25.8.2021Digitaalisen kuvantamisen maailmassa harvat tekniset tekijät vaikuttavat kuvanlaatuun yhtä paljon kuin kennon elektronisen sulkimen tyyppi. Kuvasitpa sitten nopeita teollisia prosesseja, elokuvasekvenssejä tai himmeitä tähtitieteellisiä ilmiöitä, CMOS-kamerasi suljintekniikalla on ratkaiseva rooli lopullisen kuvan lopputuloksen kannalta.
Kaksi vallitsevaa CMOS-elektronisten sulkimien tyyppiä, globaalit sulkimet ja rullaavat sulkimet, käyttävät hyvin erilaisia lähestymistapoja valotuksen ja valotuksen lukemiseen anturista. Niiden erojen, vahvuuksien ja kompromissien ymmärtäminen on olennaista, jos haluat sovittaa kuvantamisjärjestelmäsi sovellukseesi.
Tässä artikkelissa selitetään, mitä CMOS-elektroniset sulkimet ovat, miten globaalit ja rullaavat sulkimet toimivat, miten ne toimivat todellisissa tilanteissa ja miten voit päättää, mikä niistä sopii sinulle parhaiten.
Mitä ovat CMOS-elektroniset sulkimet?
CMOS-kenno on useimpien nykyaikaisten kameroiden sydän. Se vastaa tulevan valon muuntamisesta sähköisiksi signaaleiksi, jotka voidaan käsitellä kuvaksi. Kameran "suljin"CMOS-kameraei välttämättä ole mekaaninen verho – monet modernit mallit perustuvat elektroniseen sulkimeen, joka ohjaa sitä, miten ja milloin pikselit vangitsevat valoa.
Toisin kuin mekaaninen suljin, joka fyysisesti estää valon pääsyn, elektroninen suljin toimii käynnistämällä ja pysäyttämällä varauksen kulun jokaisessa pikselissä. CMOS-kuvantamisessa on kaksi pääasiallista elektronista suljinarkkitehtuuria: globaali suljin ja rullaava suljin.
Miksi erottelulla on merkitystä? Koska valotus- ja lukutapa vaikuttavat suoraan:
● Liikkeen renderöinti ja vääristymä
● Kuvan terävyys
● Hämäräherkkyys
● Kuvataajuus ja viive
● Sopii kaiken kaikkiaan erityyppiseen valokuvaukseen, videokuvaukseen ja tieteelliseen kuvantamiseen
Globaalin sulkimen ymmärtäminen
Lähde: GMAX3405 Global Shutter Sensor
Miten Global Shutter toimii
CMOS Global -suljinkamerat aloittavat ja lopettavat valotuksen samanaikaisesti koko kennolla. Tämä saavutetaan käyttämällä vähintään viittä transistoria pikseliä kohden ja 'tallennusnodia', joka säilyttää hankitut fotoelektronivaraukset lukemisen aikana. Valotuksen järjestys on seuraava:
1. Aloita valotus samanaikaisesti jokaisessa pikselissä poistamalla kerätyt varaukset maadoituksesta.
2. Odota valittua valotusaikaa.
3. Valotuksen lopussa siirrä hankitut varaukset kunkin pikselin tallennussolmuun, jolloin kyseisen kuvan valotus päättyy.
4. Siirrä elektronit rivi riviltä pikselin lukukondensaattoriin ja välitä kertynyt jännite lukuarkkitehtuurille, joka huipentuu analogia-digitaalimuuntimiin (ADC). Seuraava valotus voidaan tyypillisesti suorittaa samanaikaisesti tämän vaiheen kanssa.
Global Shutterin edut
● Ei liikkeen aiheuttamaa vääristymää – Liikkuvat kohteet säilyttävät muotonsa ja geometriansa ilman peräkkäislukemisessa mahdollisesti esiintyvää vinoumaa tai heilumista.
● Nopea tallennus – Ihanteellinen liikkeen pysäyttämiseen nopeasti liikkuvissa kohtauksissa, kuten urheilussa, robotiikassa tai valmistuksen laadunvalvonnassa.
● Matala latenssi – Kaikki kuvatiedot ovat saatavilla kerralla, mikä mahdollistaa tarkan synkronoinnin ulkoisten tapahtumien, kuten laserpulssien tai salamavalojen, kanssa.
Global Shutterin rajoitukset
● Alhaisempi valoherkkyys – Joissakin globaalin sulkimen pikselirakenteissa valonkeräystehokkuus heikkenee samanaikaisen valotuksen tarvitsemien piirien vuoksi.
● Korkeammat kustannukset ja monimutkaisuus – Valmistus on haastavampaa, mikä usein johtaa korkeampiin hintoihin verrattuna rullakaihtimiin.
● Kohinan lisääntymisen mahdollisuus – Anturin suunnittelusta riippuen pikseliä kohden lisätty elektroniikka voi johtaa hieman suurempaan lukukohinaan.
Rolling Shutterin ymmärtäminen
Kuinka rullaava suljin toimii
Käyttämällä vain neljää transistoria eikä tallennussolmua, tämä yksinkertaisempi CMOS-pikselisuunnittelu johtaa monimutkaisempaan elektronisen sulkimen toimintaan. Vierivän sulkimen pikselit käynnistävät ja pysäyttävät kennon valotuksen rivi kerrallaan, "vierimällä" alas kennossa. Jokaisella valotuksella noudatetaan päinvastaista järjestystä (myös kuvassa):
Kuva: 6x6 pikselin kamerakennon rullaava suljinprosessi
Ensimmäisen kuvan valotus (keltainen) alkaa kennon yläreunasta ja kuva siirtyy alaspäin yhden rivin nopeudella riviä kohden. Kun ylimmän rivin valotus on valmis, lukema (violetti) ja sen jälkeen seuraavan valotuksen alku (sininen) siirtyvät kennon alapuolelle.
1. Aloita anturin ylimmän rivin valotus poistamalla kerätyt varaukset maadoituksesta.
2. Kun riviaika on kulunut, siirry anturin toiselle riville ja aloita valotus toistaen anturia alaspäin.
3. Kun ylimmän rivin pyydetty valotusaika on päättynyt, lopeta valotus lähettämällä hankitut varaukset lukuarkkitehtuurin läpi. Tähän kuluva aika on 'riviaika'.
4. Heti kun rivin lukeminen on valmis, laite on valmis aloittamaan valotuksen uudelleen vaiheesta 1, vaikka se merkitsisi päällekkäisyyttä muiden edellistä valotusta suorittavien rivien kanssa.
Rullaverhon edut
●Parempi suorituskyky hämärässä– Pikselisuunnittelussa voidaan priorisoida valon keräämistä, mikä parantaa signaali-kohinasuhdetta hämärässä.
●Korkeampi dynaaminen alue– Peräkkäislukemat pystyvät käsittelemään kirkkaampia kohokohtia ja tummempia varjoja sulavammin.
●Edullisempi– Rullasulkimella varustetut CMOS-anturit ovat yleisempiä ja niiden valmistus on kustannustehokkaampaa.
Rullaavan sulkimen rajoitukset
●Liikeartefaktit– Nopeasti liikkuvat kohteet voivat näyttää vinoutuneilta tai vääntyneiltä, tätä kutsutaan "vierivän sulkimen vaikutukseksi".
●Jello-efekti videossa– Käsivaralta kuvattu kuva, jossa on tärinää tai nopeaa panorointia, voi aiheuttaa kuvan heilumista.
●Synkronointihaasteet– Vähemmän ihanteellinen sovelluksiin, jotka vaativat tarkkaa ajoitusta ulkoisten tapahtumien kanssa.
Globaali vs. Rolling Shutter: Vertailu rinnakkain
Tässä on yleiskatsaus rullaavien ja globaalien ikkunaluukkujen vertailuun:
| Ominaisuus | Rullaava suljin | Globaali suljin |
| Pikselisuunnittelu | 4-transistori (4T), ei tallennussolmua | 5+ transistoria, sisältää tallennussolmun |
| Valoherkkyys | Korkeampi täyttökerroin, helppo mukauttaa taustavalaistuun formaattiin → korkeampi QE | Alhaisempi täyttökerroin, BSI monimutkaisempi |
| Melutaso | Yleensä alhaisempi lukukohina | Voi olla hieman korkeampi kohina lisäpiirien vuoksi |
| Liikkeen vääristymä | Mahdollinen (vinoutuminen, heiluminen, hyytelöefekti) | Ei mitään – kaikki pikselit valotetaan samanaikaisesti |
| Nopeuspotentiaali | Voi päällekkäisiä valotuksia ja lukea useita rivejä; usein nopeampi joissakin malleissa | Täyden koon lukema rajoittaa, vaikka jaettu lukema voi auttaa |
| Maksaa | Alemmat valmistuskustannukset | Korkeammat valmistuskustannukset |
| Parhaat käyttötapaukset | Hämäräkuvaus, elokuvaus, yleinen valokuvaus | Nopea liikkeen tallennus, teollisuustarkastus, tarkkuusmetrologia |
Keskeiset suorituskykyerot
Rullaavan sulkimen pikselit käyttävät tyypillisesti 4-transistorista (4T) rakennetta ilman tallennussolmua, kun taas globaalit sulkimet vaativat 5 tai useampia transistoreita pikseliä kohden sekä lisäpiirejä fotoelektronien tallentamiseksi ennen lukemista.
●Täyttökerroin ja herkkyys– Yksinkertaisempi 4T-arkkitehtuuri mahdollistaa korkeamman pikselin täyttökertoimen, mikä tarkoittaa, että suurempi osa kunkin pikselin pinnasta on varattu valon keräämiseen. Tämä rakenne yhdistettynä siihen, että rullasulkimen anturit voidaan helpommin sovittaa taustavalaistuun muotoon, johtaa usein korkeampaan kvanttitehokkuuteen.
●Melutaso– Vähemmän transistoreita ja yksinkertaisempi piirisuunnittelu tarkoittavat yleensä, että rullaverhoissa on vähemmän lukukohinaa, mikä tekee niistä paremmin sopivia hämärässä käytettäviin sovelluksiin.
●Nopeuspotentiaali– Rullaavat sulkimet voivat olla nopeampia tietyissä arkkitehtuureissa, koska ne mahdollistavat päällekkäisen valotuksen ja lukemisen, vaikkakin tämä riippuu suuresti anturin suunnittelusta ja lukemaelektroniikasta.
Kustannukset ja valmistus – Rullaavien sulkimien pikselien yksinkertaisuus tarkoittaa tyypillisesti alhaisempia tuotantokustannuksia verrattuna globaaleihin sulkimiin.
Edistyneet näkökohdat ja tekniikat
Näennäisglobaali suljin
Tilanteissa, joissa voit tarkasti hallita valon saapumisaikaa sensorille – kuten laitteiston laukaisemaa LED- tai laservalonlähdettä käytettäessä – voit saavuttaa "globaalin kaltaisia" tuloksia rullaavalla sulkimella. Tämä pseudoglobaali suljinmenetelmä synkronoi valaistuksen valotusikkunan kanssa, mikä minimoi liikeartefaktit ilman, että todellista globaalia suljinta tarvitaan.
Kuvien päällekkäisyys
Rullaavan sulkimen anturit voivat aloittaa seuraavan kuvan valotuksen ennen kuin nykyisen kuvan luku on valmis. Tämä päällekkäinen valotus parantaa käyttösuhdetta ja on hyödyllinen nopeissa sovelluksissa, joissa maksimikuvamäärän ottaminen sekunnissa on kriittistä, mutta voi monimutkaista ajoitusherkkiä kokeita.
Usean rivin lukema
Monet nopeat CMOS-kamerat pystyvät lukemaan useamman kuin yhden pikselirivin kerrallaan. Joissakin tiloissa rivit luetaan pareittain; edistyneissä malleissa jopa neljä riviä voidaan lukea samanaikaisesti, mikä lyhentää tehokkaasti kuvan kokonaislukuaikaa.
Jaetun anturin arkkitehtuuri
Sekä rullaavat että globaalit sulkimet voivat käyttää jaettua anturiasettelua, jossa kuva-anturi on jaettu pystysuunnassa kahteen puolikkaaseen, joilla kummallakin on oma AD-muuntimien rivi.
● Rullaavan sulkimen jakokennoissa lukeminen alkaa usein keskeltä ja vierii ulospäin sekä ylös että alas, mikä vähentää viivettä entisestään.
● Globaaleissa suljinjärjestelmissä jaettu lukema voi parantaa kuvataajuutta muuttamatta valotuksen samanaikaisuutta.
Kuinka valita sovellukseesi sopiva: Rolling Shutter vai Global Shutter?
Globaali suljin voi hyödyttää sovelluksia
● Vaatii tapahtumien tarkkaa ajoitusta
● Vaatii erittäin lyhyitä valotusaikoja
● Vaadi millisekunnin alittavaa viivettä ennen hankinnan aloittamista tapahtuman synkronoimiseksi
● Tallenna laajamittaista liikettä tai dynamiikkaa samalla tai nopeammalla aikaskaalalla kuin rullaava suljin
● Vaatii samanaikaisen kuvauksen koko sensorilta, mutta ei voi ohjata valonlähteitä pseudoglobaalin sulkimen käyttämiseksi laajalla alueella
Rullaava suljin voi hyödyttää sovelluksia
● Haastavat hämäräkuvaussovellukset: Rullaavien sulkijakameroiden lisääntynyt kvanttitehokkuus ja alhaisempi kohina johtavat usein parempaan signaali-kohinasuhteeseen (SNR).
● Nopeat sovellukset, joissa anturin tarkka samanaikaisuus ei ole tärkeää tai viive on pieni verrattuna kokeellisiin aikaskaaloihin
● Muita yleisempiä sovelluksia, joissa rullaavien sulkijakameroiden valmistuksen yksinkertaisuus ja alhaisemmat kustannukset ovat hyödyllisiä
Yleisiä väärinkäsityksiä
1. "Sulkimen rullaaminen on aina huono asia."
Ei pidä paikkaansa – rullaavat sulkimet sopivat erinomaisesti moniin käyttötarkoituksiin ja toimivat usein paremmin kuin globaalit sulkimet hämärässä ja dynaamisella alueella.
2. "Global Shutter on aina parempi."
Vaikka vääristymätön kuvaus on etu, kustannusten, kohinan ja herkkyyden kompromissit voivat olla suuremmat kuin hitaamman kuvantamisen hyödyt.
3. "Videota ei voi kuvata rullaavalla sulkimella."
Monet huippuluokan elokuvakamerat käyttävät rullaavia sulkimia tehokkaasti; huolelliset kuvaustekniikat voivat minimoida artefaktat.
4. "Globaalit sulkimet poistavat kaiken liikkeestä johtuvan epäterävyyden."
Ne estävät geometrisen vääristymän, mutta pitkien valotusaikojen aiheuttamaa liike-epäterävyyttä voi silti esiintyä.
Johtopäätös
CMOS-kameran globaalin ja rullaavan sulkimen tekniikan välinen valinta riippuu liikkeenhallinnan, valonherkkyyden, kustannusten ja sovelluskohtaisten tarpeidesi välisestä tasapainosta.
● Jos tarvitset vääristymätöntä kuvaa nopeasti liikkuvista kohtauksista, global shutter on selkeä valinta.
● Jos priorisoit hämäräkuvausta, dynamiikkaa ja budjettia, rullaava suljin tuottaa usein parhaat tulokset.
Näiden erojen ymmärtäminen varmistaa, että voit valita oikean työkalun – olipa kyseessä sitten tieteellinen kuvantaminen, teollinen valvonta tai luova tuotanto.
Usein kysytyt kysymykset
Kumpi suljintyyppi sopii paremmin ilmakuvaukseen vai drone-kuvaukseen?
Kartoituksessa, maanmittauksessa ja tarkastuksissa, joissa geometrinen tarkkuus on ratkaisevan tärkeää, globaali suljin on parempi vaihtoehto vääristymien välttämiseksi. Luovassa ilmakuvauksessa rullaava suljin voi kuitenkin silti tuottaa erinomaisia tuloksia, jos liikkeitä hallitaan.
Miten suljinajan valinta vaikuttaa hämäräkuvaukseen?
Rullaverhoilla on yleensä etu hämärässä suorituskyvyssä, koska niiden pikselisuunnittelu voi priorisoida valonkeräystehokkuutta. Globaalit verhot saattavat vaatia monimutkaisempaa piiristöä, joka voi hieman heikentää herkkyyttä, vaikka nykyaikaiset mallit ovatkin kuromassa umpeen tätä kuilua.
Miten sulkimen tyyppi vaikuttaatieteellinen kamera?
Nopeassa tieteellisessä kuvantamisessa – kuten hiukkasten seurannassa, soludynamiikassa tai ballistiikassa – globaali suljin on usein välttämätön liikkeen vääristymien välttämiseksi. Mutta hämärässä fluoresenssimikroskopiassasCMOS-kamerarullaavalla sulkimella voidaan valita herkkyyden ja dynaamisen alueen maksimoimiseksi.
Kumpi on parempi teollisuustarkastuksiin?
Useimmissa teollisissa tarkastustehtävissä – erityisesti liikkuviin kuljetinhihnoihin, robotiikkaan tai konenäköön liittyvissä – globaali suljin on turvallisempi valinta tarkkojen mittausten varmistamiseksi ilman liikkeen aiheuttamia geometrisia virheitä.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Kaikki oikeudet pidätetään. Mainitse lähde lainatessasi:www.tucsen.com
