۲۵/۰۸/۲۱در دنیای تصویربرداری دیجیتال، عوامل فنی کمی به اندازه نوع شاتر الکترونیکی در حسگر شما بر کیفیت تصویر تأثیر می‌گذارند. چه در حال تصویربرداری از فرآیندهای صنعتی پرسرعت باشید، چه در حال فیلمبرداری از سکانس‌های سینمایی یا ثبت پدیده‌های نجومی کم‌نور، فناوری شاتر درون دوربین CMOS شما نقش حیاتی در چگونگی تولید تصویر نهایی شما ایفا می‌کند.
دو نوع غالب شاترهای الکترونیکی CMOS، شاترهای سراسری و شاترهای غلتکی، رویکردهای بسیار متفاوتی برای نوردهی و خواندن نور از یک حسگر دارند. اگر می‌خواهید سیستم تصویربرداری خود را با کاربرد مورد نظرتان تطبیق دهید، درک تفاوت‌ها، نقاط قوت و معایب آنها ضروری است.
این مقاله توضیح می‌دهد که شاترهای الکترونیکی CMOS چیستند، شاترهای سراسری و غلتکی چگونه کار می‌کنند، عملکرد آنها در شرایط واقعی چگونه است و چگونه می‌توانید تصمیم بگیرید کدام یک برای شما مناسب‌تر است.
شاترهای الکترونیکی CMOS چیستند؟
حسگر CMOS قلب اکثر دوربین‌های مدرن است. این حسگر وظیفه تبدیل نور ورودی به سیگنال‌های الکتریکی را دارد که می‌توانند به تصویر تبدیل شوند. «شاتر» در یکدوربین CMOSلزوماً یک پرده مکانیکی نیست - بسیاری از طرح‌های مدرن به یک شاتر الکترونیکی متکی هستند که نحوه و زمان دریافت نور توسط پیکسل‌ها را کنترل می‌کند.
برخلاف شاتر مکانیکی که به صورت فیزیکی نور را مسدود می‌کند، یک شاتر الکترونیکی با شروع و توقف جریان بار در هر پیکسل کار می‌کند. در تصویربرداری CMOS، دو معماری اصلی شاتر الکترونیکی وجود دارد: شاتر سراسری و شاتر چرخشی.
چرا تمایز اهمیت دارد؟ زیرا روش نوردهی و خوانش مستقیماً بر موارد زیر تأثیر می‌گذارد:
● رندر حرکت و اعوجاج
● وضوح تصویر
● حساسیت به نور کم
● نرخ فریم و تأخیر
● مناسب بودن کلی برای انواع مختلف عکاسی، فیلمبرداری و تصویربرداری علمی
درک شاتر جهانی
منبع: حسگر شاتر سراسری GMAX3405
نحوه کار شاتر جهانی
دوربین‌های CMOS با شاتر سراسری، نوردهی خود را به طور همزمان در کل حسگر آغاز و پایان می‌دهند. این امر با استفاده از ۵ یا تعداد بیشتری ترانزیستور در هر پیکسل و یک «گره ذخیره‌سازی» که بارهای فوتوالکترونی دریافتی را در طول بازخوانی نگه می‌دارد، حاصل می‌شود. ترتیب نوردهی به شرح زیر است:
۱. نوردهی را همزمان در هر پیکسل با پاک کردن بارهای دریافتی به زمین آغاز کنید.
۲. منتظر زمان نوردهی انتخاب شده بمانید.
۳. در پایان نوردهی، بارهای دریافتی را به گره ذخیره‌سازی در هر پیکسل منتقل کنید و نوردهی آن فریم را پایان دهید.
۴. ردیف به ردیف، الکترون‌ها را به خازن بازخوانی پیکسل منتقل کنید و ولتاژ انباشته شده را به معماری بازخوانی منتقل کنید و در نهایت به مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (ADC) برسید. نوردهی بعدی معمولاً می‌تواند همزمان با این مرحله انجام شود.
مزایای شاتر جهانی
● بدون اعوجاج حرکتی – اشیاء متحرک شکل و هندسه خود را بدون کجی یا لرزشی که ممکن است در خوانش متوالی رخ دهد، حفظ می‌کنند.
● ضبط با سرعت بالا - ایده‌آل برای ثابت کردن حرکت در صحنه‌های پرسرعت، مانند ورزش، رباتیک یا کنترل کیفیت تولید.
● تأخیر کم - تمام داده‌های تصویر به طور همزمان در دسترس هستند و امکان همگام‌سازی دقیق با رویدادهای خارجی مانند پالس‌های لیزر یا چراغ‌های چشمک‌زن را فراهم می‌کنند.
محدودیت‌های شاتر جهانی
● حساسیت به نور کمتر – برخی از طراحی‌های پیکسل شاتر سراسری، کارایی جمع‌آوری نور را فدای تطبیق با مدارهای مورد نیاز برای نوردهی همزمان می‌کنند.
● هزینه و پیچیدگی بالاتر - ساخت آن چالش برانگیزتر است، که اغلب منجر به قیمت های بالاتر در مقایسه با کرکره های غلتکی مشابه می شود.
● احتمال افزایش نویز - بسته به طراحی حسگر، قطعات الکترونیکی اضافی در هر پیکسل می‌تواند منجر به نویز خوانش کمی بالاتر شود.
درک شاتر غلتکی
نحوه کار شاتر غلتکی
با استفاده از تنها ۴ ترانزیستور و بدون گره ذخیره‌سازی، این شکل ساده‌تر از طراحی پیکسل CMOS منجر به عملکرد پیچیده‌تر شاتر الکترونیکی می‌شود. پیکسل‌های شاتر غلتان، نوردهی حسگر را یک ردیف در یک زمان شروع و متوقف می‌کنند و حسگر را به سمت پایین «غلتان» می‌کنند. توالی مقابل (که در شکل نیز نشان داده شده است) برای هر نوردهی دنبال می‌شود:
شکل: فرآیند شاتر چرخشی برای یک حسگر دوربین 6x6 پیکسلی
فریم اول نوردهی (زرد) را از بالای حسگر آغاز می‌کند و با سرعت یک خط در هر خط به سمت پایین حرکت می‌کند. پس از اتمام نوردهی برای خط بالا، خوانش (بنفش) و به دنبال آن شروع نوردهی بعدی (آبی) به سمت پایین حسگر حرکت می‌کند.
۱. با پاک کردن بارهای اکتسابی به زمین، نوردهی را به ردیف بالای سنسور شروع کنید.
۲. پس از سپری شدن «زمان ردیف»، به ردیف دوم حسگر بروید و نوردهی را شروع کنید و این کار را در طول حسگر تکرار کنید.
۳. پس از اتمام زمان نوردهی درخواستی برای ردیف بالا، با ارسال بارهای دریافتی از طریق معماری بازخوانی، نوردهی را پایان دهید. زمان صرف شده برای انجام این کار، «زمان ردیف» نامیده می‌شود.
۴. به محض اینکه خوانش برای یک ردیف تکمیل شد، آماده است تا دوباره نوردهی را از مرحله ۱ شروع کند، حتی اگر این به معنای همپوشانی با ردیف‌های دیگری باشد که نوردهی قبلی را انجام می‌دهند.
مزایای شاتر غلتکی
●عملکرد بهتر در نور کم– طراحی پیکسل‌ها می‌تواند جمع‌آوری نور را در اولویت قرار دهد و نسبت سیگنال به نویز را در شرایط کم‌نور بهبود بخشد.
●محدوده دینامیکی بالاتر– طرح‌های خوانش متوالی می‌توانند هایلایت‌های روشن‌تر و سایه‌های تیره‌تر را با ظرافت بیشتری نمایش دهند.
●مقرون به صرفه تر– سنسورهای CMOS شاتر غلتکی رایج‌تر و از نظر هزینه ساخت مقرون به صرفه‌تر هستند.
محدودیت‌های شاتر غلتکی
●مصنوعات حرکتی– سوژه‌های سریع ممکن است کج یا خمیده به نظر برسند، که به عنوان «اثر شاتر غلتکی» شناخته می‌شود.
●افکت ژله در ویدیو– فیلمبرداری دستی با لرزش یا حرکت سریع دوربین می‌تواند باعث لرزش در تصویر شود.
●چالش‌های همگام‌سازی– برای کاربردهایی که نیاز به زمان‌بندی دقیق با رویدادهای خارجی دارند، ایده‌آل نیست.
مقایسه‌ی رو در رو گلوبال و رولینگ شاتر
در اینجا یک نمای کلی از نحوه مقایسه کرکره‌های غلتکی و جهانی ارائه شده است:
| ویژگی | شاتر نورد | شاتر جهانی |
| طراحی پیکسل | 4 ترانزیستور (4T)، بدون گره ذخیره سازی | ۵+ ترانزیستور، شامل گره ذخیره‌سازی |
| حساسیت به نور | ضریب پرشدگی بالاتر، به راحتی با فرمت نور پس زمینه سازگار می‌شود → QE بالاتر | ضریب پرشدگی کمتر، BSI پیچیده‌تر |
| عملکرد نویز | به طور کلی نویز خواندن کمتر | به دلیل مدار اضافه شده، می‌تواند نویز کمی بیشتری داشته باشد |
| اعوجاج حرکت | ممکن (کج شدن، تلوتلو خوردن، اثر ژله‌ای) | هیچکدام - همه پیکسل‌ها به طور همزمان نوردهی می‌شوند |
| پتانسیل سرعت | می‌تواند نوردهی‌ها را همپوشانی کند و چندین ردیف را بخواند؛ اغلب در برخی طرح‌ها سریع‌تر است | محدود به خوانش تمام فریم، هرچند خوانش تفکیکی می‌تواند مفید باشد |
| هزینه | هزینه تولید کمتر | هزینه تولید بالاتر |
| بهترین موارد استفاده | تصویربرداری در نور کم، فیلمبرداری، عکاسی عمومی | ضبط حرکت با سرعت بالا، بازرسی صنعتی، مترولوژی دقیق |
تفاوت‌های عملکرد اصلی
پیکسل‌های شاتر غلتکی معمولاً از طراحی ۴ ترانزیستوری (۴T) بدون گره ذخیره‌سازی استفاده می‌کنند، در حالی که شاترهای سراسری به ۵ یا تعداد بیشتری ترانزیستور در هر پیکسل به علاوه مدارهای اضافی برای ذخیره فوتوالکترون‌ها قبل از بازخوانی نیاز دارند.
●ضریب پر شدن و حساسیت– معماری ساده‌تر ۴T امکان ضریب پر شدن پیکسل بالاتری را فراهم می‌کند، به این معنی که سطح بیشتری از هر پیکسل به جمع‌آوری نور اختصاص داده می‌شود. این طراحی، همراه با این واقعیت که حسگرهای شاتر چرخشی را می‌توان راحت‌تر با فرمت نور پس‌زمینه تطبیق داد، اغلب منجر به راندمان کوانتومی بالاتری می‌شود.
●عملکرد نویزترانزیستورهای کمتر و مدارهای ساده‌تر عموماً به این معنی است که شاترهای غلتکی نویز خوانش کمتری دارند و این امر آنها را برای کاربردهای کم‌نور مناسب‌تر می‌کند.
●پتانسیل سرعت– کرکره‌های غلتکی می‌توانند در معماری‌های خاصی سریع‌تر باشند زیرا امکان همپوشانی نوردهی و خوانش را فراهم می‌کنند، اگرچه این امر به شدت به طراحی حسگر و الکترونیک خوانش بستگی دارد.
هزینه و تولید - سادگی پیکسل‌های شاتر غلتکی معمولاً به معنای هزینه‌های تولید پایین‌تر در مقایسه با کرکره‌های سراسری است.
ملاحظات و تکنیک‌های پیشرفته
شاتر کاذب سراسری
در شرایطی که می‌توانید دقیقاً زمان رسیدن نور به حسگر را کنترل کنید - مانند استفاده از یک منبع نور LED یا لیزر که توسط سخت‌افزار فعال می‌شود - می‌توانید با شاتر چرخشی به نتایج «شبیه به حالت کلی» دست یابید. این روش شاتر شبه کلی، روشنایی را با پنجره نوردهی هماهنگ می‌کند و بدون نیاز به طراحی شاتر کلی واقعی، مصنوعات حرکتی را به حداقل می‌رساند.
همپوشانی تصویر
حسگرهای شاتر چرخشی می‌توانند قبل از اتمام خوانش فریم فعلی، شروع به نوردهی فریم بعدی کنند. این همپوشانی نوردهی، چرخه کار را بهبود می‌بخشد و برای کاربردهای پرسرعت که در آنها ثبت حداکثر تعداد فریم در ثانیه بسیار مهم است، مفید است، اما می‌تواند آزمایش‌های حساس به زمان را پیچیده کند.
بازخوانی چند ردیفی
بسیاری از دوربین‌های CMOS پرسرعت می‌توانند بیش از یک ردیف پیکسل را همزمان بخوانند. در برخی حالت‌ها، ردیف‌ها به صورت جفت خوانده می‌شوند؛ در طراحی‌های پیشرفته، تا چهار ردیف می‌توانند همزمان خوانده شوند که به طور مؤثر زمان کل خواندن فریم را کاهش می‌دهد.
معماری حسگر تقسیم‌شده
هر دو شاتر غلتکی و گلوبال می‌توانند از طرح حسگر تقسیم‌شده استفاده کنند، که در آن حسگر تصویر به صورت عمودی به دو نیمه تقسیم می‌شود و هر کدام ردیف ADC مخصوص به خود را دارند.
● در حسگرهای شاتر چرخشی، بازخوانی اغلب از مرکز شروع می‌شود و به سمت بیرون، هم به سمت بالا و هم به سمت پایین، می‌چرخد و باعث کاهش بیشتر تأخیر می‌شود.
● در طراحی‌های شاتر سراسری، بازخوانی تفکیک‌شده می‌تواند نرخ فریم را بدون تغییر همزمانی نوردهی بهبود بخشد.
چگونه برای کاربرد خود انتخاب کنیم: شاتر غلتکی یا گلوبال؟
شاتر جهانی ممکن است برای کاربردها مفید باشد
● نیاز به زمان‌بندی دقیق رویدادها
● به زمان نوردهی بسیار کوتاهی نیاز دارند
● قبل از شروع جمع‌آوری داده‌ها برای همگام‌سازی با یک رویداد، به تأخیر زیر میلی‌ثانیه نیاز است
● ثبت حرکت یا دینامیک در مقیاس بزرگ در مقیاس زمانی مشابه یا سریع‌تر از شاتر چرخشی
● نیاز به دریافت همزمان نور از سراسر حسگر دارد، اما نمی‌تواند منابع نور را برای استفاده از شاتر شبه سراسری در یک منطقه بزرگ کنترل کند.
شاتر غلتکی ممکن است برای کاربردها مفید باشد
● کاربردهای چالش‌برانگیز در نور کم: بازده کوانتومی اضافی و نویز کمتر دوربین‌های شاتر چرخشی اغلب منجر به بهبود SNR می‌شود.
● کاربردهای پرسرعت که در آنها همزمانی دقیق در سراسر حسگر مهم نیست، یا تأخیر در مقایسه با مقیاس‌های زمانی تجربی کوچک است
● سایر کاربردهای عمومی‌تر که در آنها سادگی ساخت و هزینه پایین‌تر دوربین‌های شاتر چرخشی مفید است
تصورات غلط رایج
۱. «شفت کرکره‌ای همیشه بد است.»
درست نیست—کرکره‌های غلتکی برای بسیاری از موارد استفاده ایده‌آل هستند و اغلب در نور کم و محدوده دینامیکی از شاترهای سراسری بهتر عمل می‌کنند.
۲. «گلوبال شاتر همیشه بهتر است.»
اگرچه تصویربرداری بدون اعوجاج یک مزیت است، اما معایب آن در هزینه، نویز و حساسیت ممکن است از مزایای تصویربرداری با سرعت کمتر بیشتر باشد.
۳. «شما نمی‌توانید با شاتر چرخان فیلمبرداری کنید.»
بسیاری از دوربین‌های سینمایی رده بالا به طور مؤثر از شاترهای چرخشی استفاده می‌کنند؛ تکنیک‌های دقیق فیلمبرداری می‌تواند آثار مصنوعی را به حداقل برساند.
۴. «شاترهای سراسری تمام تاری ناشی از حرکت را از بین می‌برند.»
آنها از اعوجاج هندسی جلوگیری می‌کنند، اما تاری ناشی از حرکت ناشی از زمان‌های نوردهی طولانی هنوز هم می‌تواند رخ دهد.
نتیجه‌گیری
انتخاب بین فناوری شاتر سراسری و رولینگ در یک دوربین CMOS به تعادل بین کنترل حرکت، حساسیت به نور، هزینه و نیازهای خاص برنامه شما بستگی دارد.
● اگر به ثبت بدون اعوجاج برای صحنه‌های پرسرعت نیاز دارید، شاتر جهانی انتخاب واضحی است.
● اگر عملکرد در نور کم، محدوده دینامیکی و بودجه برایتان در اولویت است، شاتر چرخشی اغلب بهترین نتایج را ارائه می‌دهد.
درک این تفاوت‌ها تضمین می‌کند که می‌توانید ابزار مناسب را انتخاب کنید - چه برای تصویربرداری علمی، نظارت صنعتی یا تولید خلاقانه.
سوالات متداول
کدام نوع شاتر برای عکاسی هوایی یا نقشه برداری با پهپاد بهتر است؟
برای نقشه‌برداری، نقشه‌برداری و بازرسی که در آنها دقت هندسی بسیار مهم است، شاتر سراسری برای جلوگیری از اعوجاج ترجیح داده می‌شود. با این حال، برای فیلمبرداری هوایی خلاقانه، اگر حرکات کنترل شوند، شاتر چرخشی هنوز هم می‌تواند نتایج عالی ارائه دهد.
انتخاب شاتر چه تاثیری بر تصویربرداری در نور کم دارد؟
شاترهای غلتکی عموماً در عملکرد در نور کم مزیت دارند زیرا طراحی پیکسل‌های آنها می‌تواند راندمان جمع‌آوری نور را در اولویت قرار دهد. شاترهای سراسری ممکن است به مدار پیچیده‌تری نیاز داشته باشند که می‌تواند حساسیت را کمی کاهش دهد، اگرچه طراحی‌های مدرن در حال کم کردن این شکاف هستند.
نوع شاتر چگونه تأثیر می‌گذارد؟دوربین علمی?
در تصویربرداری علمی پرسرعت - مانند ردیابی ذرات، دینامیک سلولی یا بالستیک - یک شاتر سراسری اغلب برای جلوگیری از اعوجاج حرکت ضروری است. اما برای میکروسکوپ فلورسانس کم نور، یکدوربین sCMOSبا شاتر چرخشی می‌توان برای به حداکثر رساندن حساسیت و محدوده دینامیکی انتخاب کرد.
کدام برای بازرسی صنعتی بهتر است؟
در بیشتر وظایف بازرسی صنعتی - به ویژه مواردی که شامل تسمه نقاله‌های متحرک، رباتیک یا بینایی ماشین هستند - یک شاتر سراسری انتخاب ایمن‌تری برای اطمینان از اندازه‌گیری‌های دقیق بدون خطاهای هندسی ناشی از حرکت است.
شرکت توسن فوتونیک. تمامی حقوق محفوظ است. هنگام نقل قول، لطفاً منبع را ذکر کنید:www.tucsen.com
