सीएमओएस इलेक्ट्रॉनिक शटर: ग्लोबल बनाम रोलिंग और कैसे चुनें |

डिजिटल इमेजिंग की दुनिया में, आपके सेंसर में लगे इलेक्ट्रॉनिक शटर के प्रकार जितना प्रभाव इमेज क्वालिटी पर पड़ता है, उतना कुछ तकनीकी कारकों का नहीं होता। चाहे आप तेज़ गति वाली औद्योगिक प्रक्रियाओं की तस्वीरें ले रहे हों, सिनेमाई दृश्यों का फ़िल्मांकन कर रहे हों, या धुंधली खगोलीय घटनाओं को कैद कर रहे हों, आपके CMOS कैमरे के अंदर की शटर तकनीक आपकी अंतिम इमेज को बेहतर बनाने में अहम भूमिका निभाती है।

CMOS इलेक्ट्रॉनिक शटर के दो प्रमुख प्रकार, ग्लोबल शटर और रोलिंग शटर, सेंसर से प्रकाश को एक्सपोज़ करने और पढ़ने के लिए बहुत अलग तरीके अपनाते हैं। यदि आप अपने इमेजिंग सिस्टम को अपने अनुप्रयोग के अनुरूप बनाना चाहते हैं, तो उनके अंतर, खूबियों और ट्रेड-ऑफ़ को समझना आवश्यक है।

यह लेख बताएगा कि CMOS इलेक्ट्रॉनिक शटर क्या हैं, ग्लोबल और रोलिंग शटर कैसे काम करते हैं, वास्तविक दुनिया की स्थितियों में वे कैसे प्रदर्शन करते हैं, और यह कैसे तय करें कि आपके लिए कौन सा सर्वोत्तम है।

CMOS इलेक्ट्रॉनिक शटर क्या हैं?

CMOS सेंसर ज़्यादातर आधुनिक कैमरों का दिल होता है। यह आने वाले प्रकाश को विद्युत संकेतों में बदलने के लिए ज़िम्मेदार होता है जिन्हें संसाधित करके एक छवि बनाई जा सकती है। एक CMOS सेंसर में "शटर"CMOS कैमरायह आवश्यक रूप से एक यांत्रिक पर्दा नहीं है - कई आधुनिक डिजाइन एक इलेक्ट्रॉनिक शटर पर निर्भर करते हैं जो नियंत्रित करता है कि पिक्सेल कैसे और कब प्रकाश को कैप्चर करते हैं।

प्रकाश को भौतिक रूप से अवरुद्ध करने वाले यांत्रिक शटर के विपरीत, एक इलेक्ट्रॉनिक शटर प्रत्येक पिक्सेल के भीतर आवेश के प्रवाह को शुरू और बंद करके काम करता है। CMOS इमेजिंग में, दो प्राथमिक इलेक्ट्रॉनिक शटर आर्किटेक्चर होते हैं: ग्लोबल शटर और रोलिंग शटर।

अंतर क्यों मायने रखता है? क्योंकि एक्सपोज़र और रीडआउट की विधि सीधे तौर पर प्रभावित करती है:

● मोशन रेंडरिंग और विरूपण
● छवि की तीक्ष्णता
● कम रोशनी के प्रति संवेदनशीलता
● फ्रेम दर और विलंबता
● विभिन्न प्रकार की फोटोग्राफी, वीडियो और वैज्ञानिक इमेजिंग के लिए समग्र उपयुक्तता

ग्लोबल शटर को समझना

स्रोत: GMAX3405 ग्लोबल शटर सेंसर

ग्लोबल शटर कैसे काम करता है

CMOS ग्लोबल शटर कैमरे पूरे सेंसर पर एक साथ एक्सपोज़र शुरू और खत्म करते हैं। यह प्रति पिक्सेल 5 या अधिक ट्रांजिस्टर और एक 'स्टोरेजनोड' का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है जो रीडआउट के दौरान प्राप्त फोटोइलेक्ट्रॉन आवेशों को धारण करता है। एक्सपोज़र का क्रम इस प्रकार है:

1. प्रत्येक पिक्सेल में एक साथ एक्सपोज़र शुरू करें, तथा अधिग्रहित चार्ज को जमीन पर साफ़ करें।

2. चुने गए एक्सपोज़र समय की प्रतीक्षा करें।

3. एक्सपोज़र के अंत में, प्राप्त चार्ज को प्रत्येक पिक्सेल में स्टोरेज नोड पर ले जाएं, जिससे उस फ्रेम का एक्सपोज़र समाप्त हो जाएगा।

4. पंक्ति दर पंक्ति, इलेक्ट्रॉनों को पिक्सेल के रीडआउट कैपेसिटर में ले जाएँ, और संचित वोल्टेज को रीडआउट आर्किटेक्चर तक पहुँचाएँ, जिससे एनालॉग-टू-डिजिटल कन्वर्टर्स (ADC) बनते हैं। अगला एक्सपोज़र आमतौर पर इसी चरण के साथ-साथ किया जा सकता है।

ग्लोबल शटर के लाभ

● कोई गति विकृति नहीं - गतिशील वस्तुएं अपने आकार और ज्यामिति को बिना किसी तिरछापन या कंपन के बनाए रखती हैं जो अनुक्रमिक रीडआउट के साथ हो सकता है।
● हाई-स्पीड कैप्चर - तेज गति वाले दृश्यों में गति को स्थिर करने के लिए आदर्श, जैसे कि खेल, रोबोटिक्स या विनिर्माण गुणवत्ता नियंत्रण।
● कम विलंबता - सभी छवि डेटा एक बार में उपलब्ध है, जो बाहरी घटनाओं, जैसे लेजर पल्स या स्ट्रोब लाइट के साथ सटीक सिंक्रनाइज़ेशन को सक्षम करता है।

ग्लोबल शटर की सीमाएँ

● कम प्रकाश संवेदनशीलता - कुछ ग्लोबल शटर पिक्सेल डिज़ाइन एक साथ एक्सपोज़र के लिए आवश्यक सर्किटरी को समायोजित करने के लिए प्रकाश-एकत्रण दक्षता का त्याग करते हैं।
● उच्च लागत और जटिलता - निर्माण अधिक चुनौतीपूर्ण है, जिसके परिणामस्वरूप अक्सर रोलिंग शटर समकक्षों की तुलना में अधिक कीमतें होती हैं।
● शोर बढ़ने की संभावना - सेंसर डिज़ाइन के आधार पर, प्रति पिक्सेल अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनिक्स थोड़ा अधिक रीड शोर पैदा कर सकता है।

रोलिंग शटर को समझना

रोलिंग शटर कैसे काम करता है

केवल 4 ट्रांजिस्टर और बिना किसी स्टोरेज नोड का उपयोग करते हुए, CMOS पिक्सेल डिज़ाइन का यह सरल रूप इलेक्ट्रॉनिक शटर संचालन को और अधिक जटिल बना देता है। रोलिंग शटर पिक्सेल सेंसर के एक्सपोज़र को एक पंक्ति में एक बार में शुरू और बंद करते हैं, सेंसर के नीचे 'रोलिंग' करते हैं। प्रत्येक एक्सपोज़र के लिए विपरीत क्रम (चित्र में भी दिखाया गया है) का पालन किया जाता है:

चित्र: 6x6 पिक्सेल कैमरा सेंसर के लिए रोलिंग शटर प्रक्रिया

पहला फ़्रेम सेंसर के शीर्ष पर एक्सपोज़र (पीला) से शुरू होता है, और एक पंक्ति प्रति पंक्ति की दर से नीचे की ओर बढ़ता है। ऊपरी पंक्ति के लिए एक्सपोज़र पूरा होने के बाद, रीडआउट (बैंगनी) और उसके बाद अगले एक्सपोज़र (नीला) की शुरुआत सेंसर के नीचे की ओर बढ़ती है।

1. अधिग्रहित आवेशों को जमीन पर साफ करके सेंसर की शीर्ष पंक्ति पर एक्सपोजर शुरू करें।
2. 'पंक्ति समय' बीत जाने के बाद, सेंसर की दूसरी पंक्ति पर जाएं और सेंसर के नीचे दोहराते हुए एक्सपोज़र शुरू करें।
3. जब ऊपरी पंक्ति के लिए अनुरोधित एक्सपोज़र समय समाप्त हो जाए, तो प्राप्त चार्ज को रीडआउट आर्किटेक्चर के माध्यम से भेजकर एक्सपोज़र समाप्त करें। ऐसा करने में लगा समय 'पंक्ति समय' है।
4. जैसे ही किसी पंक्ति के लिए रीडआउट पूरा हो जाता है, वह चरण 1 से पुनः एक्सपोज़र शुरू करने के लिए तैयार हो जाता है, भले ही इसका अर्थ पिछले एक्सपोज़र को निष्पादित करने वाली अन्य पंक्तियों के साथ ओवरलैपिंग करना हो।

रोलिंग शटर के लाभ

●बेहतर कम-रोशनी प्रदर्शन- पिक्सेल डिजाइन प्रकाश संग्रहण को प्राथमिकता दे सकता है, जिससे मंद परिस्थितियों में सिग्नल-टू-शोर अनुपात में सुधार हो सकता है।
●उच्च गतिशील रेंज- अनुक्रमिक रीडआउट डिज़ाइन उज्ज्वल हाइलाइट्स और गहरे छाया को अधिक सुंदरता से संभाल सकते हैं।
●अधिक किफायती- रोलिंग शटर CMOS सेंसर अधिक सामान्य हैं और इनका निर्माण लागत प्रभावी है।

रोलिंग शटर की सीमाएँ

●गति कलाकृतियाँ- तेज गति से चलने वाले विषय तिरछे या मुड़े हुए दिखाई दे सकते हैं, जिसे "रोलिंग शटर प्रभाव" के रूप में जाना जाता है।
●वीडियो में जेलो प्रभाव- कंपन या त्वरित पैनिंग के साथ हैंडहेल्ड फुटेज छवि में कंपन पैदा कर सकता है।
●तुल्यकालन चुनौतियाँ- बाहरी घटनाओं के साथ सटीक समय की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए कम आदर्श।

ग्लोबल बनाम रोलिंग शटर: साथ-साथ तुलना

रोलिंग और ग्लोबल शटर की तुलना का एक उच्च-स्तरीय दृश्य यहां दिया गया है:

विशेषता	रोलिंग शटर	ग्लोबल शटर
पिक्सेल डिज़ाइन	4-ट्रांजिस्टर (4T), कोई भंडारण नोड नहीं	5+ ट्रांजिस्टर, स्टोरेज नोड शामिल है
प्रकाश संवेदनशीलता	उच्च भरण कारक, आसानी से बैक-इलुमिनेटेड प्रारूप के अनुकूल → उच्च QE	कम भरण कारक, BSI अधिक जटिल
शोर प्रदर्शन	आम तौर पर कम पठन शोर	अतिरिक्त सर्किटरी के कारण शोर थोड़ा अधिक हो सकता है
गति विरूपण	संभव (तिरछापन, डगमगाहट, जेलो प्रभाव)	कोई नहीं - सभी पिक्सेल एक साथ एक्सपोज़ किए गए
गति क्षमता	एक्सपोज़र को ओवरलैप कर सकते हैं और कई पंक्तियों को पढ़ सकते हैं; कुछ डिज़ाइनों में अक्सर तेज़	पूर्ण-फ्रेम रीडआउट द्वारा सीमित, हालांकि विभाजित रीडआउट मदद कर सकता है
लागत	कम विनिर्माण लागत	उच्च विनिर्माण लागत
सर्वोत्तम उपयोग के मामले	कम रोशनी में इमेजिंग, सिनेमैटोग्राफी, सामान्य फोटोग्राफी	उच्च गति गति कैप्चर, औद्योगिक निरीक्षण, सटीक मेट्रोलॉजी

कोर प्रदर्शन अंतर

रोलिंग शटर पिक्सल में आमतौर पर स्टोरेज नोड के बिना 4-ट्रांजिस्टर (4T) डिजाइन का उपयोग किया जाता है, जबकि ग्लोबल शटर में रीडआउट से पहले फोटोइलेक्ट्रॉनों को संग्रहीत करने के लिए प्रति पिक्सेल 5 या अधिक ट्रांजिस्टर के साथ-साथ अतिरिक्त सर्किटरी की आवश्यकता होती है।

●भरण कारक और संवेदनशीलता– सरल 4T आर्किटेक्चर उच्च पिक्सेल भरण कारक की अनुमति देता है, जिसका अर्थ है कि प्रत्येक पिक्सेल की सतह का अधिक भाग प्रकाश संग्रह के लिए समर्पित होता है। यह डिज़ाइन, इस तथ्य के साथ कि रोलिंग शटर सेंसर को बैक-इल्युमिनेटेड प्रारूप में अधिक आसानी से अनुकूलित किया जा सकता है, अक्सर उच्च क्वांटम दक्षता प्रदान करता है।
●शोर प्रदर्शन- कम ट्रांजिस्टर और कम जटिल सर्किटरी का मतलब आम तौर पर यह होता है कि रोलिंग शटर कम रीड नॉइज़ प्रदर्शित करते हैं, जिससे वे कम रोशनी वाले अनुप्रयोगों के लिए बेहतर अनुकूल हो जाते हैं।
●गति क्षमता- रोलिंग शटर कुछ आर्किटेक्चर में तेज़ हो सकते हैं क्योंकि वे ओवरलैपिंग एक्सपोज़र और रीडआउट की अनुमति देते हैं, हालांकि यह सेंसर डिज़ाइन और रीडआउट इलेक्ट्रॉनिक्स पर अत्यधिक निर्भर है।

लागत और विनिर्माण - रोलिंग शटर पिक्सल की सरलता आमतौर पर वैश्विक शटर की तुलना में कम उत्पादन लागत में तब्दील हो जाती है।

उन्नत विचार और तकनीकें

छद्म-वैश्विक शटर

ऐसी परिस्थितियों में जहाँ आप सेंसर तक प्रकाश की पहुँच को सटीक रूप से नियंत्रित कर सकते हैं—जैसे कि हार्डवेयर द्वारा ट्रिगर किए गए एलईडी या लेज़र प्रकाश स्रोत का उपयोग करके—आप रोलिंग शटर के साथ "ग्लोबल-जैसे" परिणाम प्राप्त कर सकते हैं। यह छद्म-ग्लोबल शटर विधि, एक्सपोज़र विंडो के साथ रोशनी को सिंक्रोनाइज़ करती है, जिससे वास्तविक ग्लोबल शटर डिज़ाइन की आवश्यकता के बिना गति संबंधी कलाकृतियों को न्यूनतम किया जा सकता है।

छवि ओवरलैप

रोलिंग शटर सेंसर मौजूदा फ़्रेम का रीडआउट पूरा होने से पहले ही अगले फ़्रेम को एक्सपोज़ करना शुरू कर सकते हैं। यह ओवरलैपिंग एक्सपोज़र ड्यूटी साइकिल को बेहतर बनाता है और उच्च गति वाले अनुप्रयोगों के लिए फ़ायदेमंद है जहाँ प्रति सेकंड अधिकतम फ़्रेम कैप्चर करना महत्वपूर्ण होता है, लेकिन यह समय-संवेदनशील प्रयोगों को जटिल बना सकता है।

एकाधिक पंक्ति रीडआउट

कई उच्च-गति वाले CMOS कैमरे एक समय में पिक्सेल की एक से ज़्यादा पंक्तियों को पढ़ सकते हैं। कुछ मोड में, पंक्तियों को जोड़ियों में पढ़ा जाता है; उन्नत डिज़ाइनों में, एक साथ चार पंक्तियों तक को पढ़ा जा सकता है, जिससे कुल फ़्रेम रीडआउट समय प्रभावी रूप से कम हो जाता है।

विभाजित सेंसर आर्किटेक्चर

रोलिंग और ग्लोबल शटर दोनों ही विभाजित सेंसर लेआउट का उपयोग कर सकते हैं, जहां छवि सेंसर को लंबवत रूप से दो हिस्सों में विभाजित किया जाता है, जिनमें से प्रत्येक में ADC की अपनी पंक्ति होती है।

● रोलिंग शटर स्प्लिट सेंसर में, रीडआउट अक्सर केंद्र से शुरू होता है और ऊपर और नीचे दोनों तरफ बाहर की ओर बढ़ता है, जिससे विलंबता कम हो जाती है।
● ग्लोबल शटर डिज़ाइन में, स्प्लिट रीडआउट एक्सपोज़र समकालिकता में बदलाव किए बिना फ्रेम दर में सुधार कर सकता है।

अपने अनुप्रयोग के लिए कैसे चुनें: रोलिंग या ग्लोबल शटर?

ग्लोबल शटर से अनुप्रयोगों को लाभ हो सकता है

● घटनाओं के उच्च-सटीक समय की आवश्यकता

● बहुत कम एक्सपोज़र समय की आवश्यकता होती है

● किसी ईवेंट के साथ समन्वय करने के लिए अधिग्रहण की शुरुआत से पहले उप-मिलीसेकंड विलंब की आवश्यकता होती है

● रोलिंग शटर के समान या तेज़ समय-सीमा पर बड़े पैमाने पर गति या गतिशीलता को कैप्चर करें

● सेंसर में एक साथ अधिग्रहण की आवश्यकता होती है, लेकिन बड़े क्षेत्र में छद्म-वैश्विक शटर का उपयोग करने के लिए प्रकाश स्रोतों को नियंत्रित नहीं किया जा सकता है

रोलिंग शटर से अनुप्रयोगों को लाभ हो सकता है

● चुनौतीपूर्ण कम-प्रकाश अनुप्रयोग: रोलिंग शटर कैमरों की अतिरिक्त क्वांटम दक्षता और कम शोर अक्सर बेहतर SNR की ओर ले जाते हैं

● उच्च गति वाले अनुप्रयोग जहां सेंसर में सटीक समकालिकता महत्वपूर्ण नहीं है, या प्रयोगात्मक समय-सीमा की तुलना में विलंब छोटा है

● अन्य अधिक सामान्य अनुप्रयोग जहां रोलिंग शटर कैमरों की विनिर्माण सरलता और कम लागत लाभदायक है

आम गलतफहमियाँ

1. "रोलिंग शटर हमेशा खराब होता है।"

यह सच नहीं है - रोलिंग शटर कई उपयोग के मामलों के लिए आदर्श हैं और अक्सर कम रोशनी और गतिशील रेंज में ग्लोबल शटर से बेहतर प्रदर्शन करते हैं।

2. "वैश्विक शटर हमेशा बेहतर होता है।"

यद्यपि विरूपण-रहित कैप्चर एक लाभ है, लेकिन लागत, शोर और संवेदनशीलता में होने वाले नुकसान, धीमी गति वाली इमेजिंग के लाभों से अधिक हो सकते हैं।

3. "आप रोलिंग शटर से वीडियो शूट नहीं कर सकते।"

कई उच्च-स्तरीय सिनेमा कैमरे रोलिंग शटर का प्रभावी ढंग से उपयोग करते हैं; सावधानीपूर्वक शूटिंग तकनीक से कलाकृतियों को न्यूनतम किया जा सकता है।

4. "ग्लोबल शटर सभी गति धुंध को समाप्त कर देते हैं।"

वे ज्यामितीय विरूपण को रोकते हैं, लेकिन लंबे समय तक एक्सपोजर के कारण गति धुंधलापन अभी भी हो सकता है।

निष्कर्ष

CMOS कैमरे में ग्लोबल और रोलिंग शटर प्रौद्योगिकी के बीच चयन, गति प्रबंधन, प्रकाश संवेदनशीलता, लागत और आपकी विशिष्ट अनुप्रयोग आवश्यकताओं के बीच संतुलन पर निर्भर करता है।

● यदि आपको तेज गति वाले दृश्यों के लिए विरूपण-मुक्त कैप्चर की आवश्यकता है, तो ग्लोबल शटर स्पष्ट विकल्प है।

● यदि आप कम रोशनी में प्रदर्शन, गतिशील रेंज और बजट को प्राथमिकता देते हैं, तो रोलिंग शटर अक्सर सर्वोत्तम परिणाम देता है।

इन अंतरों को समझने से यह सुनिश्चित होता है कि आप सही उपकरण का चयन कर सकते हैं - चाहे वह वैज्ञानिक इमेजिंग, औद्योगिक निगरानी या रचनात्मक उत्पादन के लिए हो।

पूछे जाने वाले प्रश्न

हवाई फोटोग्राफी या ड्रोन मैपिंग के लिए कौन सा शटर प्रकार बेहतर है?

मानचित्रण, सर्वेक्षण और निरीक्षण के लिए, जहाँ ज्यामितीय सटीकता महत्वपूर्ण होती है, विरूपण से बचने के लिए ग्लोबल शटर को प्राथमिकता दी जाती है। हालाँकि, रचनात्मक हवाई वीडियो के लिए, यदि गति को नियंत्रित किया जाए, तो रोलिंग शटर भी उत्कृष्ट परिणाम दे सकता है।

शटर का चयन निम्न-प्रकाश इमेजिंग को किस प्रकार प्रभावित करता है?

रोलिंग शटर आमतौर पर कम रोशनी में प्रदर्शन के मामले में बेहतर होते हैं क्योंकि उनके पिक्सेल डिज़ाइन प्रकाश-संग्रहण दक्षता को प्राथमिकता दे सकते हैं। ग्लोबल शटर के लिए अधिक जटिल सर्किटरी की आवश्यकता हो सकती है जो संवेदनशीलता को थोड़ा कम कर सकती है, हालाँकि आधुनिक डिज़ाइन इस अंतर को कम कर रहे हैं।

शटर प्रकार किस प्रकार प्रभावित करता है?वैज्ञानिक कैमरा?

उच्च गति वाली वैज्ञानिक इमेजिंग में—जैसे कण ट्रैकिंग, कोशिका गतिकी, या बैलिस्टिक—गति विकृति से बचने के लिए ग्लोबल शटर अक्सर आवश्यक होता है। लेकिन कम प्रकाश वाली प्रतिदीप्ति सूक्ष्मदर्शी के लिए,एससीएमओएस कैमरासंवेदनशीलता और गतिशील रेंज को अधिकतम करने के लिए रोलिंग शटर का चयन किया जा सकता है।

औद्योगिक निरीक्षण के लिए कौन सा बेहतर है?

अधिकांश औद्योगिक निरीक्षण कार्यों में - विशेष रूप से उनमें जिनमें चलती कन्वेयर बेल्ट, रोबोटिक्स या मशीन विजन शामिल होते हैं - गति-प्रेरित ज्यामितीय त्रुटियों के बिना सटीक माप सुनिश्चित करने के लिए ग्लोबल शटर एक सुरक्षित विकल्प है।