25/08/21No mundo da imaxe dixital, poucos factores técnicos inflúen tanto na calidade da imaxe como o tipo de obturador electrónico do sensor. Tanto se estás a gravar procesos industriais de alta velocidade, a filmar secuencias cinematográficas ou a capturar fenómenos astronómicos tenues, a tecnoloxía de obturador da túa cámara CMOS xoga un papel fundamental no resultado da imaxe final.
Dous tipos dominantes de obturadores electrónicos CMOS, os obturadores globais e os obturadores rodantes, adoptan enfoques moi diferentes para expoñer e ler a luz dun sensor. Comprender as súas diferenzas, vantaxes e desvantaxes é esencial se queres adaptar o teu sistema de imaxe á túa aplicación.
Este artigo explicará que son os obturadores electrónicos CMOS, como funcionan os obturadores globais e os de rolamento, como se comportan en situacións reais e como decidir cal é o mellor para ti.
Que son os obturadores electrónicos CMOS?
Un sensor CMOS é o corazón da maioría das cámaras modernas. É o responsable de converter a luz entrante en sinais eléctricos que se poden procesar nunha imaxe. O "obturador" nunhacámara CMOSnon é necesariamente unha cortina mecánica: moitos deseños modernos baséanse nun obturador electrónico que controla como e cando os píxeles capturan a luz.
A diferenza dun obturador mecánico que bloquea fisicamente a luz, un obturador electrónico funciona iniciando e detendo o fluxo de carga dentro de cada píxel. Na imaxe CMOS, existen dúas arquitecturas principais de obturador electrónico: o obturador global e o obturador rodante.
Por que importa a distinción? Porque o método de exposición e lectura afecta directamente a:
● Renderización de movemento e distorsión
● Nitidez da imaxe
● Sensibilidade á pouca luz
● Velocidade de fotogramas e latencia
● Idoneidade xeral para diferentes tipos de fotografía, vídeo e imaxe científica
Entendendo o obturador global
Fonte: Sensor de obturación global GMAX3405
Como funciona o obturador global
As cámaras CMOS de obturador global comezan e rematan a súa exposición simultaneamente en todo o sensor. Isto conséguese usando 5 ou máis transistores por píxel e un "nodo de almacenamento" que mantén as cargas de fotoelectróns adquiridas durante a lectura. A secuencia dunha exposición é a seguinte:
1. Comezar a exposición simultaneamente en cada píxel eliminando as cargas adquiridas á terra.
2. Agarde o tempo de exposición escollido.
3. Ao final da exposición, move as cargas adquiridas ao nodo de almacenamento en cada píxel, finalizando a exposición dese fotograma.
4. Fila por fila, move os electróns ao condensador de lectura do píxel e retransmite a tensión acumulada á arquitectura de lectura, culminando nos conversores analóxico-dixitais (ADC). A seguinte exposición normalmente pódese realizar simultaneamente con este paso.
Vantaxes do obturador global
● Sen distorsión de movemento: os suxeitos en movemento conservan a súa forma e xeometría sen a torcedura ou a oscilación que poden producirse coa lectura secuencial.
● Captura de alta velocidade: ideal para conxelar movemento en escenas de movemento rápido, como en deportes, robótica ou control de calidade da fabricación.
● Baixa latencia: todos os datos da imaxe están dispoñibles á vez, o que permite unha sincronización precisa con eventos externos, como pulsos láser ou luces estroboscópicas.
Limitacións do obturador global
● Menor sensibilidade á luz: algúns deseños de píxeles de obturador global sacrifican a eficiencia de captación de luz para acomodar os circuítos necesarios para a exposición simultánea.
● Maior custo e complexidade: a fabricación é máis complexa, o que a miúdo resulta en prezos máis altos en comparación coas súas contrapartes con persianas rodantes.
● Potencial de aumento do ruído: dependendo do deseño do sensor, os compoñentes electrónicos adicionais por píxel poden provocar un ruído de lectura lixeiramente maior.
Entendendo o obturador rodante
Como funciona o obturador rodante
Usando só 4 transistores e ningún nodo de almacenamento, esta forma máis simple de deseño de píxeles CMOS leva a un funcionamento do obturador electrónico máis complicado. Os píxeles do obturador rodante inician e deteñen a exposición do sensor unha fila á vez, "rolando" cara abaixo o sensor. A secuencia oposta (tamén mostrada na figura) séguese para cada exposición:
Figura: Proceso de obturación rodante para un sensor de cámara de 6x6 píxeles
O primeiro fotograma comeza a exposición (amarelo) na parte superior do sensor, percorrendo cara abaixo a unha velocidade dunha liña por liña. Unha vez completada a exposición da liña superior, a lectura (violeta) seguida do inicio da seguinte exposición (azul) percorre o sensor cara abaixo.
1. Comeza a exposición á fila superior do sensor eliminando as cargas adquiridas cara á terra.
2. Unha vez transcorrido o "tempo de fila", móvase á segunda fila do sensor e comece a exposición, repetindo o proceso cara abaixo no sensor.
3. Unha vez que remate o tempo de exposición solicitado para a fila superior, finalice a exposición enviando as cargas adquiridas a través da arquitectura de lectura. O tempo que se tarda en facer isto é o "tempo de fila".
4. En canto se completa a lectura dunha fila, está listo para comezar a exposición de novo desde o paso 1, mesmo se iso significa solaparse con outras filas que realizan a exposición anterior.
Vantaxes da persiana enrollable
●Mellor rendemento en pouca luz– Os deseños de píxeles poden priorizar a recollida de luz, mellorando a relación sinal-ruído en condicións de pouca luz.
●Rango dinámico superior– Os deseños de lectura secuencial poden xestionar as zonas máis brillantes e as sombras máis escuras con máis elegancia.
●Máis accesible– Os sensores CMOS de obturador rodante son máis comúns e rendibles de fabricar.
Limitacións do obturador rodante
●Artefactos de movemento– Os suxeitos que se moven rápido poden aparecer sesgados ou curvados, o que se coñece como «efecto de obturador rodante».
●Efecto Jello en vídeo– As imaxes tomadas coa man á man con vibración ou panorámicas rápidas poden provocar oscilacións na imaxe.
●Desafíos de sincronización– Menos ideal para aplicacións que requiren unha sincronización precisa con eventos externos.
Global vs. Rolling Shutter: comparación en paralelo
Aquí tes unha vista xeral de como se comparan as persianas rodantes e globais:
| Característica | Obturador rodante | Obturador global |
| Deseño de píxeles | 4 transistores (4T), sen nodo de almacenamento | 5+ transistores, inclúe nodo de almacenamento |
| Sensibilidade á luz | Maior factor de recheo, adaptable facilmente ao formato retroiluminado → maior QE | Factor de recheo máis baixo, BSI máis complexo |
| Rendemento acústico | Ruído de lectura xeralmente menor | Pode ter un ruído lixeiramente maior debido aos circuítos engadidos |
| Distorsión de movemento | Posible (desviación, oscilación, efecto xelatinoso) | Ningún: todos os píxeles expostos simultaneamente |
| Potencial de velocidade | Pode solapar exposicións e ler varias filas; a miúdo máis rápido nalgúns deseños | Limitado pola lectura de fotograma completo, aínda que a lectura dividida pode axudar |
| Custo | menor custo de fabricación | Maior custo de fabricación |
| Mellores casos de uso | Imaxes con pouca luz, cinematografía, fotografía xeral | Captura de movemento de alta velocidade, inspección industrial, metroloxía de precisión |
Diferenzas de rendemento principais
Os píxeles de obturador rodante adoitan empregar un deseño de 4 transistores (4T) sen un nodo de almacenamento, mentres que os obturadores globais requiren 5 ou máis transistores por píxel ademais de circuítos adicionais para almacenar fotoelectróns antes da lectura.
●Factor de recheo e sensibilidade– A arquitectura 4T, máis simple, permite un factor de recheo de píxeles máis alto, o que significa que se dedica unha maior parte da superficie de cada píxel á recollida de luz. Este deseño, combinado co feito de que os sensores de obturador rodante pódense adaptar máis facilmente a un formato retroiluminado, adoita resultar nunha maior eficiencia cuántica.
●Rendemento acústico– Un menor número de transistores e uns circuítos menos complexos adoitan significar que as persianas enrollables presentan un menor ruído de lectura, o que as fai máis axeitadas para aplicacións con pouca luz.
●Potencial de velocidade– As persianas enrollables poden ser máis rápidas nalgunhas arquitecturas porque permiten a superposición da exposición e da lectura, aínda que isto depende en gran medida do deseño do sensor e da electrónica de lectura.
Custo e fabricación: a simplicidade dos píxeles do obturador rodante adoita traducirse en custos de produción máis baixos en comparación cos obturadores globais.
Consideracións e técnicas avanzadas
Obturador pseudoglobal
En situacións nas que se pode controlar con precisión cando a luz chega ao sensor (como mediante o uso dunha fonte de luz LED ou láser activada por hardware), pódense conseguir resultados "globais" cun obturador rodante. Este método de obturador pseudoglobal sincroniza a iluminación coa xanela de exposición, minimizando os artefactos de movemento sen requirir un verdadeiro deseño de obturador global.
Superposición de imaxes
Os sensores de obturador rodante poden comezar a expoñer o seguinte fotograma antes de que se complete a lectura do fotograma actual. Esta exposición superposta mellora o ciclo de traballo e é beneficiosa para aplicacións de alta velocidade onde capturar o número máximo de fotogramas por segundo é fundamental, pero pode complicar os experimentos sensibles ao tempo.
Lectura de varias filas
Moitas cámaras CMOS de alta velocidade poden ler máis dunha fila de píxeles á vez. Nalgúns modos, as filas lense por pares; en deseños avanzados, pódense ler ata catro filas simultaneamente, o que reduce eficazmente o tempo total de lectura de fotogramas.
Arquitectura de sensores divididos
Tanto os obturadores rodantes como os globais poden usar unha disposición de sensor dividido, onde o sensor de imaxe se divide verticalmente en dúas metades, cada unha coa súa propia fila de ADC.
● Nos sensores divididos de obturador rodante, a lectura adoita comezar desde o centro e desprázase cara a fóra, tanto cara arriba como cara abaixo, o que reduce aínda máis a latencia.
● Nos deseños de obturador global, a lectura dividida pode mellorar as taxas de fotogramas sen alterar a simultaneidade da exposición.
Como elixir para a súa aplicación: obturador rodante ou global?
O obturador global pode beneficiar as aplicacións
● Requiren unha cronometraxe de eventos de alta precisión
● Requiren tempos de exposición moi curtos
● Require un atraso inferior a milisegundos antes do inicio dunha adquisición para sincronizar cun evento
● Capturar movemento ou dinámica a grande escala nunha escala de tempo similar ou máis rápida á dun obturador rodante
● Requiren adquisición simultánea en todo o sensor, pero non poden controlar as fontes de luz para usar o obturador pseudoglobal nunha área grande
O obturador rodante pode beneficiar as aplicacións
● Aplicacións desafiantes con pouca luz: a eficiencia cuántica adicional e o menor ruído das cámaras con obturador giratorio adoitan levar a unha mellora da relación sinal-ruído (SNR).
● Aplicacións de alta velocidade onde a simultaneidade exacta a través do sensor non é importante ou o atraso é pequeno en comparación coas escalas de tempo experimentais
● Outras aplicacións máis xerais onde a simplicidade de fabricación e o menor custo das cámaras con obturador rotativo son beneficiosos
Conceptos erróneos comúns
1. "O obturador rodante sempre é malo."
Non é certo: as persianas enrollables son ideais para moitos casos de uso e adoitan superar as persianas globais con pouca luz e rango dinámico.
2. "O obturador global sempre é mellor."
Aínda que a captura sen distorsións é unha vantaxe, as desvantaxes en canto a custo, ruído e sensibilidade poden superar os beneficios dunha imaxe a un ritmo máis lento.
3. "Non se pode gravar vídeo cun obturador rodante."
Moitas cámaras de cine de gama alta empregan obturadores rodantes de forma eficaz; unhas técnicas de gravación coidadosas poden minimizar os artefactos.
4. "Os obturadores globais eliminan todo o desenfoque de movemento."
Evitan a distorsión xeométrica, pero aínda pode producirse desenfoque de movemento debido a longos tempos de exposición.
Conclusión
A elección entre a tecnoloxía de obturador global e rolling shutter nunha cámara CMOS resúmese no equilibrio entre a xestión do movemento, a sensibilidade á luz, o custo e as necesidades específicas da aplicación.
● Se precisas unha captura sen distorsións para escenas de movemento rápido, o obturador global é a mellor opción.
● Se priorizas o rendemento con pouca luz, o rango dinámico e o orzamento, o obturador rotativo adoita ofrecer os mellores resultados.
Comprender estas diferenzas garante que poidas escoller a ferramenta axeitada, xa sexa para imaxes científicas, monitorización industrial ou produción creativa.
Preguntas frecuentes
Que tipo de obturador é mellor para fotografía aérea ou cartografía con drons?
Para a cartografía, a topografía e a inspección, onde a precisión xeométrica é crucial, prefírese un obturador global para evitar a distorsión. Non obstante, para vídeos aéreos creativos, un obturador rodante aínda pode ofrecer excelentes resultados se se controlan os movementos.
Como inflúe a escolla do obturador nas imaxes con pouca luz?
As persianas enrollables xeralmente teñen unha vantaxe no rendemento con pouca luz porque os seus deseños de píxeles poden priorizar a eficiencia de captación de luz. As persianas globais poden requirir circuítos máis complexos que poden reducir lixeiramente a sensibilidade, aínda que os deseños modernos están a pechar esta brecha.
Como afecta o tipo de obturador a uncámara científica?
Na obtención de imaxes científicas de alta velocidade, como o seguimento de partículas, a dinámica celular ou a balística, un obturador global adoita ser esencial para evitar a distorsión do movemento. Pero para a microscopía de fluorescencia con pouca luz, uncámara sCMOScun obturador rodante pódese elixir para maximizar a sensibilidade e o rango dinámico.
Cal é mellor para a inspección industrial?
Na maioría das tarefas de inspección industrial, especialmente as que implican o movemento de cintas transportadoras, robótica ou visión artificial, un obturador global é a opción máis segura para garantir medicións precisas sen erros xeométricos inducidos polo movemento.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Todos os dereitos reservados. Ao citar, indique a fonte:www.tucsen.com
