25.08.21.U svijetu digitalne fotografije, malo je tehničkih čimbenika koji toliko utječu na kvalitetu slike kao vrsta elektroničkog zatvarača u vašem senzoru. Bez obzira snimate li brze industrijske procese, filmske sekvence ili slabe astronomske pojave, tehnologija zatvarača unutar vaše CMOS kamere igra ključnu ulogu u tome kako će vaša konačna slika ispasti.
Dvije dominantne vrste CMOS elektroničkih zatvarača, globalni zatvarači i rolo zatvarači, imaju vrlo različite pristupe eksponiranju i očitavanju svjetla sa senzora. Razumijevanje njihovih razlika, prednosti i nedostataka ključno je ako želite uskladiti svoj sustav za obradu slika sa svojom primjenom.
Ovaj članak će objasniti što su CMOS elektronički zatvarači, kako funkcioniraju globalni i rolo zatvarači, kako se ponašaju u stvarnim situacijama i kako odlučiti koji je najbolji za vas.
Što su CMOS elektronički zatvarači?
CMOS senzor je srce većine modernih fotoaparata. Odgovoran je za pretvaranje dolazne svjetlosti u električne signale koji se mogu obraditi u sliku. "Zatvarač" uCMOS kameranije nužno mehanička zavjesa - mnogi moderni dizajni oslanjaju se na elektronički zatvarač koji kontrolira kako i kada pikseli hvataju svjetlost.
Za razliku od mehaničkog zatvarača koji fizički blokira svjetlost, elektronički zatvarač radi tako da pokreće i zaustavlja protok naboja unutar svakog piksela. U CMOS snimanju postoje dvije primarne arhitekture elektroničkog zatvarača: globalni zatvarač i rotirajući zatvarač.
Zašto je razlikovanje važno? Zato što metoda izloženosti i očitavanja izravno utječe na:
● Renderiranje i izobličenje pokreta
● Oštrina slike
● Osjetljivost pri slabom osvjetljenju
● Broj sličica u sekundi i latencija
● Opća prikladnost za različite vrste fotografije, videa i znanstvenog snimanja
Razumijevanje globalnog zatvarača
Izvor: GMAX3405 Global Shutter Sensor
Kako funkcionira Global Shutter
CMOS kamere s globalnim zatvaračem istovremeno započinju i završavaju ekspoziciju na cijelom senzoru. To se postiže korištenjem 5 ili više tranzistora po pikselu i 'storagenodea' koji zadržava stečene fotoelektronske naboje tijekom očitavanja. Slijed ekspozicije je sljedeći:
1. Započnite ekspoziciju istovremeno u svakom pikselu uklanjanjem stečenih naboja u masu.
2. Pričekajte odabrano vrijeme ekspozicije.
3. Na kraju ekspozicije, premjestite stečene naboje u čvor za pohranu u svakom pikselu, završavajući ekspoziciju tog kadra.
4. Red po red, premještajte elektrone u kondenzator za očitavanje piksela i prenosite akumulirani napon na arhitekturu za očitavanje, što kulminira u analogno-digitalnim pretvaračima (ADC-ima). Sljedeća ekspozicija se obično može izvesti istovremeno s ovim korakom.
Prednosti globalnog zatvarača
● Bez izobličenja kretanja – Objekti u pokretu zadržavaju svoj oblik i geometriju bez iskrivljenja ili podrhtavanja koje se može pojaviti kod sekvencijalnog očitavanja.
● Brzo snimanje – Idealno za zamrzavanje pokreta u brzim scenama, kao što su sport, robotika ili kontrola kvalitete proizvodnje.
● Niska latencija – Svi podaci o slici dostupni su odjednom, što omogućuje preciznu sinkronizaciju s vanjskim događajima, poput laserskih impulsa ili stroboskopskih svjetala.
Ograničenja globalnog zatvarača
● Niža osjetljivost na svjetlo – Neki dizajni piksela globalnog zatvarača žrtvuju učinkovitost skupljanja svjetla kako bi prilagodili sklopove potrebne za istovremenu ekspoziciju.
● Viši troškovi i složenost – Izrada je izazovnija, što često rezultira višim cijenama u usporedbi s ekvivalentima rolo vrata.
● Potencijal za povećani šum – Ovisno o dizajnu senzora, dodatna elektronika po pikselu može dovesti do nešto većeg šuma pri čitanju.
Razumijevanje rolo zatvarača
Kako funkcionira rolo zatvarač
Koristeći samo 4 tranzistora i bez memorijskog čvora, ovaj jednostavniji oblik CMOS dizajna piksela dovodi do složenijeg rada elektroničkog zatvarača. Pikseli s pomičnim zatvaračem pokreću i zaustavljaju ekspoziciju senzora red po red, 'pomičući' senzor prema dolje. Suprotan slijed (također prikazan na slici) slijedi se za svaku ekspoziciju:
Slika: Postupak rotirajućeg zatvarača za senzor kamere od 6x6 piksela
Prvi kadar započinje ekspoziciju (žuto) na vrhu senzora, pomičući se prema dolje brzinom od jedne linije po liniji. Nakon što je ekspozicija za gornju liniju završena, očitanje (ljubičasto), a zatim početak sljedeće ekspozicije (plavo), pomiču se prema dolje po senzoru.
1. Započnite izlaganje gornjem redu senzora uklanjanjem stečenih naboja u masu.
2. Nakon što istekne 'vrijeme reda', prijeđite na drugi red senzora i započnite ekspoziciju, ponavljajući postupak prema dolje prema senzoru.
3. Nakon što istekne zatraženo vrijeme ekspozicije za gornji red, završite ekspoziciju slanjem prikupljenih naboja kroz arhitekturu očitavanja. Vrijeme potrebno za to naziva se 'vrijeme reda'.
4. Čim se očitavanje za red završi, spreman je za ponovni početak ekspozicije od koraka 1, čak i ako to znači preklapanje s drugim redovima koji izvode prethodnu ekspoziciju.
Prednosti rolo vrata
●Bolje performanse pri slabom osvjetljenju– Dizajn piksela može dati prioritet prikupljanju svjetlosti, poboljšavajući omjer signala i šuma u uvjetima slabog osvjetljenja.
●Viši dinamički raspon– Dizajni sekvencijalnog očitavanja mogu elegantnije obraditi svjetlije istaknute dijelove i tamnije sjene.
●Pristupačnije– CMOS senzori s rolo zatvaračem su češći i isplativiji za proizvodnju.
Ograničenja rolo zatvarača
●Artefakti kretanja– Objekti koji se brzo kreću mogu izgledati iskrivljeni ili savijeni, što je poznato kao „efekt rolling shuttera“.
●Jello efekt u videu– Snimke iz ruke s vibracijama ili brzim pomicanjem mogu uzrokovati podrhtavanje slike.
●Izazovi sinkronizacije– Manje idealno za primjene koje zahtijevaju precizno mjerenje vremena s vanjskim događajima.
Globalni vs. Rolling Shutter: Usporedba
Evo je opći pregled usporedbe rolo i globalnih roleta:
| Značajka | Rolo zatvarač | Globalni zatvarač |
| Dizajn piksela | 4-tranzistor (4T), bez čvora za pohranu | 5+ tranzistora, uključujući memorijski čvor |
| Osjetljivost na svjetlo | Veći faktor ispune, lako se prilagođava formatu s pozadinskim osvjetljenjem → veći kvantni efekt | Niži faktor punjenja, BSI složeniji |
| Izvedba buke | Općenito niži šum pri čitanju | Može imati nešto veći šum zbog dodanih strujnih krugova |
| Izobličenje pokreta | Moguće (iskošenje, ljuljanje, žele efekt) | Ništa — svi pikseli eksponirani istovremeno |
| Potencijal brzine | Može preklapati ekspozicije i čitati više redaka; često brže u nekim dizajnima | Ograničeno očitavanjem cijelog kadra, iako podijeljeno očitavanje može pomoći |
| Trošak | Niži troškovi proizvodnje | Viši troškovi proizvodnje |
| Najbolji slučajevi upotrebe | Snimanje pri slabom osvjetljenju, kinematografija, opća fotografija | Snimanje pokreta velikom brzinom, industrijski pregled, precizna metrologija |
Razlike u temeljnim performansama
Pikseli rolo zatvarača obično koriste dizajn s 4 tranzistora (4T) bez memorijskog čvora, dok globalni zatvarači zahtijevaju 5 ili više tranzistora po pikselu plus dodatni sklop za pohranu fotoelektrona prije očitavanja.
●Faktor ispunjenja i osjetljivost– Jednostavnija 4T arhitektura omogućuje veći faktor ispune piksela, što znači da je veći dio površine svakog piksela posvećen skupljanju svjetlosti. Ovaj dizajn, u kombinaciji s činjenicom da se senzori s pomičnim zatvaračem mogu lakše prilagoditi formatu s pozadinskim osvjetljenjem, često rezultira većom kvantnom učinkovitošću.
●Izvedba buke– Manje tranzistora i manje složeni sklopovi općenito znače da rolo zatvarači pokazuju niži šum pri čitanju, što ih čini prikladnijima za primjene u uvjetima slabog osvjetljenja.
●Potencijal brzine– Rolling shutteri mogu biti brži u određenim arhitekturama jer omogućuju preklapanje ekspozicije i očitavanja, iako to uvelike ovisi o dizajnu senzora i elektronici za očitavanje.
Troškovi i proizvodnja – Jednostavnost piksela rolo zatvarača obično se prevodi u niže troškove proizvodnje u usporedbi s globalnim zatvaračima.
Napredna razmatranja i tehnike
Pseudoglobalni zatvarač
U situacijama u kojima možete precizno kontrolirati kada svjetlost dopire do senzora - poput korištenja LED ili laserskog izvora svjetlosti koji se aktivira hardverom - možete postići "globalne" rezultate pomoću rotirajućeg zatvarača. Ova pseudo-globalna metoda zatvarača sinkronizira osvjetljenje s prozorom ekspozicije, minimizirajući artefakte kretanja bez potrebe za pravim dizajnom globalnog zatvarača.
Preklapanje slika
Senzori rotirajućeg zatvarača mogu započeti s ekspozicijom sljedećeg kadra prije nego što se završi očitavanje trenutnog kadra. Ovo preklapanje ekspozicije poboljšava radni ciklus i korisno je za brze primjene gdje je snimanje maksimalnog broja kadrova u sekundi ključno, ali može zakomplicirati eksperimente osjetljive na vrijeme.
Očitavanje više redaka
Mnoge CMOS kamere velike brzine mogu istovremeno čitati više od jednog reda piksela. U nekim načinima rada, retci se čitaju u parovima; u naprednim izvedbama, istovremeno se mogu čitati do četiri reda, što učinkovito smanjuje ukupno vrijeme čitanja kadra.
Arhitektura podijeljenog senzora
I rolo i globalni zatvarači mogu koristiti raspored podijeljenih senzora, gdje je senzor slike vertikalno podijeljen na dvije polovice, svaka sa svojim redom ADC-ova.
● Kod senzora s podijeljenim djelovanjem rotirajućeg zatvarača, očitavanje često počinje od središta i pomiče se prema van prema gore i prema dnu, što dodatno smanjuje latenciju.
● U globalnim dizajnima zatvarača, podijeljeno očitavanje može poboljšati brzinu kadrova bez promjene istovremenosti ekspozicije.
Kako odabrati za svoju primjenu: Rolling Shutter ili Global Shutter?
Globalni zatvarač mogao bi koristiti aplikacijama
● Zahtijevaju visokoprecizno određivanje vremena događaja
● Zahtijevaju vrlo kratka vremena ekspozicije
● Zahtijeva kašnjenje od manje od milisekunde prije početka akvizicije radi sinkronizacije s događajem
● Snimanje pokreta ili dinamike velikih razmjera u sličnom ili bržem vremenskom rasponu kao kod rolling shuttera
● Zahtijevaju simultano snimanje na cijelom senzoru, ali ne mogu kontrolirati izvore svjetlosti za korištenje pseudoglobalnog zatvarača na velikom području
Rolo zatvarač može koristiti primjenama
● Izazovne primjene u uvjetima slabog osvjetljenja: Dodatna kvantna učinkovitost i niži šum kamera s rolling shutterom često dovode do poboljšanog omjera signal-šum
● Primjene velike brzine gdje točna simultanost na senzoru nije važna ili je kašnjenje malo u usporedbi s eksperimentalnim vremenskim skalama
● Druge općenitije primjene gdje su jednostavnost proizvodnje i niži troškovi kamera s rolo zatvaračem korisni
Uobičajene zablude
1. "Roll shutter je uvijek loš."
Nije istina - rolo zatvarači su idealni za mnoge slučajeve upotrebe i često nadmašuju globalne zatvarače pri slabom osvjetljenju i dinamičkom rasponu.
2. "Globalni zatvarač je uvijek bolji."
Iako je snimanje bez izobličenja prednost, kompromisi u cijeni, šumu i osjetljivosti mogu nadmašiti prednosti sporijeg snimanja.
3. "Ne možete snimati video s rolling shutterom."
Mnoge vrhunske filmske kamere učinkovito koriste rotirajuće zatvarače; pažljive tehnike snimanja mogu smanjiti artefakte.
4. "Globalni zatvarači uklanjaju sve zamućenja pokreta."
Sprječavaju geometrijsko izobličenje, ali zamućenje pokreta uzrokovano dugim ekspozicijama i dalje se može pojaviti.
Zaključak
Izbor između globalne i rolling shutter tehnologije u CMOS kameri svodi se na ravnotežu između upravljanja pokretom, osjetljivosti na svjetlo, cijene i specifičnih potreba vaše primjene.
● Ako vam je potrebno snimanje brzih scena bez izobličenja, globalni zatvarač je jasan izbor.
● Ako dajete prioritet performansama pri slabom osvjetljenju, dinamičkom rasponu i budžetu, rotirajuće zatvaranje često daje najbolje rezultate.
Razumijevanje ovih razlika osigurava vam da možete odabrati pravi alat - bilo da se radi o znanstvenom snimanju, industrijskom nadzoru ili kreativnoj proizvodnji.
Često postavljana pitanja
Koji je tip zatvarača bolji za zračnu fotografiju ili mapiranje dronom?
Za mapiranje, geodetsko snimanje i inspekciju gdje je geometrijska točnost ključna, globalni zatvarač je poželjniji kako bi se izbjeglo izobličenje. Međutim, za kreativne zračne videozapise, rotirajući zatvarač i dalje može dati izvrsne rezultate ako se pokreti kontroliraju.
Kako odabir zatvarača utječe na snimanje pri slabom osvjetljenju?
Rolo zaklopke općenito imaju prednost u performansama pri slabom osvjetljenju jer njihovi dizajni piksela mogu dati prioritet učinkovitosti skupljanja svjetlosti. Globalne zaklopke mogu zahtijevati složenije sklopove koji mogu neznatno smanjiti osjetljivost, iako moderni dizajni smanjuju tu razliku.
Kako vrsta zatvarača utječe naznanstvena kamera?
U brzom znanstvenom snimanju - poput praćenja čestica, stanične dinamike ili balistike - globalni zatvarač je često neophodan kako bi se izbjeglo izobličenje kretanja. Ali za fluorescentnu mikroskopiju pri slabom osvjetljenju,sCMOS kameras rotirajućim zatvaračem može se odabrati kako bi se maksimizirala osjetljivost i dinamički raspon.
Koji je bolji za industrijsku inspekciju?
U većini industrijskih inspekcijskih zadataka - posebno onih koji uključuju pokretne transportne trake, robotiku ili strojni vid - globalni zatvarač je sigurniji izbor za osiguranje preciznih mjerenja bez geometrijskih pogrešaka uzrokovanih kretanjem.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Sva prava pridržana. Prilikom citiranja, molimo navedite izvor:www.tucsen.com
