2021/08/25Irudi digitalen munduan, faktore tekniko gutxik eragiten dute irudiaren kalitatea sentsorearen obturadore elektroniko motak bezainbeste. Abiadura handiko industria-prozesuak grabatzen ari zaren, sekuentzia zinematografikoak filmatzen ari zaren edo fenomeno astronomiko ahulak harrapatzen ari zaren, zure CMOS kameraren barruko obturadore-teknologiak funtsezko zeregina du zure azken irudiaren emaitzan.
Bi CMOS obturadore elektroniko mota nagusik, obturadore globalek eta obturadore birakariek, oso ikuspegi desberdinak erabiltzen dituzte sentsore batetik argia esposizioan eta irakurtzean. Haien desberdintasunak, indarguneak eta konpentsazioak ulertzea ezinbestekoa da zure irudi-sistema zure aplikaziora egokitu nahi baduzu.
Artikulu honek CMOS obturadore elektronikoak zer diren azalduko du, nola funtzionatzen duten obturadore globalek eta birakariek, nola jokatzen duten benetako egoeretan eta nola erabaki zein den zuretzat onena.
Zer dira CMOS obturadore elektronikoak?
CMOS sentsorea kamera moderno gehienen bihotza da. Sarrerako argia seinale elektriko bihurtzeaz arduratzen da, eta hauek irudi batean prozesatu daitezke. "Obturadorea" kamera bateanCMOS kameraez da nahitaez gortina mekaniko bat; diseinu moderno askok obturadore elektroniko bat erabiltzen dute, pixelek argia nola eta noiz harrapatzen duten kontrolatzen duena.
Argia fisikoki blokeatzen duen obturadore mekaniko batek ez bezala, obturadore elektroniko batek pixel bakoitzaren barruko karga-fluxua abiarazi eta geldituz funtzionatzen du. CMOS irudigintzan, bi obturadore elektronikoen arkitektura nagusi daude: obturadore globala eta obturadore birakaria.
Zergatik da garrantzitsua bereizketa? Esposizio eta irakurketa metodoak zuzenean eragiten duelako:
● Mugimenduaren errendatzea eta distortsioa
● Irudiaren zorroztasuna
● Argi gutxiko sentikortasuna
● Fotograma-tasa eta latentzia
● Egokitasun orokorra argazki, bideo eta irudi zientifiko mota desberdinetarako
Obturadore Globala Ulertzea
Iturria: GMAX3405 obturadore globalaren sentsorea
Nola funtzionatzen duen obturadore globalak
CMOS obturadore globaleko kamerek esposizioa aldi berean hasten eta amaitzen dute sentsore osoan. Horretarako, pixel bakoitzeko 5 transistore edo gehiago eta irakurketan zehar eskuratutako fotoelektroien kargak mantentzen dituen 'biltegiratze-nodo' bat erabiltzen dira. Esposizio baten sekuentzia honako hau da:
1. Hasi esposizioa aldi berean pixel bakoitzean, eskuratutako kargak lurrera garbituz.
2. Itxaron aukeratutako esposizio-denbora arte.
3. Esposizioa amaitzean, eraman eskuratutako kargak pixel bakoitzeko biltegiratze nodora, fotograma horren esposizioa amaituz.
4. Lerroz lerro, mugitu elektroiak pixelaren irakurketa-kondentsadorearen barrura, eta bidali metatutako tentsioa irakurketa-arkitekturara, analogiko-digital bihurgailuak (ADC) sortuz. Hurrengo esposizioa normalean urrats honekin batera egin daiteke.
Global Shutter-en abantailak
● Mugimendu-distortsiorik ez – Mugitzen ari diren subjektuek beren forma eta geometria mantentzen dituzte irakurketa sekuentzialarekin gerta daitekeen okerdura edo dardararik gabe.
● Abiadura Handiko Harrapaketa – Egokia da mugimendua izozteko eszena azkarretan, hala nola kiroletan, robotikan edo fabrikazio kalitate kontrolean.
● Latentzia txikia – Irudi-datu guztiak aldi berean daude eskuragarri, kanpoko gertaerekin sinkronizazio zehatza ahalbidetuz, hala nola laser pultsuekin edo argi estroboskopikoekin.
Obturadore Globalaren Mugak
● Argi-sentsibilitate txikiagoa – Obturadore globaleko pixelen diseinu batzuek argia biltzeko eraginkortasuna sakrifikatzen dute aldibereko esposiziorako beharrezko zirkuituak egokitzeko.
● Kostu eta konplexutasun handiagoa – Fabrikazioa erronka handiagoa da, eta askotan prezio altuagoak sortzen dira pertsiana birakariekin alderatuta.
● Zarata handitzeko aukera – Sentsorearen diseinuaren arabera, pixel bakoitzeko elektronika gehigarriak irakurketa-zarata apur bat handiagoa sor dezake.
Obturadore birakaria ulertzea
Nola funtzionatzen duen obturadore birakariak
4 transistore bakarrik eta biltegiratze nodorik gabe erabiliz, CMOS pixel diseinuaren forma sinpleago honek obturadore elektronikoaren funtzionamendu konplexuagoa dakar. Obturadore birakariaren pixelek sentsorearen esposizioa hasten eta gelditzen dute errenkada bana aldi berean, sentsorea behera 'biratuz'. Kontrako sekuentzia (irudian ere erakusten dena) jarraitzen da esposizio bakoitzerako:
Irudia: 6x6 pixeleko kamera sentsore baten obturadore birakariaren prozesua
Lehenengo fotogramak esposizioa (horia) sentsorearen goialdean hasten du, lerro bakoitzeko lerro bat beherantz mugituz. Goiko lerroaren esposizioa amaitutakoan, irakurketak (morea) eta ondoren hurrengo esposizioaren hasierak (urdina) sentsorean behera egiten dute.
1. Hasi sentsorearen goiko ilararen esposizioa, eskuratutako kargak lurrera garbituz.
2. 'Ilara-denbora' igaro ondoren, mugitu sentsorearen bigarren ilarara eta hasi esposizioa, sentsorearen behera errepikatuz.
3. Goiko errenkadarako eskatutako esposizio-denbora amaitutakoan, amaitu esposizioa eskuratutako kargak irakurketa-arkitekturaren bidez bidaliz. Horretarako behar den denbora 'errenkada-denbora' da.
4. Errenkada baten irakurketa amaitu bezain laster, 1. urratsetik berriro esposizioa hasteko prest dago, nahiz eta horrek aurreko esposizioa egiten duten beste errenkada batzuekin gainjartzea esan nahi duen.
Obturadore birakariaren abantailak
●Argi gutxiko errendimendu hobea– Pixelen diseinuek argiaren bilketa lehenetsi dezakete, seinale-zarata erlazioa hobetuz argitasun gutxiko baldintzetan.
●Goi Mailako Dinamiko Maila– Irakurketa sekuentzialeko diseinuek argitasun distiratsuagoak eta itzal ilunagoak dotoreago kudea ditzakete.
●Merkeagoa– CMOS sentsore errodagarriek ohikoagoak eta kostu-eraginkorragoak dira fabrikatzeko.
Obturadore birakariaren mugak
●Mugimendu-artefaktuak– Azkar mugitzen diren subjektuak okertuta edo okertuta ager daitezke, “obturadore birakariaren efektua” bezala ezagutzen dena.
●Jello efektua bideoan– Eskuz egindako bibrazioak edo mugimendu panoramiko azkarrak irudian dardara eragin dezakete.
●Sinkronizazio erronkak– Ez da hain aproposa kanpoko gertaerekin denbora zehatza behar duten aplikazioetarako.
Global vs. Rolling Shutter: Alboz Alboko Konparaketa
Hona hemen pertsiana birakariak eta globalen arteko konparaketaren ikuspegi orokorra:
| Ezaugarria | Obturadore birakaria | Obturadore Globala |
| Pixel Diseinua | 4-transistore (4T), biltegiratze nodorik gabe | 5+ transistore, biltegiratze nodoa barne |
| Argiarekiko sentikortasuna | Betetze-faktore handiagoa, erraz egokitu daiteke atzealdeko argiztapen-formatura → QE handiagoa | Betetze faktore txikiagoa, BSI konplexuagoa |
| Zarata-errendimendua | Irakurketa-zarata txikiagoa, oro har | Zarata apur bat handiagoa izan dezake zirkuitu gehigarriengatik |
| Mugimenduaren distortsioa | Baliteke (okertzea, dardarka, gelatina efektua) | Bat ere ez — pixel guztiak aldi berean agerian |
| Abiadura potentziala | Esposizioak gainjarri eta hainbat errenkada irakurri ditzake; diseinu batzuetan azkarragoa izan ohi da | Fotograma osoko irakurketak mugatuta, nahiz eta irakurketa zatituak lagun dezakeen |
| Kostua | Fabrikazio-kostu txikiagoa | Fabrikazio-kostu handiagoa |
| Erabilera Kasu Onenak | Argi gutxiko irudigintza, zinematografia, argazkilaritza orokorra | Abiadura handiko mugimenduaren harrapaketa, industria-ikuskapena, metrologia zehatza |
Oinarrizko errendimendu desberdintasunak
Obturadore birakariko pixelek normalean 4 transistoreko (4T) diseinua erabiltzen dute biltegiratze nodorik gabe, obturadore globalek, berriz, 5 transistore edo gehiago behar dituzte pixel bakoitzeko, gehi zirkuitu gehigarriak fotoelektroiak gordetzeko irakurri aurretik.
●Betetze faktorea eta sentikortasuna– 4T arkitektura sinpleagoak pixelen betetze-faktore handiagoa ahalbidetzen du, hau da, pixel bakoitzaren gainazal gehiago argia biltzeko erabiltzen da. Diseinu honek, obturadore-sentsoreak atzetik argiztatutako formatu batera errazago egokitu daitezkeen egitatearekin batera, askotan eraginkortasun kuantiko handiagoa lortzen du.
●Zarata-errendimendua– Transistore gutxiago eta zirkuitu konplexu gutxiago izateak, oro har, pertsiana birakariek irakurketa-zarata txikiagoa erakusten dutela esan nahi du, eta horrek argi gutxiko aplikazioetarako egokiagoak bihurtzen ditu.
●Abiadura potentziala– Pertsiana birakariak azkarragoak izan daitezke arkitektura batzuetan, esposizioa eta irakurketa gainjartzea ahalbidetzen baitute, nahiz eta hori sentsoreen diseinuaren eta irakurketa elektronikaren araberakoa izan.
Kostua eta fabrikazioa – Obturadore birakariaren pixelen sinpletasunak normalean ekoizpen-kostu txikiagoak dakartza obturadore globalen aldean.
Kontuan hartu beharrekoak eta teknika aurreratuak
Obturadore pseudoglobala
Sentsoreari argia noiz iristen den zehatz-mehatz kontrola dezakezun egoeretan —adibidez, hardware bidez aktibatutako LED edo laser argi-iturri bat erabiliz—, emaitza "globalak" lor ditzakezu obturadore birakari batekin. Obturadore pseudoglobalaren metodo honek argiztapena esposizio-leihoarekin sinkronizatzen du, mugimendu-artefaktuak minimizatuz, benetako obturadore-diseinu global bat behar izan gabe.
Irudien gainjartzea
Obturadore birakariaren sentsoreek hurrengo fotograma erakusten has dezakete uneko fotograma irakurketa amaitu baino lehen. Gainjartze-esposizio honek lan-zikloa hobetzen du eta onuragarria da abiadura handiko aplikazioetarako, non segundoko fotograma kopuru maximoa harrapatzea funtsezkoa den, baina denborarekiko sentikorrak diren esperimentuak zaildu ditzake.
Errenkada anitzeko irakurketa
Abiadura handiko CMOS kamera askok pixel errenkada bat baino gehiago irakur ditzakete aldi berean. Modu batzuetan, errenkadak binaka irakurtzen dira; diseinu aurreratuetan, lau errenkada arte irakur daitezke aldi berean, eta horrek fotograma irakurtzeko denbora osoa murrizten du.
Sentsore zatituen arkitektura
Bai obturadore birakariek bai obturadore globalek sentsore zatituaren diseinua erabil dezakete, non irudi-sentsorea bertikalki bi erditan banatzen den, bakoitza bere ADC ilara batekin.
● Obturadore birakariko sentsoreetan, irakurketa askotan erdialdetik hasten da eta kanporantz biratzen da, bai goialderantz bai behealderantz, latentzia are gehiago murriztuz.
● Obturadore globaleko diseinuetan, irakurketa zatituak fotograma-tasak hobetu ditzake esposizioaren aldiberekotasuna aldatu gabe.
Nola aukeratu zure aplikaziorako: obturadore birakaria edo globala?
Obturadore globalak aplikazioei mesede egin diezaieke
● Gertaeren denbora zehatza eskatzen dute
● Esposizio-denbora oso laburrak behar dituzte
● Gertaera batekin sinkronizatzeko, eskuratze bat hasi aurretik milisegundo baino gutxiagoko atzerapena behar da.
● Eskala handiko mugimendua edo dinamika obturadore birakari baten antzeko edo azkarragoko denbora-eskalan harrapatu
● Sentsore osoan aldibereko eskuratzea eskatzen du, baina ezin ditu argi-iturriak kontrolatu obturadore pseudoglobala erabiltzeko eremu handi batean.
Obturadore birakariak aplikazioei mesede egin diezaieke
● Argi gutxiko aplikazio erronkak: Obturadore birakariko kameren eraginkortasun kuantiko gehigarriak eta zarata txikiagoak askotan SNR hobetzea dakar.
● Abiadura handiko aplikazioak, non sentsorearen aldiberekotasun zehatza ez den garrantzitsua, edo atzerapena txikia den denbora-eskala esperimentalekin alderatuta.
● Beste aplikazio orokorrago batzuk, non fabrikazio-sinpletasuna eta obturadore birakariko kameren kostu txikiagoa onuragarriak diren.
Ohiko ideia okerrak
1. "Obturadore birakaria beti da txarra."
Ez da egia: pertsiana birakariak aproposak dira erabilera kasu askotarako eta askotan pertsiana globalak baino hobeto funtzionatzen dute argi gutxiko eta tarte dinamikoko egoeretan.
2. "Obturazio globala beti da hobea."
Distortsio gabeko harrapaketa abantaila bat den arren, kostuaren, zarataren eta sentikortasunaren arteko orekak erritmo moteleko irudien onurak baino handiagoak izan daitezke.
3. "Ezin duzu bideorik grabatu obturadore birakariarekin."
Goi-mailako zinema-kamera askok obturadore birakariak erabiltzen dituzte eraginkortasunez; grabaketa-teknika zainduek artefaktuak gutxitu ditzakete.
4. "Obturazio globalek mugimendu-lausotasun guztia ezabatzen dute."
Distortsio geometrikoa saihesten dute, baina esposizio denbora luzez gertatzen den mugimendu lausotasuna gerta daiteke oraindik ere.
Ondorioa
CMOS kamera batean obturadore globalaren eta rolling obturadorearen teknologiaren arteko aukera mugimenduaren kudeaketaren, argiaren sentikortasunaren, kostuaren eta zure aplikazioaren behar espezifikoen arteko orekan datza.
● Eszena azkar mugitzen direnean distortsio gabeko argazkia behar baduzu, obturadore globala da aukera argiena.
● Argi gutxiko errendimendua, gama dinamikoa eta aurrekontua lehenesten badituzu, obturadore mugikorrak emaitzarik onenak ematen ditu askotan.
Desberdintasun hauek ulertzeak tresna egokia aukeratu ahal izatea bermatzen du, dela irudi zientifikoetarako, industria-monitorizaziorako edo sormen-ekoizpenerako.
Maiz egiten diren galderak
Zein obturadore mota da hobea aireko argazkilaritzarako edo drone bidezko mapak egiteko?
Kartografia, topografia eta ikuskapen lanetarako, non zehaztasun geometrikoa funtsezkoa den, obturadore globala hobesten da distortsioa saihesteko. Hala ere, aireko bideo sortzaileetarako, obturadore birakari batek emaitza bikainak eman ditzake mugimenduak kontrolatzen badira.
Nola eragiten du obturadorearen aukeraketak argi gutxiko irudietan?
Obturadore birakariek, oro har, abantaila dute argi gutxiko errendimenduan, pixelen diseinuek argia biltzeko eraginkortasuna lehenesten baitute. Obturadore globalek zirkuitu konplexuagoak behar izan ditzakete, sentikortasuna apur bat murriztu dezaketenak, nahiz eta diseinu modernoek hutsune hori ixten ari diren.
Nola eragiten dio obturadore motakkamera zientifikoa?
Abiadura handiko irudi zientifikoetan —partikula-jarraipenean, zelulen dinamikan edo balistikan, adibidez— obturadore global bat ezinbestekoa da askotan mugimenduaren distortsioa saihesteko. Baina argi gutxiko fluoreszentzia-mikroskopiarentzat,sCMOS kamerasentikortasuna eta tarte dinamikoa maximizatzeko obturadore birakari batekin aukera daiteke.
Zein da hobea industria-ikuskapenerako?
Industria-ikuskapeneko zeregin gehienetan —batez ere zinta garraiatzaile mugikorrak, robotika edo ikusmen artifiziala dakartzatenetan— obturadore globala da aukera seguruena mugimenduak eragindako akats geometrikorik gabeko neurketa zehatzak bermatzeko.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Eskubide guztiak erreserbatuta. Aipatzen duzunean, aipatu iturria:www.tucsen.com
