menu transistor è circuiti menu cumplessi significanu generalmente chì i saracinesca presentanu un rumore di lettura più bassu, rendenduli più adatti à applicazioni in cundizioni di poca luce.
●Potenziale di velocità– I saracineschi ponu esse più veloci in certe architetture perchè permettenu a sovrapposizione di l'esposizione è di a lettura, ancu s'ellu dipende assai da a cuncepzione di i sensori è da l'elettronica di lettura.
Costu è fabricazione - A simplicità di i pixel di l'otturatore rotante si traduce tipicamente in costi di pruduzzione più bassi paragunati à l'otturatori globali.
Cunsiderazioni è Tecniche Avanzate
Otturatore Pseudo-Globale
In situazioni induve pudete cuntrullà precisamente quandu a luce ghjunghje à u sensore - cum'è l'usu di una fonte di luce LED o laser attivata da hardware - pudete ottene risultati "simili à quelli globali" cù un otturatore rotante. Stu metudu di otturatore pseudo-globale sincronizza l'illuminazione cù a finestra di esposizione, minimizendu l'artefatti di muvimentu senza richiede un veru cuncepimentu di otturatore globale.
Sovrapposizione di l'imagine
I sensori di l'otturatore rotante ponu cumincià à espone u prossimu quadru prima chì a lettura di u quadru attuale sia cumpleta. Questa esposizione sovrapposta migliora u ciclu di travagliu è hè benefica per l'applicazioni à alta velocità induve a cattura di u numeru massimu di quadri per seconda hè critica, ma pò cumplicà l'esperimenti sensibili à u timing.
Lettura di più righe
Parechje camere CMOS à alta velocità ponu leghje più di una fila di pixel à tempu. In certi modi, e righe sò lette in coppie; in i disinni avanzati, finu à quattru righe ponu esse lette simultaneamente, riducendu efficacemente u tempu tutale di lettura di u quadru.
Architettura di Sensori Split
Sia l'otturatori rotanti sia quelli globali ponu aduprà un layout di sensori divisi, induve u sensore d'immagine hè divisu verticalmente in duie metà, ognuna cù a so propria fila di ADC.
● In i sensori split à otturatore rotante, a lettura spessu principia da u centru è si move versu l'esternu, sia in cima sia in fondu, riducendu ulteriormente a latenza.
● In i disinni di l'otturatore glubale, a lettura divisa pò migliurà i frame rate senza alterà a simultaneità di l'esposizione.
Cumu sceglie per a vostra applicazione: Rolling o Global Shutter?
L'otturatore glubale pò esse benefiziu per l'applicazioni
● Richiede un timing di alta precisione di l'eventi
● Richiedenu tempi di esposizione assai corti
● Richiede un ritardu di menu di millisecondu prima di l'iniziu di una acquisizione per sincronizà si cù un avvenimentu
● Cattura u muvimentu o a dinamica à grande scala nantu à una scala di tempu simile o più rapida à un otturatore rotante
● Richiede l'acquisizione simultanea in tuttu u sensore, ma ùn pò micca cuntrullà e fonti di luce per aduprà l'otturatore pseudo-globale in una grande area
L'otturatore rotante pò esse benefiziu per l'applicazioni
● Applicazioni difficili in poca luce: L'efficienza quantica supplementaria è u rumore più bassu di e camere à otturatore rotante spessu portanu à un SNR miglioratu
● Applicazioni à alta velocità induve a simultaneità esatta à traversu u sensore ùn hè micca impurtante, o u ritardu hè chjucu paragunatu à i tempi sperimentali
● Altre applicazioni più generali induve a simplicità di fabricazione è u costu più bassu di e camere à otturatore rotante sò benefiche
Idee sbagliate cumuni
1. "L'otturatore rotante hè sempre male."
Ùn hè micca veru - i persiani rullanti sò ideali per parechji casi d'usu è spessu superanu i persiani glubali in poca luce è gamma dinamica.
2. "L'otturatore globale hè sempre megliu."
Mentre chì a cattura senza distorsioni hè un vantaghju, i compromessi in termini di costu, rumore è sensibilità ponu superà i benefici di l'imaghjini à ritmu più lentu.
3. "Ùn pudete micca filmà video cù un otturatore rotante."
Parechje camere cinematografiche di alta gamma utilizanu otturatori rullanti in modu efficace; tecniche di ripresa attente ponu minimizà l'artefatti.
4. "L'otturatori globali eliminanu tutta a sfocatura di muvimentu."
Impediscenu a distorsione geometrica, ma u sfocatura di u muvimentu da longhi tempi di esposizione pò ancu accade.
Cunclusione
A scelta trà a tecnulugia di otturatore glubale è rolling shutter in una camera CMOS si riduce à l'equilibriu trà a gestione di u muvimentu, a sensibilità à a luce, u costu è i bisogni specifichi di a vostra applicazione.
● Sè avete bisognu di una cattura senza distorsioni per scene in rapidu muvimentu, l'otturatore globale hè a scelta chjara.
● Sè vo date priorità à e prestazioni in poca luce, à a gamma dinamica è à u budget, u rolling shutter dà spessu i migliori risultati.
Capisce queste differenze vi assicura di pudè selezziunà u strumentu ghjustu, ch'ellu sia per l'imaghjini scientifica, u monitoraghju industriale o a pruduzzione creativa.
FAQ
Chì tipu d'otturatore hè megliu per a fotografia aerea o a cartografia cù droni?
Per a cartografia, u rilevamentu è l'ispezione induve a precisione geometrica hè cruciale, un otturatore globale hè preferitu per evità a distorsione. Tuttavia, per i video aerei creativi, un otturatore rotante pò ancu furnisce risultati eccellenti se i movimenti sò cuntrullati.
Cumu a scelta di l'otturatore influenza l'imaghjini in poca luce?
I persiani avvolgibili anu generalmente un vantaghju in e prestazioni in poca luce perchè i so disinni di pixel ponu dà priorità à l'efficienza di raccolta di a luce. I persiani globali ponu richiede circuiti più cumplessi chì ponu riduce ligeramente a sensibilità, ancu se i disinni muderni stanu chjudendu sta lacuna.
Cumu u tipu d'otturatore affetta uncamera scientifica?
In l'imaghjini scientifiche à alta velocità - cum'è u seguimentu di particelle, a dinamica cellulare o a balistica - un otturatore globale hè spessu essenziale per evità a distorsione di u muvimentu. Ma per a microscopia à fluorescenza in poca luce, uncamera sCMOScù un otturatore rotante pò esse sceltu per massimizà a sensibilità è a gamma dinamica.
Chì hè megliu per l'ispezione industriale?
In a maiò parte di i travaglii d'ispezione industriale, in particulare quelli chì implicanu u muvimentu di nastri trasportatori, robotica o visione artificiale, un otturatore globale hè a scelta più sicura per assicurà misurazioni precise senza errori geometrichi indotti da u muvimentu.
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