25/08/21En el mundo de la imagen digital, pocos factores técnicos influyen tanto en la calidad de la imagen como el tipo de obturador electrónico del sensor. Ya sea que esté fotografiando procesos industriales de alta velocidad, filmando secuencias cinematográficas o capturando fenómenos astronómicos tenues, la tecnología del obturador de su cámara CMOS juega un papel crucial en el resultado final de la imagen.
Dos tipos principales de obturadores electrónicos CMOS, los obturadores globales y los obturadores rotativos, adoptan enfoques muy diferentes para la exposición y la lectura de la luz de un sensor. Comprender sus diferencias, ventajas y desventajas es esencial para adaptar su sistema de imágenes a su aplicación.
Este artículo explicará qué son los obturadores electrónicos CMOS, cómo funcionan los obturadores globales y rotatorios, cómo se desempeñan en situaciones del mundo real y cómo decidir cuál es el mejor para usted.
¿Qué son los obturadores electrónicos CMOS?
Un sensor CMOS es el corazón de la mayoría de las cámaras modernas. Es responsable de convertir la luz entrante en señales eléctricas que pueden procesarse para formar una imagen. El "obturador" de unacámara CMOSNo es necesariamente una cortina mecánica: muchos diseños modernos dependen de un obturador electrónico que controla cómo y cuándo los píxeles capturan la luz.
A diferencia de un obturador mecánico que bloquea físicamente la luz, un obturador electrónico funciona iniciando y deteniendo el flujo de carga dentro de cada píxel. En la imagen CMOS, existen dos arquitecturas principales de obturador electrónico: el obturador global y el obturador rotatorio.
¿Por qué es importante la distinción? Porque el método de exposición y lectura afecta directamente:
● Representación y distorsión del movimiento
● Nitidez de la imagen
● Sensibilidad a la poca luz
● Velocidad de cuadros y latencia
● Adecuación general para diferentes tipos de fotografía, vídeo e imágenes científicas.
Entendiendo el Obturador Global
Fuente: Sensor de obturador global GMAX3405
Cómo funciona el obturador global
Las cámaras CMOS con obturador global inician y finalizan su exposición simultáneamente en todo el sensor. Esto se logra mediante 5 o más transistores por píxel y un "nódulo de almacenamiento" que almacena las cargas de fotoelectrones adquiridas durante la lectura. La secuencia de una exposición es la siguiente:
1. Comience la exposición simultáneamente en cada píxel limpiando a tierra las cargas adquiridas.
2. Espere el tiempo de exposición elegido.
3. Al final de la exposición, mueva las cargas adquiridas al nodo de almacenamiento en cada píxel, finalizando la exposición de ese cuadro.
4. Fila por fila, se desplazan los electrones hacia el condensador de lectura del píxel y se transmite el voltaje acumulado a la arquitectura de lectura, culminando en los convertidores analógico-digitales (ADC). La siguiente exposición suele realizarse simultáneamente con este paso.
Ventajas de Global Shutter
● Sin distorsión de movimiento: los objetos en movimiento conservan su forma y geometría sin la distorsión o el tambaleo que puede ocurrir con la lectura secuencial.
● Captura de alta velocidad: ideal para congelar el movimiento en escenas de rápido movimiento, como en deportes, robótica o control de calidad de fabricación.
● Baja latencia: todos los datos de la imagen están disponibles a la vez, lo que permite una sincronización precisa con eventos externos, como pulsos láser o luces estroboscópicas.
Limitaciones del obturador global
● Menor sensibilidad a la luz: algunos diseños de píxeles del obturador global sacrifican la eficiencia de recolección de luz para acomodar los circuitos necesarios para la exposición simultánea.
● Mayor costo y complejidad: la fabricación es más desafiante, lo que a menudo resulta en precios más altos en comparación con las contrapartes con persianas enrollables.
● Posibilidad de aumento de ruido: según el diseño del sensor, la electrónica adicional por píxel puede generar un ruido de lectura ligeramente mayor.
Entendiendo la persiana enrollable
Cómo funciona la persiana enrollable
Al usar solo 4 transistores y sin nodo de almacenamiento, esta forma más sencilla de diseño de píxeles CMOS conlleva un funcionamiento más complejo del obturador electrónico. Los píxeles del obturador rotatorio inician y detienen la exposición del sensor fila por fila, desplazándolo hacia abajo. La secuencia opuesta (también mostrada en la figura) se sigue para cada exposición:
Figura: Proceso de obturador giratorio para un sensor de cámara de 6x6 píxeles
El primer fotograma inicia la exposición (amarillo) en la parte superior del sensor, desplazándose hacia abajo a una velocidad de una línea por línea. Una vez completada la exposición en la línea superior, la lectura (morada), seguida del inicio de la siguiente exposición (azul), despliega el sensor.
1. Comience la exposición a la fila superior del sensor limpiando las cargas adquiridas a tierra.
2. Una vez transcurrido el "tiempo de fila", pase a la segunda fila del sensor y comience la exposición, repitiendo el proceso hacia abajo en el sensor.
3. Una vez finalizado el tiempo de exposición solicitado para la fila superior, finalice la exposición enviando las cargas adquiridas a través del lector. El tiempo empleado para esto se denomina "tiempo de fila".
4. Una vez completada la lectura de una fila, estará lista para comenzar la exposición nuevamente desde el Paso 1, incluso si eso significa superponerse con otras filas que realizan la exposición anterior.
Ventajas de las persianas enrollables
●Mejor rendimiento con poca luz– Los diseños de píxeles pueden priorizar la recolección de luz, mejorando la relación señal-ruido en condiciones de poca luz.
●Mayor rango dinámico– Los diseños de lectura secuencial pueden manejar luces más brillantes y sombras más oscuras con mayor elegancia.
●Más asequible– Los sensores CMOS con obturador rodante son más comunes y rentables de fabricar.
Limitaciones de las persianas enrollables
●Artefactos de movimiento– Los sujetos que se mueven rápidamente pueden aparecer torcidos o doblados, lo que se conoce como “efecto de obturador giratorio”.
●Efecto gelatina en vídeo– Las imágenes tomadas con la cámara en mano con vibración o movimientos panorámicos rápidos pueden provocar que la imagen se mueva.
●Desafíos de la sincronización– Menos ideal para aplicaciones que requieren sincronización precisa con eventos externos.
Persianas globales vs. persianas enrollables: comparación directa
Aquí hay una vista de alto nivel de cómo se comparan las persianas enrollables y las globales:
| Característica | Persiana enrollable | Obturador global |
| Diseño de píxeles | 4 transistores (4T), sin nodo de almacenamiento | Más de 5 transistores, incluye nodo de almacenamiento |
| Sensibilidad a la luz | Mayor factor de relleno, fácilmente adaptable al formato retroiluminado → mayor QE | Factor de llenado más bajo, BSI más complejo |
| Rendimiento de ruido | Generalmente, el ruido de lectura es menor | Puede tener un ruido ligeramente mayor debido a los circuitos agregados |
| Distorsión de movimiento | Posible (sesgo, tambaleo, efecto gelatina) | Ninguno: todos los píxeles expuestos simultáneamente |
| Potencial de velocidad | Puede superponer exposiciones y leer varias filas; a menudo más rápido en algunos diseños | Limitado por la lectura de fotograma completo, aunque la lectura dividida puede ayudar |
| Costo | Menor costo de fabricación | Mayor costo de fabricación |
| Mejores casos de uso | Imágenes con poca luz, cinematografía, fotografía general | Captura de movimiento de alta velocidad, inspección industrial, metrología de precisión |
Diferencias en el rendimiento del núcleo
Los píxeles con obturador rodante generalmente utilizan un diseño de 4 transistores (4T) sin un nodo de almacenamiento, mientras que los obturadores globales requieren 5 o más transistores por píxel más circuitos adicionales para almacenar fotoelectrones antes de la lectura.
●Factor de llenado y sensibilidadLa arquitectura 4T, más sencilla, permite un mayor factor de relleno de píxeles, lo que significa que una mayor superficie de cada píxel se dedica a la captación de luz. Este diseño, junto con la mayor facilidad de adaptación de los sensores de obturador rodante a un formato retroiluminado, suele resultar en una mayor eficiencia cuántica.
●Rendimiento de ruido– Menos transistores y circuitos menos complejos generalmente significan que las persianas enrollables exhiben un menor ruido de lectura, lo que las hace más adecuadas para aplicaciones con poca luz.
●Potencial de velocidad– Los obturadores enrollables pueden ser más rápidos en ciertas arquitecturas porque permiten superponer la exposición y la lectura, aunque esto depende en gran medida del diseño del sensor y de la electrónica de lectura.
Costo y fabricación: la simplicidad de los píxeles con obturador giratorio generalmente se traduce en costos de producción más bajos en comparación con los obturadores globales.
Consideraciones y técnicas avanzadas
Obturador pseudoglobal
En situaciones donde se puede controlar con precisión cuándo llega la luz al sensor, como al usar una fuente de luz LED o láser activada por hardware, se pueden lograr resultados de tipo global con un obturador rotatorio. Este método de obturador pseudoglobal sincroniza la iluminación con la ventana de exposición, minimizando los artefactos de movimiento sin necesidad de un diseño de obturador global real.
Superposición de imágenes
Los sensores de obturador rotatorio pueden comenzar a exponer el siguiente fotograma antes de que finalice la lectura del fotograma actual. Esta exposición superpuesta mejora el ciclo de trabajo y resulta beneficiosa para aplicaciones de alta velocidad, donde capturar el máximo número de fotogramas por segundo es crucial, pero puede complicar los experimentos sensibles al tiempo.
Lectura de varias filas
Muchas cámaras CMOS de alta velocidad pueden leer más de una fila de píxeles a la vez. En algunos modos, las filas se leen en pares; en diseños avanzados, se pueden leer hasta cuatro filas simultáneamente, lo que reduce eficazmente el tiempo total de lectura de fotogramas.
Arquitectura de sensor dividido
Tanto los obturadores globales como los rotativos pueden utilizar un diseño de sensor dividido, donde el sensor de imagen se divide verticalmente en dos mitades, cada una con su propia fila de ADC.
● En los sensores divididos con obturador rotatorio, la lectura a menudo comienza desde el centro y se desplaza hacia afuera, tanto en la parte superior como en la inferior, lo que reduce aún más la latencia.
● En los diseños de obturador global, la lectura dividida puede mejorar la velocidad de cuadros sin alterar la simultaneidad de la exposición.
¿Cómo elegir para su aplicación: obturador enrollable o global?
El obturador global puede beneficiar a las aplicaciones
● Requieren una sincronización de eventos de alta precisión
● Requieren tiempos de exposición muy cortos
● Requiere un retraso de menos de un milisegundo antes del inicio de una adquisición para sincronizar con un evento
● Capturar movimiento o dinámica a gran escala en una escala de tiempo similar o más rápida que la de un obturador rotatorio
● Requiere adquisición simultánea en todo el sensor, pero no puede controlar las fuentes de luz para usar un obturador pseudoglobal en un área grande
La persiana enrollable puede beneficiar a las aplicaciones
● Aplicaciones desafiantes con poca luz: la eficiencia cuántica adicional y el menor ruido de las cámaras con obturador rotatorio a menudo conducen a una relación señal-ruido (SNR) mejorada.
● Aplicaciones de alta velocidad donde la simultaneidad exacta en el sensor no es importante o el retraso es pequeño en comparación con las escalas de tiempo experimentales
● Otras aplicaciones más generales donde la simplicidad de fabricación y el menor coste de las cámaras con obturador rotatorio son beneficiosos
Conceptos erróneos comunes
1. "Las persianas enrollables siempre son malas".
No es cierto: las persianas enrollables son ideales para muchos casos de uso y a menudo superan a las persianas globales en condiciones de poca luz y rango dinámico.
2. "El obturador global siempre es mejor".
Si bien la captura sin distorsiones es una ventaja, las compensaciones en costo, ruido y sensibilidad pueden superar los beneficios de una captura de imágenes a un ritmo más lento.
3. "No se puede grabar un vídeo con un obturador giratorio".
Muchas cámaras de cine de alta gama utilizan obturadores giratorios de manera efectiva; las técnicas de filmación cuidadosas pueden minimizar los artefactos.
4. "Los obturadores globales eliminan todo el desenfoque de movimiento".
Evitan la distorsión geométrica, pero aún así puede producirse un desenfoque de movimiento debido a tiempos de exposición prolongados.
Conclusión
La elección entre la tecnología de obturador global y rotatorio en una cámara CMOS se reduce al equilibrio entre el manejo del movimiento, la sensibilidad a la luz, el costo y las necesidades específicas de su aplicación.
● Si necesita una captura sin distorsiones para escenas de movimiento rápido, el obturador global es la opción clara.
● Si prioriza el rendimiento con poca luz, el rango dinámico y el presupuesto, el obturador giratorio suele ofrecer los mejores resultados.
Comprender estas diferencias le garantizará que pueda seleccionar la herramienta adecuada, ya sea para imágenes científicas, monitoreo industrial o producción creativa.
Preguntas frecuentes
¿Qué tipo de obturador es mejor para la fotografía aérea o el mapeo con drones?
Para cartografía, topografía e inspección, donde la precisión geométrica es crucial, se prefiere un obturador global para evitar la distorsión. Sin embargo, para video aéreo creativo, un obturador rodante puede ofrecer excelentes resultados si se controlan los movimientos.
¿Cómo afecta la elección del obturador a las imágenes con poca luz?
Los obturadores enrollables suelen tener una ventaja en condiciones de poca luz, ya que el diseño de sus píxeles prioriza la eficiencia de captación de luz. Los obturadores globales pueden requerir circuitos más complejos que reduzcan ligeramente la sensibilidad, aunque los diseños modernos están reduciendo esta diferencia.
¿Cómo afecta el tipo de obturador a unacámara científica?
En la obtención de imágenes científicas de alta velocidad, como el seguimiento de partículas, la dinámica celular o la balística, un obturador global suele ser esencial para evitar la distorsión del movimiento. Sin embargo, para la microscopía de fluorescencia con poca luz, uncámara sCMOSSe puede optar por un obturador giratorio para maximizar la sensibilidad y el rango dinámico.
¿Qué es mejor para la inspección industrial?
En la mayoría de las tareas de inspección industrial, especialmente aquellas que involucran cintas transportadoras móviles, robótica o visión artificial, un obturador global es la opción más segura para garantizar mediciones precisas sin errores geométricos inducidos por el movimiento.
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